微型光纤光谱仪的探测接收系统设计

论文摘要

随着科研和生产技术的发展和进步,光谱检测技术正在向原位和在线测量方向发展,因此在地质勘探、生物医学、环境监测等领域对光谱检测仪器提出了微型化的要求。基于这种要求设计了一款微型光纤光谱仪,采用闪耀光栅和两个球面反射镜构成基于折叠Czenry-Turner结构的小型色散系统、CCD器件、复杂可编程逻辑器件、PIC单片机等技术,其工作波长为200-910nm,分辨率约为1.5nm。整个仪器的设计包括两大部分:第一部分是光学系统的设计;第二部分是电子学系统的设计,即仪器探测接收系统的设计。本文主要对第二部分的设计进行了重点探讨。针对光谱测量的要求,CCD选用东芝公司生产的线阵电荷耦合器件TCD1304AP,一次接收整个光谱,将接收的光信号转换为电信号。系统的硬件电路包括CCD信号采集电路、CPLD和PIC单片机电路、信号调理电路、高速A/D采样转换电路、DMA电路、存储电路、数字信号传输电路等。利用复杂可编程逻辑器件CPLD配合微处理器设计了一款新型的、集成度高的CCD驱动与信号采集系统。该系统中CCD驱动时序、高速AD采样控制时序与存储等功能电路均由CPLD内部的逻辑单元产生,采样结果暂存在扩展的RAM单元中,最后微处理器将测量结果送到上位机进行存储、处理和分析,解决了CCD输出的大量数据与PIC单片机在处理大量数据时速度不够快之间的矛盾。CPLD采用VHDL语言实行模块化编程,在Quartus II开发环境中编译、综合、仿真,并烧写器件。微处理器选用的是MICROCHIP公司的PIC16F887,单片机软件采用汇编语言进行编写。系统只需要一根USB数据线即可工作,即插即用,小巧便携。最后,对研制的样机进行测试,利用汞灯和激光作为标准光源对系统进行了测试分析和波长标定,测量结果达到本设计的要求,实现了200-910nm波长范围的同时测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微型光谱仪的发展简介
• 1.3 本课题的研究意义
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 系统总体设计方案
• 2.1 光谱测量系统原理
• 2.2 系统结构及工作原理
• 2.2.1 微型光谱仪的光学平台设计
• 2.2.2 微型光谱仪的接收系统
• 第三章 光信号采集模块
• 3.1 CCD 的工作原理及性能指标
• 3.1.1 CCD 的工作原理
• 3.1.2 CCD 的基本特性指标
• 3.2 本课题CCD 探测器的选择
• 3.3 TCD1304AP
• 3.3.1 TCD1304AP 特性
• 3.3.2 TCD1304AP 基本结构
• 3.3.3 TCD1304AP 的驱动时序
• 3.4 CCD 驱动电路的实现方法
• 第四章 信号调理电路和A/D 转换模块
• 4.1 信号调理电路
• 4.1.1 AD8041 特性
• 4.1.2 信号调理电路的设计
• 4.2 A/D 转换模块
• 4.2.1 A/D 转换器的选择
• 4.2.2 A/D 转换芯片AD9223
• 4.2.3 AD9223 采样时序
• 4.2.4 A/D 转换模块电路图
• 4.3 采集后的数据存储方案设计
• 第五章 CPLD 驱动模块
• 5.1 CPLD 和FPGA 的比较和选择
• 5.1.1 CPLD 和FPGA 的比较
• 5.1.2 CPLD 和FPGA 的选择
• 5.2 CPLD 器件EPM7064S 简介
• 5.3 QUARTUS Ⅱ 开发软件简介
• 5.4 VHDL 硬件描述语言介绍
• 5.5 EPM7064S 实现驱动与控制功能
• 5.6 CPLD 仿真结果与实际结果
• 第六章 PIC 控制模块及数据通信模块
• 6.1 控制模块单片机的选择
• 6.1.1 PIC16F887 芯片概述
• 6.1.2 PIC16F887 引脚在本课题中的分配
• 6.2 PIC 单片机的整个控制过程
• 6.3 数据传输模块
• 6.3.1 PL2303 芯片概述
• 6.3.2 PL2303 芯片引脚功能
• 6.3.3 PL2303 数据通讯模块设计
• 6.4 单片机软件设计
• 6.5 电路板设计
• 6.5.1 PCB 电磁兼容性设计的基本原则
• 6.5.2 本课题中PCB 板的设计
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究结果
• 7.2 本课题存在的不足和未来的研究方向
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 硕士期间发表的论文