基于FPGA的微型光谱仪CCD系统设计

冯晓艳，胡彦君，吴嘉伟，张会新

(1.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051； 2.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；3.晋西工业集团防务装备研究院，山西太原 030024)

0 引言

光谱仪是通过分析物质化学组成及其含量，实现对光波的能量、波长、带宽等重要特征进行测量的光学仪器，在化学、生物学、医学、天文学等领域获得了广泛的应用[1-2]。传统光谱仪通常包括扫描单色仪和光电倍增管，结构复杂且检测时长较长，同时还具有体积大、价格高、不易携带等特点，无法得到普遍的应用，因此，现代光谱仪器发展的主要趋势是小型化和微型化。随着微型光电器件的发展，以电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)研制的微型光谱仪正在逐渐发展成熟[3]，CCD作为光电转换传感器，具有结构简单、使用范围广、可靠性好等特点，成为现代电子光谱检测中广泛使用的传感器。

目前，使用较为广泛的微型光谱仪是美国海洋公司生产的USB4000和荷兰Avantes公司生产的avanpec系列产品[4]。国产的微型光谱仪采样精度和性噪比难以达到实验要求，故使用率较低，需要进一步研制改进。为了进一步提高采样精度，降低信噪比，本文提出了一种基于FPGA的高精度CCD光谱数据采集系统。该系统采用了高灵敏度的线阵CCD，高采集精度的A/D转换器、功耗较低的FPGA和传输速率快的USB接口芯片，采样精度达到16 bit,同时有较高的光谱采集范围，能够实现实时光积分时间的修改，具有较好的重复性及可靠性。

1 系统设计方案

该系统的主控芯片为FPGA，用来协调驱动电路的所有模块，包括CCD驱动模块、信号处理模块、数据存储传输模块。前端光学系统采用基于平场全息凹面光栅的系统，光源发出的光通过光栅实现准直、色散后，投射到线性CCD的接收面上，CCD的输出信号是模拟量，经前置运放电路放大，再输给A/D芯片完成模/数转换，转换后的16 bit数字信号，通过USB接口传输给上位机，由上位机实现实时数据的处理与显示。系统的设计框图如图1所示。

图1 系统结构图

2 功能模块设计

2.1 光学系统模块

光学系统的主要功能是实现分光，将复合光按照一定的规律展开，使不同频率、不同波长的光分布在采集部分的不同位置。最常用的分光元件是棱镜和光栅，对应形成Czerny-Turner系统和基于平场全息凹面光栅的系统[5]。由于Czerny-Turner系统中需要的棱镜数目较多，且角度、位置等不好确定。所以本设计选用平场全息凹面光栅进行光学系统的搭建，该光学系统的结构简单，有利于微型化的实现。

根据设计要求，工作波长是300～800 nm，谱面宽度为25 mm，因此采用ZEMAX[6]软件对平场全息凹面光栅进行参数求解和结构优化，得到整体光学结构如图2所示。

图2 光学仿真结构图

该设计进行仿真优化后，消除了离焦和球差现象，其仿真结果的点阵图如图3所示，对于在600～700 nm波长段的入射光，其波长间隔2 nm的入射光可以实现有效展开，分辨率大于2 nm。

图3 仿真点阵图

2.2 CCD驱动模块

在本设计中选用线性CCD芯片TCD1304DG，该CCD芯片的优点是灵敏度高、暗电流低。拥有3 648个像素点，需要3路信号，即主时钟脉冲信号(ФM)、光积分控制脉冲信号(ICG)和转移脉冲信号(SH)进行驱动[7]。包含2种驱动模式，一种模式是采用电子快门模式，一种是不采用电子快门模式，主要区别是CCD一个工作周期内SH脉冲的个数及有效光积分时间。适合用于微小型、低功耗光谱仪的检测。主时钟脉冲频率选用典型值2 MHz，数据输出典型频率选用值为0.5 MHz，4个主时钟脉冲对应一个像元信号的输出。本系统选用电子快门模式，通过FPGA产生脉冲来驱动CCD，其工作驱动时序如图4所示。

