基于线阵CCD的光谱检测系统设计

2014-05-09毛新如

淮北职业技术学院学报 2014年5期

关键词：淮北安徽光谱

毛新如,田野

(1.安徽淮北煤电技师学院,安徽淮北 235000;2.安徽矿业职业技术学院,安徽淮北 235000)

·实用技术与医学研究·

基于线阵CCD的光谱检测系统设计

毛新如1,2,田野1,2

(1.安徽淮北煤电技师学院,安徽淮北 235000;2.安徽矿业职业技术学院,安徽淮北 235000)

系统采用线阵CCD对光谱进行检测,围绕CCD的驱动时序电路、CCD的数据高速采集电路、高速A/D转换电路、数据存储和结果显示做了较深入的研究。采用FPGA芯片进行编程实现,数据采集电路由FPGA与AD芯片TLC5510共同完成,数据的存储由SDRAM来完成,LCD12864的显示电路采用的也是FPGA的驱动;产生光谱的光路部分采用的是三角棱镜来进行分光,将白光分为我们所需要的光谱并进行测量,并检测了物质对入射光吸收后,光谱的改变。

光谱检测;CCD;线阵;FPGA;检测系统

光谱检测系统是光电测量仪器的重要组成部分。采用线阵CCD对光谱进行检测,线阵CCD是电荷耦合新型半导体集成光电器件,线阵CCD器件的优越性在多个学科领域均具有广泛应用。光谱检测是线阵CCD图像传感器的基础上,根据光电转换原理和移位存储功能进行图像传感和信息处理。因为CCD传感器的工作方式是以时间积分的方式工作,光积分时间调节宽度比较宽,所以采用线阵CCD图像传感器对光谱进行检测。[1]69

1 系统光路的设计

标定光谱的光路设计在测量光谱前,需要对光谱进行标定,实质上就是测量没有物质吸收的光谱。让光源发出来的光先通过狭缝,出来的光经过凸透镜在用三棱镜对测量光进行分光,三棱镜分出来的光谱照在狭缝上,狭缝的下面放上线阵CCD。在标定光谱后,就可以测量物质吸收入射光的光谱。同样的让光源发出来的光先通过狭缝,出来的光经过凸透镜在用三棱镜对测量光进行分光,三棱镜分出来的光谱照在待测物上,让被吸收后光通过狭缝照在线阵CCD上。[2]156

2 系统硬件电路的设计

硬件电路的设计包括以下5个模块。

(1)控制模块：控制模块是用于对系统其他所必须要求的模块进行控制和调度,以实现系统所要求的功能,这里用到的是FPGA作为控制芯片。[3]12

(2)电源模块：给予整机系统提供稳定的电源,包括控制模块所需的正电源5V电压和CCD所需的正12 V电压等。

(3)数据采集模块：用TLC5510将所检测的模拟电信号转换为数字信号并传递给控制模块。

(4)CCD的驱动模块：采用FPGA编程来进行驱动。[4]113

(5)显示模块：用于显示检测结果。

2.1 FPGA的电源电路

FPGA系统一般都要多电源供电。以本系统所用的CycloneIII系列的EP3C16Q240的芯片构成的FPGA的核心板为例：外围输出/输入电压为3.3 V,内核电压为1.2V,辅助电压为2.5V。本系统中使用5V电源输入,采用LT1085-3.3、LM1117-2.5和LM1117-1.2分别来提供3.3V、2.5V、1.2V的直流电压。[5]237电源电路的部分连接电路,由于FPGA工作频率较高,所以对电源的要求比较高,需要加上电容进行滤波。

2.2 全局时钟发生电路

FPGA的全局时钟引脚直接接入有源石英晶振输出信号。

2.3 JTAG接口电路

JTAG接口电路在没有PROM芯片时,JTAG接口的四根数据线分别是TDI、TDO、TCK、TMS直接和FPGA对应的引脚连接,就可以直接对FPGA进行JTAG方式下载。[6]23

2.4 系统电源电路的设计

系统的电源部分主要是提供+12 V和+5V的直流电源,所以在设计中先将频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电通过变压器转换为15V的交流电,再通过单相桥式整流电路和电容滤波电路,分别接着通过稳压模块7805和7812,即可输出来的幅值稳定的+12 V和+5V直流电压。

2.5 CCD的驱动电路的设计

由驱动电路提供TCD1500C工作必须的移位脉冲信号(SH)、复位脉冲信号(RS)、驱动脉冲信号(Φ)采样保持脉冲信号(SP)。CCD驱动电路如图1所示[7]121。

图1 CCD驱动电路图

2.6 CCD的高速数据采集电路的设计

采集数据的电路包括模拟信号的处理和模数转换的处理,模拟信号的处理采用了运放组成的减法器来进行处理, A/D转换采用TLC5510来进行处理。[8]11

2.7 CCD模拟输出信号处理电路设计

由运放组成的减法器电路,输入信号Vin1通过电阻R1加到反相输入端;输入信号Vin2通过电阻R2加到同相输入端。通过运算可得：Vout=(Vin1-Vin2)可知,输出电压正比于两个输入电压之差。如果取Rf=R1,则Vout= Vin1-Vin2。[9]79

2.8 TLC5510模/数转换电路的设计

数据采集的硬件是由A/D模数转换器、静态变量存储器、地址产生电路、数据总线接口电路和A/D启动电路、数据读写位控制电路等构成。整个数据采集工作均在驱动器的时钟统一支配下同步工作,属同步数据采集,具有采样速度快、采样点特好、数据稳定性高等特点。

3 结论

本系统着眼于建立一个基于线阵CCD的光谱检测系统,能够实现对光谱的检测。在一定程度上加强了理论学习和工程实践相融合、巩固基础知识与培养创新意识相结合等方面的能力。经过此次的设计培养了一种严肃认真和实事求是的科学态度,更熟悉了对一项课题研究、设计和实验的过程。本次还有很多可以完善的地方,可以从下面几个方面继续扩展：

(1)本设计可以采用USB接口技术与上位机进行通信;

(2)本设计应用和扩展的空间很大。可通过不同的物质的吸收光谱来检测位置物质的成分;

(3)通过MATLAB对测量数据进行处理。

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