[發明專利]一種基于FPGA和USB2.0協議接口的CCD光譜信號通用采集系統設計

無效

• 申請號: 201110100171.8
• 申請日: 2011-04-21
• 公開（公告）號: CN102749137A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 王偉蘭
• 申請（專利權）人: 王偉蘭
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G08C19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明屬于CCD光譜信號采集及傳輸設計領域，涉及光學、現場可編程門陣列及USB2.0協議接口的集成電路設計技術領域。

二、背景技術

近年來以CCD芯片和光纖為基礎的微型光譜儀與拉曼光譜、LIBS光譜、熒光光譜等技術相結合，在環境、化工、農業等領域得到了廣泛的應用，為成分快速分析和生產過程的實時監控提供了很好的測量手段。基于CCD芯片的光譜儀不需要任何運動部件，可直接獲得完整的光譜譜圖，使得光譜儀器更為簡單。傳統的光譜信號采集技術一般都由國外把持，而且都是針對特定波段或特定功能的CCD，不但造價較高，在通用性方面較差，本項發明即是解決這一問題，采用可編程方式設計了一套通用CCD光譜信號采集及傳輸系統，可編程方式提高了系統的靈活性，使其能按使用者的具體要求去靈活改變相應的控制信息等。

基于FPGA和USB2.0協議接口的CCD光譜信號通用采集系統與傳統采集系統相比，在大容量數據的實時傳輸、處理方面取得了更好的效果。發明中采用了可重構的現場可編程器件作為控制核心，FPGA與傳統的單片機等MCU處理器相比，結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率，其硬件固有的并行性使得實時處理成為可能，滿足了高速光譜信號的大容量數據的實時傳輸、處理要求。同時采用了基于USB2.0協議的通用接口，系統只需一根USB數據線即可工作，即插即用，小巧便攜，能夠對被測光源進行高速、精密測量。

通用CCD光譜信號采集系統主要由光譜信號產生、數據采集單元兩大部分組成。由光學成像模塊和FPGA控制光譜信號的產生；USB配合FPGA進行邏輯控制，負責光譜信號的采集；上位機進行數據處理。

從光譜信號的流向各功能模塊劃分如下：

(1)光學成像模塊。此部分包括分光系統和線陣CCD探測器。分光系統采用了非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構，使用線陣CCD探測器產生待測的模擬光譜信號。光源首先經過分光系統按波長順序在空間分離為一系列“單一”波長的“單色光”投射到線陣CCD上，并轉換成電信號，然后通過后續電路的處理。

(2)CCD的時序驅動接口電路。主要包括CCD光電轉換模塊、信號調理模塊和A/D轉換模塊。

CCD光電轉換模塊中采用FPGA編程產生CCD的時序驅動脈沖，具有很好的靈活性。信號調理部分用來濾波CCD穩定輸出之前的高頻脈沖和CCD的暗電流噪聲，采用二階壓控型有源低通濾波器，與無緣濾波方式相比具有更好的濾波效果和選擇性，其中低頻濾波截止頻率具體型號CCD傳感器輸出頻率值選擇。A/D模數轉換采用高速高精度的帶有相關雙采樣功能的并行A/D轉換器，實現模擬信號的數字化。

(3)FPGA驅動及控制模塊。該模塊是整個采集系統的設計重點，關系到光譜信號能否實時、有效地進行采集。主要用來產生線陣CCD的驅動時序；控制A/D的采樣時序；片上配置FIFO緩存數據；產生USB接口通信時序。

(4)USB2.0協議接口。整個采集系統的數據傳輸通道，實現FPGA與上位機軟件之間的通信，主要包括上位機向通用采集系統發出的控制命令和通用采集系統將采集的數據傳輸到上位機。采用基于USB2.0協議接口最大優勢便是高速的數據傳輸能力，USB2.0高速協議支持480Mbit/s的總線速率。

(5)預留IO口。作為通用CCD光譜信號采集及傳輸單元，為了實現同不同功能的CCD的互連，將FPGA剩余IO口全部引出并以接插件的形式與前端傳感器互連，以實現對不同傳感器驅動控制功能。

發明中采用可編程的控制方式，在FPGA片內開辟各控制模塊，能靈活按照用戶需要與前端CCD圖像傳感器互連并可實現功能擴展。

三、發明內容

本發明的目的是設計一套通用的CCD光譜信號采集系統，功能是將待測光源的光譜信息通過CCD光電轉換后將其數字化、實時傳輸至上位機顯示及處理。特點是采用FPGA可編程方式，能靈活實現對多種CCD圖像傳感器的驅動控制及數據的處理和傳輸。同時采用USB2.0協議的傳輸接口將采集數據傳送到上位機進行界面顯示及結果分析，充分發揮了FPGA的并發處理特性可以實時傳送、處理大容量數據的功能，以及USB的即插即用、高速傳輸的獨特優勢。