基于CCD的微型光谱仪的设计与研究

论文摘要

光谱仪是一种重要的光谱分析仪器,几乎所有的科学领域都有光谱仪的身影。由于传统光谱仪体积大、重量重而且系统复杂,不能同时对多个波长进行检测,特别在野外测量受到了极大的限制。光谱仪器的微型化、小型化是其发展的必然趋势。本文提出了一种基于CCD的微型光谱仪的系统设计方案。该方案选用CCD为光谱测量的探测器,光学系统采用折叠Czerny-Turner结构设计,大大减少了光学系统的体积；在探测系统方面,以现场可编程逻辑门阵列（FPGA） EPM7032设计了CCD驱动和信号采集系统。在FPGA上采用了片上可编程（SOPC）技术,集成了NiosⅡ软核UARI、CPU等功能模块,整个系统只用一片FPGA资源开发了CCD驱动电路、A/D采样控制电路、USB驱动电路等模块,使整个光谱仪系统的实现了单芯片控制。完成了基于USB的微型光谱仪和PC机的通讯,并使用Labview开发了光谱采集和处理软件,实现对光谱仪的光谱数据处理、光谱谱线绘制、波长定标相关功能。最后,对本文的系统进行了相关实验,实验表明：按照该方案设计的微型光谱仪能同时对多个波长进行测量,整个光谱仪的体积重量达到了设计所要求的微型化、小型化。为了使CCD探测系统能检测到较宽的光谱范围,选择3694个像素的线阵CCD作为探测器件。采用CCD专用A/D转换芯片MAX1 101对CCD输出信号进行相关及模数转换处理,转换后的数字信号暂时储存在FPGA中,经处理后通过USB总线传送到上位机,由应用软件完成光谱数据进一步的分析、处理和显不。FPGA作为整个系统的核心,完成了CCD驱动时序、MAX1101采样时序和FT245BM（USB）芯片脉冲控制时序。采用Protel DXP画图完成了系统的原理图的绘制和PCB板的设计,利用QuartusⅡ、Modelsim和Synplify软件设计、仿真并实现了各逻辑模块。使用示波器及嵌入式逻辑分析仪对CCD信号采集系统进行调试,各模块均能正常工作。结合光学平台和应用软件的测试表明,探测系统能清晰分辨汞灯光谱特有的特征谱线,成功地完成光谱数据的采集、处理及传输。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型光谱仪研究现状及发展趋势
• 1.3 研究微型光谱仪的意义和必要性
• 1.4 本论文的主要内容
• 第2章 光谱仪工作原理分析
• 2.1 光谱仪光学系统的基本原理与机构
• 2.2 反射式平面光栅色散原理
• 2.2.1 光栅的色散原理
• 2.2.2 角色散率和线色散率
• 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
• 2.4 光栅的选择
• 2.5 本章小结
• 第3章 微型CCD光谱仪的设计
• 3.1 CCD光谱测量的基本工作原理
• 3.1.1 电荷的存储
• 3.1.2 电荷的转移
• 3.1.3 电荷的输出方式
• 3.2 线阵CCD的基本特性参数
• 3.3 微型光谱仪光学结构设计
• 3.4 TCD1304DG
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CCD的微型光谱仪电路设计
• 4.1 基于SOPC的嵌入式系统
• 4.1.1 SOPC技术概况
• 4.1.2 IP核
• 4.1.3 NiosⅡCPU
• 4.1.4 Avalon总线简介
• 4.1.5 SOPC设计开发流程
• 4.1.6 CycloneⅡ和Cyclone系列的CPLD/FPGA
• 4.2 方案的总体设计
• 4.3 TCD1304驱动时序电路的设计
• 4.3.1 TCD1304AP驱动时序电路的设计
• 4.3.2 TCD13404AP传感器的额定值
• 4.3.3 TCD1340AP的基本结构
• 4.3.4 TCD1304AP的驱动原理
• 4.3.5 TCD1304AP的时序驱动模块设计
• 4.4 基于MAX1101的A/D采样时序的产生
• 4.4.1 MAX1101在系统中的应用电路
• 4.5 基于FT245BM的USB接口设计
• 4.5.1 FT245BM芯片简介
• 4.5.2 FT245BM硬件电路设计
• 4.5.3 FT245BM软件编程
• 4.6 硬件电路PCB板设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 微型光谱仪应用程序编写及实验结果分析
• 5.1 微型光谱仪应用程序
• 5.1.1 应用程序的开发
• 5.2 光谱数据噪声处理
• 5.3 波长标定
• 5.4 系统调试
• 5.4.1 调试工具
• 5.4.2 PCB板调试过程
• 5.4.3 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录A CCD信号处理系统电路原理图
• 附录B CCD信号处理系统相关程序