基于ZYNQ的微型光譜儀高速數據采集系統設計

摘 要： 介紹一種基于ZYNQ的微型光譜儀高速數據采集系統，以ZYNQ7010為核心微處理器，搭配ILX511CCD線列探測器與高速模/數轉換器AD7621構成高速光譜數據采集系統，最高采樣率可達3 MS/s。ZYNQ7010集成了雙核ARM Cortex?A9 MPCore處理器、FPGA邏輯和DSP單元，可以使光譜數據采集系統空間更小，擴展性更高，并為后期的光譜數據處理提供了豐富的資源。

關鍵詞： 微型光譜儀； ZYNQ微處理器； 數據采集； ILX511CCD線列探測器

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）03?0109?03

Design of ZYNQ?based high?speed data acquisition system for micro?spectrometer

HUANG Chao1， LU Zhan2， HE Jian1， YANG Xiuqin1

（1. Qufu Normal University， Qufu 273100， China； 2. Taicang Institute of Opto?electronic Technology， Taicang 215400， China）

Abstract： A high?speed data acquisition system for micro?spectrometer based on ZYNQ microprocessor is introduced， in which ZYNQ7010 is taken as the core microprocessor. The high?speed spectral data acquisition system is composed of ILX511CCD linear detector and AD7621 high?speed A/D converter. The maximum sampling rate can reach up to 3 MS/s. ZYNQ7010 is integrated with the dual?core ARM Cortex?A9 MPCore processor， FPGA logic and DSP unit， which can reduce the space of the spectral data acquisition system， and has high scalability. It provides abundant resources for later spectral data processing.

Keywords： micro?spectrometer； ZYNQ microprocessor； data acquisition； ILX511CCD linear detector

0 引 言

光譜技術是物質檢測和分析的有效手段之一，已被廣泛應用于工業、農業和軍事等領域[1?2]。光譜儀作為一種光譜測量工具，逐漸向智能化、小型化的方向發展[3?5]。基于線列探測器的微型光譜儀就是其中一個典型代表。微型光譜儀大多采用CCD（Charge Coupled Devices）作為探測器，具有光電轉換、信息儲存等功能，而且集成度高、動態范圍大、信噪比高、線性好等優點[6?8]。

目前，關于CCD信號采集電路的設計一般使用CPLD，FPGA等來驅動CCD，然后再接信號處理與傳輸電路，與傳統技術相比，集成化程度高，減少系統占用空間。本文提出了一種基于ZYNQ的微型光譜儀高速數據采集方案，它集驅動時序與信號處理于一體，搭配ILX511CCD和高速AD7621，進一步簡化電路，提高集成度，實現信號的高速獲取。

1 系統硬件結構

數據采集系統如圖1所示。該系統主要由ZYNQ7010處理器、ILX511CCD線列探測器、前置放大電路和AD7621高速模/數轉換器組成。其中，ZNYQ處理器由Xilinx公司開發，包括ARM Cortex?A9 MPCore（Processing System，PS）和28 nm低功耗高性能FPGA（Programmable Logic，PL）[9?10]。探測器選用索尼公司的ILX511CCD線列探測器，該探測器有效像素為2 048，最高時鐘頻率可達2 MHz。高速A/D選用AD7621，該器件是一個16位高速采樣，最高采樣率為3 MS/s的模/數轉換器。

整個電路采用5 V單電源供電。ILX511CCD線列探測器將光信號轉換為電信號，前置放大電路對電信號進行放大處理，經過放大的電信號送入AD7621高速模/數轉換器，高速模/數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，最后數字信號送入ZYNQ7010處理器。ILX511CCD線列探測器輸出信號的調理原理圖如圖2所示。

在ILX511CCD與AD7621之間，插入LT6202運放和LT6350單端轉差分器件。ADC驅動器LT6350含有兩個運算放大器和匹配的電阻器，可以從一個單端高阻抗輸入產生一個差分輸出。LT6202運放作為輸入跟隨，提高了輸入阻抗，增強了輸出能力。LT6350及外圍器件實現了單端轉差分功能，并在輸入端使用電阻網絡對跟隨后的電壓進行1[∶]1分壓，使輸入從0～4 V降到0～2 V。從而使傳感器輸出信號與模/數轉換器匹配。

2 系統軟件設計

2.1 ILX511CCD及AD7621驅動時序

CCD時鐘信號由ΦCLK引腳提供，ΦCLK經過分頻后產生各個模塊需要的脈沖，如圖3所示。CCD每個像素由一個電壓信號來表征，電壓越小，光強越大，這樣CCD每進行一次光電轉換就產生2 048個有效電信號，同時CCD移位寄存器將這些電信號進行存儲，如果有讀信號脈沖觸發，這些信號在ΦCLK時鐘的驅動下，將依次輸出至Vout引腳[11]。

