空间生物舱中紫外可见光谱仪的研制

论文摘要

空间生命科学的研究,对实验设备提出了很高的要求。由于空间生命科学实验的特殊环境,要求实验设备具有体积小、功耗低、重量轻、可靠性高、自动化程度高等特点。一般的光谱仪在上述几个方面很难满足空间科学实验的要求。介绍了一种体积小、重量轻、功耗低,采用CAN2.0B口与系统交换信息的微型紫外可见光谱仪,并详细描述了该光谱仪与空间生物舱的接口,为研制将来可用于我国未来空间站中进行空间科学实验的紫外可见光谱仪而探索一条光谱分析设备的研制道路。在此背景下,本课题研究了微型光谱仪基本的光学原理,总结了微型光谱仪光学系统设计和机械结构设计的方法。在此基础上又研究了整体系统的优化设计方法,从而在光学结构、机械结构、硬件系统和软件系统的设计中提高了系统的准确度和合理性,并研制出基于平面光栅的微型光栅光谱仪及配套的硬软件系统。整体系统性能稳定功能丰富,选用不同型号的光栅可使系统工作波长范围覆盖2001100nm。经FPGA对CCD采集,并通过ARM运算处理后,经CAN总线送入总控设备得到光谱数据。本课题主要完成了光谱仪的光路搭建,FPGA对线阵CCD的采集,ARM对数据处理,CAN总线数据等软件系统开发和相应的硬件电路设计。该软件主要包括:FPGA对AD9824的时序控制;ARM与FPGA的通信;ARM与CAN总线设备的通信;ARM上的数据存储与算法处理。本论文主要包括以下几个方面:1)微型光谱仪光学系统的设计与实现。选择了交叉非对称Czerny-Turner结构作为微型光谱仪的基本光学结构,合理设计各光学元件参数。以各种实验为基础得到测量效果。2) FPGA对AD9824的时序控制,以完成对线阵CCD的数据采集。研究AD9824芯片的工作模式选择,以及其工作所需的时序,并研究线阵CCD的驱动时序,最后对其控制,并获得其模拟量的数据。3) ARM与FPGA的串行通信,及相应的通信协议制定,ARM采用FIFO的串行通信模式,FPGA接收到ARM采集命令后,完成相关的采集动作,并将数据传入ARM板中。4) ARM完成对其采集数据的存储和处理,并完成对CAN总线设备的通信,接收总体设备发出的控制命令,并将处理好的吸收光谱曲线发送到总体设备中,并同时向LCD驱动模块送入曲线的数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 光谱仪的发展史
• 1.2 国内外发展现状及趋势
• 1.2.1 国内发展现状
• 1.2.2 国外发展现状
• 1.2.3 研究的背景与意义
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 2 光谱仪的工作原理
• 2.1 光谱仪的基本结构
• 2.2 反射式平面光栅色散原理
• 2.2.1 色散原理
• 2.2.2 色散率和线色散率
• 2.2.3 理论分辨率
• 2.2.4 光谱级的重叠和自由光谱范围
• 2.3 闪耀光栅
• 3 小型化光谱仪的结构设计
• 3.1 常用的平面光栅光谱仪光学结构
• 3.1.1 Fastile-Ebert 水平成像系统
• 3.1.2 Czerny-Turner 系统及其变形结构
• 3.2 光学系统设计
• 3.2.1 光栅的选择
• 3.2.2 准直镜参数
• 3.2.3 成像镜参数
• 4 光谱仪的电路设计和软件设计
• 4.1 光谱仪系统的整体框架图
• 4.1.1 控制器与处理器的选择
• 4.1.2 FPGA 的处理器结构
• 4.1.3 FPGA 系统框架结构
• 4.1.4 FPGA 模块的配置
• 4.2 FPGA 信号端电路及时序控制
• 4.2.1 CCD 工作原理及其相关参数
• 4.2.1.1 TCD1209D 的结构及其工作原理
• 4.2.1.2 驱动电路设计
• 4.2.1.3 FPGA 对TCD1209D 时序的实现
• 4.2.2 数据采集电路设计
• 4.2.2.1 CCD 输出信号特性及处理电路的设计
• 4.2.2.2 AD9824 结构介绍及工作原理
• 4.2.2.3 AD9824 数据采集电路设计
• 4.2.2.4 FPGA 的AD9824 控制时序
• 4.2.3 FPGA 的串口设计
• 4.2.3.1 串口内部寄存的设计以及实现
• 4.2.3.2 FPGA 串口命令解析
• 5 ARM 接口电路以及软件设计
• 5.1 ARM 接口系统的整体框架图
• 5.1.1 ARM 微处理器结构
• 5.1.2 ARM 系统框架结构
• 5.1.3 ARM 的初始化启动
• 5.2 ARM 处理端电路及软件设计
• 5.2.1 CAN 模块
• 5.2.1.1 CAN 总线的介绍及通信协议
• 5.2.1.2 CAN 总线电路
• 5.2.1.3 CAN 总线的驱动
• 5.2.2 FIFO 串行模块
• 5.2.2.1 FIFO 串行模块的介绍
• 5.2.2.2 串口电路
• 5.2.2.3 FIFO 串行驱动
• 5.2.3 AD 模块
• 5.2.3.1 自检电路的AD 模块的介绍
• 5.2.3.2 AD 电路图设计
• 5.2.4 处理器外围其它电路设计
• 5.2.4.1 电源设计
• 5.2.4.2 时钟电路设计
• 5.2.4.3 JTAG 路口电路
• 5.2.5 其它底层驱动软件设计
• 5.2.5.1 定时器驱动
• 5.2.5.2 LCD 模块驱动
• 6 软件测试与试验结果
• 6.1 软件测试与分析
• 6.2 输出结果分析
• 7 总结与展望
• 参考文献
• 致谢