图4 CCD工作时序图

为了确保CCD正常驱动，应输入正确的CCD驱动时序，本设计中要求：ICG的下降沿比SH的上升沿提前1 000 ns，ICG的上升沿比SH的下降沿延迟最少1 000 ns，SH的脉冲宽度最少为10 μs，来确保光敏元中的电荷全部充分转移到模拟移位寄存器中，且在每次积分结束后，转移到模拟移位寄存器的电荷是完整的信号[8]。在本设计中选用积分时间为25 μs，ΦM采用典型值2 MHz，在ICG拉高后，先输出32个哑元信号，然后经过3 648个有效信号后，又输出14个哑元信号，ICG拉低。利用FPGA逻辑实现上述时序，由ModelSim仿真如图5所示。

图5 ModelSim仿真图

2.3 信号处理模块

图6 AD7667时序转换图

电路设计如图7所示，由于CCD的输出电压在1.5～3.5 V，而AD7667的模拟输入电压变化范围是0～2.5 V，因此在前端增加分压电路进行分压。

图7 A/D转换电路设计

2.4 数据存储传输模块

CCD的输出信号为离散的模拟信号，先输出32个无效信号后，开始输出3 648个有效的像素信号，之后又输出14个无效信号。但是数据在采集的过程中，应该确保各像素在采集的一帧信号中的顺序和位置保持一致，从而确保最后测出的光谱的谱线不会发生左右漂移。CCD传输一帧完整的数据(包括哑元信号)为3 694个16 bit数据，即7 388 Byte，因此，在确保数据采集到的像素信号完整的情况下，采集的每帧数据量约为7 400 Byte。在FPGA内部，利用IP核即异步FIFO模块来缓存A/D模块并行输出的16 bit的数字量信号[10]。同时，FIFO输入端口的写时钟和写使能要与A/D输出信号的时序相匹配，FIFO输出端口的读时钟和读使能需要与USB读出速率保持一致。为了满足通信要求，选用USB2.0[11]作为通信接口，其最高传输速率可以达到480 Mbps(60 MByte/s)。由于USB传输协议较为复杂，选用内部集成USB协议的专用芯片FT2232[12]，可以方便实现USB和并行接口或者双端串行接口的转换，同时能够实现USB向并行FIFO的数据传输转换。电路设计如图8所示。

图8 USB模块电路设计图

从启动光谱数据采集开始，本设计要求A/D转换始终保持运行，通过FPGA实现对FIFO写使能和清零信号的控制，来确保每次FIFO中缓存的第一个数据是CCD的第一个有效像素，从而保证采集信号的完整性。当FIFO缓存数据达到一定值后，FPGA向USB接口发送缓存数据，同时，在输出数据的过程中，确保A/D转换仍在持续运行，且FIFO也在持续缓存数据，从而确保采集系统的连续高速采集性。

图9 系统工作流程图

3 测试结果

实验在常温干燥的暗室进行，避免了周围环境光照及温度变化对实验结果的影响。为了验证设计系统的可行性，测试CCD输出不同波长信号的区别，设置光积分时间为25 μs，采用示波器对输出信号直接测量，图10是中心波长为600、750 nm的输出信号测试结果。结果表明不同波长的光经过系统后，其对应输出的电压值和幅值不同，因此可以通过上位机软件对不同波长的信号进行区分。

(a)600 nm

图11是以上2种波长的光经过上位机处理后的结果，在光强度一定的情况下，波长发生明显的右移，上位机显示的波长值与实际波长一致，因此可以看出结果比较符合预期，但性能有一定的提升空间，主要是由于光学系统的设计还未达到最佳。

(a)600 nm

与传统的光谱仪相比，本设计系统具有微型化的光学系统，可以实时调整光积分时间，采集速率快，灵敏度高，光谱采集范围广，具有很好的应用前景。

4 结论

本设计将CCD驱动模块、信号处理模块和数据存储传输模块集成到一块PCB板上，将该模块与前端光学模块组合，构成了微型光谱仪。使用稳定光源在常温且干燥的暗室中进行光谱采集实验，经过实验测试及结果数据分析，证明本设计系统具有微型化、可靠性高、稳定性好等特点，可以正常、高效地工作。在设计中采用USB2.0实现通信，提高了数据的传输速率，确保了数据传输的实时性及可靠性。同时，针对该CCD设计了频率和积分时间可调等功能，减少了后续的工作量，具有广泛应用的可能性及通用性。