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基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究

作　者: 褚建平
导　师: 亓夫军
学　校: 中国海洋大学
专　业: 光学工程
关键词: 光谱仪 CCD FPGA SOPC
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 3次
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内容摘要

光谱仪是一种重要的光学仪器,广泛应用于科学技术的各个领域。传统的光谱仪器结构复杂、体积大,不能做多波长的同时检测,在很多应用领域受到限制。光谱仪器的小型化是其发展的必然趋势。本文提出了一种基于CCD的小型化光谱仪的设计方案。该方案采用CCD作为光谱探测器,基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统设计,有效地减小了仪器体积;针对该方案,用大容量的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)EP1C3T144C8实现了CCD驱动与信号采集系统。在FPGA上采用了SOPC技术,集成了NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,并使用可编程逻辑资源开发了CCD驱动电路、A/D采样控制电路等模块,实现了光谱仪的单芯片控制。完成了小型化光谱仪和计算机的串口通讯,并使用VB开发了光谱采集和分析软件,实现光谱仪的波长定标、光谱数据处理、谱线绘制等功能。最后,对本文的设计进行了模拟实验,实验证明:按照该方案设计小型化光谱仪能够有效减小仪器体积,完成多波长的同时测量。本论文主要做了以下工作:①采用CCD器件、闪耀光栅和两个凹面反射镜设计了一个基于折叠Czerny-Turner结构的小型的色散系统,通过对光学系统结构分析,确定各元件参数之间的关系,确定了小型光谱仪的基本参数。②采用大容量的现场可编程逻辑门阵列EP1C3T144C8设计了一种新型的、集成度高的CCD驱动与信号采集系统。该系统中CCD驱动脉冲时序、AD采样控制时序、数据的采集与存储等功能电路均由FPGA内部的逻辑单元产生,测量结果通过串口传送给计算机。③应用高共模抑制比、高速运算放大器AD8032,采用差分放大形式设计了CCD的视频信号处理电路。④采用Visual Basic 6.0完成了光谱处理软件设计。该软件可以实现同下位机的通讯,同时能够实现光谱仪的波长定标、光谱图的显示、保存、打印等功能。本论文主要有以下几个特点:①采用多通道检测器CCD为光电接收元件,采用平面闪耀光栅作为色散元件,在400～800nm的可见光谱范围内实现快速扫描。测量速度快,获得一幅光谱图的最快时间为5.12ms。②基于折叠Czerny-Turner结构的光学系统能够大大减小仪器体积,满足仪器小型化设计要求。③在设计数据采集电路时采用了SOPC技术,使用NiosII软核CPU、UART、DMA等功能模块,增加系统的集成度,有效地加快了设计进度,减小电路板面积。④在PC机和下位机之间通信时,提出一种针对串口通讯传输较大文件的协议。协议格式简单,容易实现。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 小型光谱仪的发展背景  9-10
  1.3 小型光谱仪的国内外发展现状  10-13
  1.4 研究小型光谱仪的意义和必要性  13-14
  1.5 本论文的主要研究内容  14-15
2 光谱仪工作原理  15-21
  2.1 光谱仪的基本结构  15-16
  2.2 反射式平面光栅色散原理  16-18
    2.2.1 色散原理  16
    2.2.2 角色散率和线色散率  16-17
    2.2.3 理论分辨率  17
    2.2.4 光谱级的重叠和自由光谱范围  17-18
  2.3 闪耀光栅  18-19
  2.4 光栅的选择  19-21
3 基于CCD 的小型化光谱仪的设计  21-33
  3.1 CCD 应用于光谱测量的理论分析[13]  21
  3.2 电荷藕合器件的基本工作原理及选择方法  21-27
    3.2.1 电荷藕合器件的基本工作原理[14]  21-24
    3.2.2 CCD 的基本特性参数[15]  24-25
    3.2.3 本课题CCD 器件的选择  25-27
  3.3 基于CCD 的小型化光谱仪设计方案  27-33
    3.3.1 仪器的整体设计  27-28
    3.3.2 照明系统的设计  28-29
    3.3.3 分光系统的设计  29-33
4 基于CCD 的小型化光谱仪的电路设计  33-59
  4.1 SOPC 技术介绍  33-38
    4.1.1 基于SOPC 技术的现代电子设计  33
    4.1.2 IP 核  33-34
    4.1.3 NiosII CPU  34-36
    4.1.4 Avalon 总线  36
    4.1.5 SOPC 开发流程  36-37
    4.1.6 Cyclone 系列FPGA  37-38
  4.2 总体设计方案  38-40
  4.3 CCD 驱动电路的设计  40-48
    4.3.1 TCD1501D 芯片简介  40-41
    4.3.2 TCD1501D 的基本结构  41
    4.3.3 TCD1501D 的工作原理  41-42
    4.3.4 TCD1501D 驱动时序电路的设计  42-46
    4.3.5 CCD 视频信号电路的设计  46-48
  4.4 A/D 采样控制时序的产生  48-53
    4.4.1 TLC876C 芯片简介  48-49
    4.4.2 TLC876 的工作原理  49
    4.4.3 TLC876 的应用问题  49-51
    4.4.4 A/D 采样时序的产生  51-52
    4.4.5 A/D 控制时序的产生  52-53
  4.5 数据采集与存储  53-54
  4.6 其它硬件设计  54-56
    4.6.1 SOPC 平台  54-55
    4.6.2 TTL-RS232 电平转换电路  55-56
    4.6.3 电源设计  56
  4.7 数据采集系统印制电路板的设计  56-57
  4.8 本章小结  57-59
5 应用程序编写及实验结果分析  59-75
  5.1 底层软件设计  59
  5.2 PC 和下位机的通信  59-61
    5.2.1 具体实现方法  59-61
    5.2.2 技术特点  61
  5.3 光谱数据处理  61-62
  5.4 波长定标  62-63
  5.5 CCD 光谱响应曲线校准  63-65
  5.6 计算机软件设计  65-68
    5.6.1 图表控件TeeChart 简介  65-66
    5.6.2 计算机软件的基本结构  66-67
    5.6.3 光谱扫描与显示软件的设计  67-68
    5.6.4 数据显示  68
    5.6.5 峰值检出  68
  5.7 实验结果分析  68-75
    5.7.1 CCD 数据采集系统性能测试  68-70
    5.7.2 基于CCD 的小型化光谱仪设计方案验证  70-73
    5.7.3 总结  73-75
6 结束语  75-76
参考文献  76-78
硕士期间发表论文  78-79
附录采集卡的电路设计图  79-80
致谢  80

基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究

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