AD7621的轉換僅受CNVST引腳控制，當CNVST引腳變低時，A/D轉換開始，直到轉換結束，轉換一旦開始，其他引腳信號將被忽略，如圖4（a）所示。如果A/D芯片已經轉換結束，且RD為低電平時，在數據線上就會有數據輸出。此系統為了節省數據總線、減少布線的復雜度，僅使用了A/D的低8位數據線。當BYTESWAP為低時，A/D的低8位數據線輸出低字節，當BYTESWAP為高時，A/D的高數據線輸出高字節，如圖4（b）所示。

2.2 信號采集與顯示

信號采集及數據流控制圖如圖5所示。分頻模塊將時鐘源進行分頻，得到ILX511CCD的CLK，此系統CLK時鐘為2 MHz，當啟動一次積分輸出時，將ROG信號拉低，隨后CCD將兩次ROG之間的積分光強存入到寄存器，然后在CLK時鐘拍下，將2 048信號依次輸出。此時A/D的CNVST信號與時鐘CLK信號同步，CCD為下降沿輸出數據，A/D也為下降沿開始轉換，但在下降沿到來時，CCD輸出穩定數據還需要一定時間，所以將CLK信號反向后，與A/D的CNVST相連接。假定CLK連續運行幾拍，這時在轉換的同時，A/D的數據線上已經有上一次轉換好的高位數據，采集時序模塊隨即通過DDR控制器將高位數據存入DDR內存中。在CLK中間需要插入一個節拍，將BYTESWAP置低，隨即A/D轉換后的低位數據也輸出在數據線上。

采集后的一幀數據存入DDR3內存后，采集程序將新的地址傳遞給DDR控制器，這時如果上位機有串口指令發出，ARM控制器則將之前存好的數據通過串口發送至上位機。上位機通過MFC編程，使用串口驅動接口函數將數據讀出，隨后利用畫圖函數將CCD數據繪制在顯示屏上。

3 實驗結果

此系統前期僅設計了CCD數據采集系統，為了驗證其數據采集系統的功能，設置不同的積分時間，然后在上位機軟件上采集數據，顯示的實驗結果如圖6，圖7所示。

在圖6和圖7中，橫軸表示的是CCD的2 048個光敏元，縱軸表示的是每個光敏元上光強的大小，范圍為0～65 535。其中圖6設置的積分時間較長，圖7設置的積分時間較短。由兩圖實驗結果可知，當積分時間較長時，A/D采集CCD的2 048個光敏元輸出值在55 000左右，這時CCD電荷已飽和。當積分時間較短時，A/D采集CCD的2 048個光敏元輸出值在30 000～40 000之間，這時CCD反映了感光面上光強的正常分布。故積分時間設置要合理，若積分時間過長，CCD信號會很強，可能超出ADC的量程，造成無法采集觀看到CCD感光面上光強的正常分布。

4 結 論

實驗結果表明，基于ZYNQ的微型光譜儀高速數據采集系統工作正常，能夠實時采集CCD數據并在軟件界面上顯示。該數據采集系統有效減少了采用的處理器數量，大大簡化了電路結構，使系統空間更小，但其擴展性大大提高，有助于數據的高速采集。

參考文獻

[1] 李全臣，蔣月娟.光譜儀器原理[M].北京：北京理工大學出版社，1999：10?50.

[2] 林中，范世福.光譜儀器學[M].北京：機械工業出版社，1989：5?20.

[3] MORRIS R. Spectrometers move out of the lab [J]. Laser Focus World， 2001， 37（2）： 77?82.

[4] 鞠揮，吳一輝.微型光譜儀的發展[J].微納電子技術，2003（1）：30?37.

[5] NISHIHARA H， HARUNA M， SUHARA T. Optical integrated circuits [M]. USA： Macmillan Education， 1988： 567?600.

[6] CHENG J. Electro?optical device [J]. IEEE Transactions on Electron Device， 1995， 37（3）： 629?632.

[7] 蔡文貴.CCD技術及應用[M].北京：電子工業出版社，1992：1?7.

[8] 王慶有.圖像傳感器應用技術[M].天津：天津大學出版社，2002：91.

[9] Xilinx. Zynq_7000 all programmable SoC technical reference manual （V1.6.1） [R]. USA： Xilinx， 2013.

[10] 李明駿.Zynq：帶FPGA功能的處理器[J].集成電路應用，2011（4）：28?29.

[11] 劉震宇，周艷明，謝中，等.基于CCD和小型單色儀的微型光纖光柵光譜儀[J].物理實驗，2008（1）：14?18.