基于FPGA的微小型光譜儀器研制.pdf

1、光譜分析技術(shù)是運(yùn)用光學(xué)、電子學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及成分進(jìn)行定性或定量分析的一門(mén)技術(shù),在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。近年來(lái),在軍工、科學(xué)研究、野外地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)庾V儀器的體積、重量、結(jié)構(gòu)、性能等提出了越來(lái)越高的要求,微小型化是光譜儀器的發(fā)展方向。
　　本文首先分析了光譜儀器的工作原理、組成結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo),選用非對(duì)稱(chēng)的車(chē)爾尼——特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng),確定了各光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參數(shù),并

2、用ZEMAX進(jìn)行了光路的模擬仿真,優(yōu)化了光學(xué)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。然后提出了一套基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的電荷耦合元件(CCD)光積分時(shí)間大范圍實(shí)時(shí)自調(diào)節(jié)光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,光積分時(shí)間調(diào)節(jié)范圍在10us以上,最小調(diào)節(jié)精度達(dá)0.25us。針對(duì)光譜測(cè)量的特性需要,選用東芝公司的TCD1304AP線陣CCD探測(cè)器進(jìn)行光電信號(hào)采集,其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為200~1100nm;CCD輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后,由12位模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器A

3、DS803E轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再通過(guò)“軟”FIFO完成高低速率匹配轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過(guò)高速的通用串行總線(USB)通信接口傳給上位機(jī)。利用FPGA實(shí)現(xiàn)了主控軟件、CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序及A/D同步時(shí)鐘、“軟”FIFO和USB通信控制狀態(tài)機(jī)等邏輯軟件部分,使用Keil設(shè)計(jì)了CY7C68013的USB固件程序。
　　最后搭建了一套光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并對(duì)其波長(zhǎng)標(biāo)定和光譜響應(yīng)不均勻性校正進(jìn)行了分析,利用自然光、LED進(jìn)行了光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析,為微小型光譜儀器