基于線陣CCD的光譜檢測系統設計

毛新如,田 野

(1.安徽淮北煤電技師學院,安徽淮北 235000;2.安徽礦業職業技術學院,安徽淮北 235000)

·實用技術與醫學研究·

基于線陣CCD的光譜檢測系統設計

毛新如1,2,田 野1,2

(1.安徽淮北煤電技師學院,安徽淮北 235000;2.安徽礦業職業技術學院,安徽淮北 235000)

系統采用線陣CCD對光譜進行檢測,圍繞CCD的驅動時序電路、CCD的數據高速采集電路、高速A/D轉換電路、數據存儲和結果顯示做了較深入的研究。采用FPGA芯片進行編程實現,數據采集電路由FPGA與AD芯片TLC5510共同完成,數據的存儲由SDRAM來完成,LCD12864的顯示電路采用的也是FPGA的驅動;產生光譜的光路部分采用的是三角棱鏡來進行分光,將白光分為我們所需要的光譜并進行測量,并檢測了物質對入射光吸收后,光譜的改變。

光譜檢測;CCD;線陣;FPGA;檢測系統

光譜檢測系統是光電測量儀器的重要組成部分。采用線陣CCD對光譜進行檢測,線陣CCD是電荷耦合新型半導體集成光電器件,線陣CCD器件的優越性在多個學科領域均具有廣泛應用。光譜檢測是線陣CCD圖像傳感器的基礎上,根據光電轉換原理和移位存儲功能進行圖像傳感和信息處理。因為CCD傳感器的工作方式是以時間積分的方式工作,光積分時間調節寬度比較寬,所以采用線陣CCD圖像傳感器對光譜進行檢測。[1]69

1 系統光路的設計

標定光譜的光路設計在測量光譜前,需要對光譜進行標定,實質上就是測量沒有物質吸收的光譜。讓光源發出來的光先通過狹縫,出來的光經過凸透鏡在用三棱鏡對測量光進行分光,三棱鏡分出來的光譜照在狹縫上,狹縫的下面放上線陣CCD。在標定光譜后,就可以測量物質吸收入射光的光譜。同樣的讓光源發出來的光先通過狹縫,出來的光經過凸透鏡在用三棱鏡對測量光進行分光,三棱鏡分出來的光譜照在待測物上,讓被吸收后光通過狹縫照在線陣CCD上。[2]156

2 系統硬件電路的設計

硬件電路的設計包括以下5個模塊。

(1)控制模塊：控制模塊是用于對系統其他所必須要求的模塊進行控制和調度,以實現系統所要求的功能,這里用到的是FPGA作為控制芯片。[3]12

(2)電源模塊：給予整機系統提供穩定的電源,包括控制模塊所需的正電源5V電壓和CCD所需的正12 V電壓等。

(3)數據采集模塊：用TLC5510將所檢測的模擬電信號轉換為數字信號并傳遞給控制模塊。

(4)CCD的驅動模塊：采用FPGA編程來進行驅動。[4]113

(5)顯示模塊：用于顯示檢測結果。

2.1 FPGA的電源電路

FPGA系統一般都要多電源供電。以本系統所用的CycloneIII系列的EP3C16Q240的芯片構成的FPGA的核心板為例：外圍輸出/輸入電壓為3.3 V,內核電壓為1.2V,輔助電壓為2.5V。本系統中使用5V電源輸入,采用LT1085-3.3、LM1117-2.5和LM1117-1.2分別來提供3.3V、2.5V、1.2V的直流電壓。[5]237電源電路的部分連接電路,由于FPGA工作頻率較高,所以對電源的要求比較高,需要加上電容進行濾波。

2.2 全局時鐘發生電路

FPGA的全局時鐘引腳直接接入有源石英晶振輸出信號。

2.3 JTAG接口電路

JTAG接口電路在沒有PROM芯片時,JTAG接口的四根數據線分別是TDI、TDO、TCK、TMS直接和FPGA對應的引腳連接,就可以直接對FPGA進行JTAG方式下載。[6]23

2.4 系統電源電路的設計

系統的電源部分主要是提供+12 V和+5V的直流電源,所以在設計中先將頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電通過變壓器轉換為15V的交流電,再通過單相橋式整流電路和電容濾波電路,分別接著通過穩壓模塊7805和7812,即可輸出來的幅值穩定的+12 V和+5V直流電壓。

2.5 CCD的驅動電路的設計

由驅動電路提供TCD1500C工作必須的移位脈沖信號(SH)、復位脈沖信號(RS)、驅動脈沖信號(Φ)采樣保持脈沖信號(SP)。CCD驅動電路如圖1所示[7]121。

圖1 CCD驅動電路圖

2.6 CCD的高速數據采集電路的設計

采集數據的電路包括模擬信號的處理和模數轉換的處理,模擬信號的處理采用了運放組成的減法器來進行處理, A/D轉換采用TLC5510來進行處理。[8]11

2.7 CCD模擬輸出信號處理電路設計

由運放組成的減法器電路,輸入信號Vin1通過電阻R1加到反相輸入端;輸入信號Vin2通過電阻R2加到同相輸入端。通過運算可得：Vout=(Vin1-Vin2)可知,輸出電壓正比于兩個輸入電壓之差。如果取Rf=R1,則Vout= Vin1-Vin2。[9]79

2.8 TLC5510模/數轉換電路的設計

數據采集的硬件是由A/D模數轉換器、靜態變量存儲器、地址產生電路、數據總線接口電路和A/D啟動電路、數據讀寫位控制電路等構成。整個數據采集工作均在驅動器的時鐘統一支配下同步工作,屬同步數據采集,具有采樣速度快、采樣點特好、數據穩定性高等特點。

3 結論

本系統著眼于建立一個基于線陣CCD的光譜檢測系統,能夠實現對光譜的檢測。在一定程度上加強了理論學習和工程實踐相融合、鞏固基礎知識與培養創新意識相結合等方面的能力。經過此次的設計培養了一種嚴肅認真和實事求是的科學態度,更熟悉了對一項課題研究、設計和實驗的過程。本次還有很多可以完善的地方,可以從下面幾個方面繼續擴展：

(1)本設計可以采用USB接口技術與上位機進行通信;

(2)本設計應用和擴展的空間很大。可通過不同的物質的吸收光譜來檢測位置物質的成分;

(3)通過MATLAB對測量數據進行處理。

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責任編輯：訾興建

TP317.4

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1671-8275(2014)05-0131-02

2014-08-30

毛新如(1985-),女,安徽碭山人,安徽淮北煤電技師學院助理講師,研究方向為電氣控制、電工電子;田野(1983-),男,安徽宿州人,安徽淮北煤電技師學院二級實習指導教師,研究方向為無線電、自動控制。