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基于线阵CCD的微型光谱仪的设计

作　者: 余钱平
导　师: 万青；谢中
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微型光谱仪 切尔尼-特纳 FPGA 线阵CCD USB 电磁兼容
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


从1666年牛顿通过三棱镜将太阳光分解为七色光开始,光谱仪器的发展已经走过了数百年的时间,光谱仪器的技术一步步走向成熟。光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置,其应用范围几乎覆盖了所有的科学领域,包括医药、化学、地质学、物理及天文学等。近年来,随着科学技术的发展,微小型光谱仪已成为世界各国的研究热点,与传统大型光谱仪器相比,小型光谱仪具有体积小、重量轻、使用灵活、价格较低等优点,同时小型光谱仪可以作为光电接口设备与光纤探头联合使用,使测量更加方便。因此成为光谱仪发展的重要趋势。本文首对色散型光谱仪器的基本组成和原理及其基本特性进行了理论分析,根据分析和比较,选用对称的切尔尼一特纳光路系统。然后对线阵CCD图像传感器的应用进行了研究,设计了基于高速线阵CCD图像传感器的微型光谱仪。针对光谱测量的需要,选择东芝公司的3648像元线阵的CCD图像传感器TCD1305P进行光谱信息采集。CCD输出信号经过模拟信号调理电路放大后由模数转换器AD9200转换为数字信号。数字信号传输使用的是主流的USB总线传输,用USB总线接口芯片CH372实现了光谱数据的实时传输。由USB提供微型光谱仪的工作电源,所以只需一根USB数据线就可以让微型光谱仪正常工作,即插即用,便携方便。FPGA为整个系统的核心,采用FPGA来实现CCD驱动、模数转换驱动、USB数据传输控制和全局控制,采用Protel DXP设计了系统的硬件电路和PCB板,最后使用Verilog HDL硬件描述语言实现了各逻辑模块,利用Modelsim、QuartusⅡ和Synplify软件设计通过仿真测试对设计进行优化,使系统具有较高的可靠性。本设计还充分考虑了电磁兼容性对CCD器件的影响,使CCD受系统噪声的干扰减少到最少,保证其稳定可靠工作。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 光谱仪器的发展历史  9-11
  1.2 微型光谱仪国内外的发展现状  11-14
  1.3 微型光谱仪的研究意义及技术支持  14-16
  1.4 本论文所做的主要工作  16-18
第2章 微型光谱仪的光学系统  18-26
  2.1 光谱仪基本原理  18-19
  2.2 光谱仪的基本特性  19-21
  2.3 微型光谱仪的光学系统设计  21-26
    2.3.1 微型光谱仪的分光成像系统  22-24
    2.3.2 微型光谱仪的接收系统  24-26
第3章 微型光谱仪的硬件电路设计  26-51
  3.1 微型光谱仪的系统框架  26-28
    3.1.1 驱动控制和处理器的选择  26-28
    3.1.2 电路系统框架  28
  3.2 CCD数据采集模块硬件电路设计  28-38
    3.2.1 CCD 工作原理分析  28-33
    3.2.2 线阵CCD器件TCD1305P  33-36
    3.2.3 CCD驱动电路设计  36-38
  3.3 CCD模拟信号调理电路设计  38-43
    3.3.1 模数转换模块电路设计  39-43
  3.4 数字信号传输模块电路设计  43-46
    3.4.1 USB总线接口芯片  43-45
    3.4.2 USB总线接口电路设计  45-46
  3.5 FPGA电路设计  46-48
    3.5.1 FPGA配置电路设计  46-48
    3.5.2 FPGA供电电路及时钟电路设计  48
  3.6 供电电源设计  48-50
  3.7 系统PCB板设计  50-51
第4章 微型光谱仪的逻辑设计及仿真验证  51-72
  4.1 FPGA设计流程  51-56
    4.1.1 FPGA简介及其特点  51-52
    4.1.2 FPGA设计流程及设计工具  52-54
    4.1.3 自顶向下的系统模块设计  54-56
  4.2 CCD驱动模块设计及仿真  56-59
  4.3 A/D驱动控制模块设计及仿真  59-60
  4.4 数据存储和处理模块设计及仿真  60-64
    4.4.1 数据存储模块的设计及仿真  60-62
    4.4.2 FIR滤波模块的设计及仿真  62-64
  4.5 USB数据传输模块设计及仿真  64-71
    4.5.1 CH372的时序及命令分析  64-67
    4.5.2 CH372初始化设计  67
    4.5.3 USB总线数据接收和上传  67-71
  4.6 FPGA逻辑实现  71-72
结论  72-74
参考文献  74-78
致谢  78-79
附录A PCB板设计图  79-80
附录B FIR数字滤波Verilog HDL代码  80-84
附录C 逻辑实现综合结果  84

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 物理光学仪器 > 光谱仪器
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