CN101949830A - 全谱线阵ccd采集系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种全谱线阵CCD采集系统及其方法，金属材料光谱分析测试领域。系统包括，参数配置系统、CCD采集系统、USB传输系统以及用户界面软件系统。用户界面系统发出指令，首先配置系统参数，包括CCD采集次数和单次积分时间，模数转换器的增益和偏置。然后开始采集，把光信号转换成电信号，模拟信号转成数字信号。再由USB传输系统将数字信号传输到计算机中，通过软件计算拟合成元素含量的图像。本发明的优点在于，能够做到多个CCD同时采集，高速传输；采用同轴电缆来传输CCD模拟信号，抗干扰能力强；对金属材料进行重复多次激发采集，采集结果稳定，重现性高。

Description

全谱线阵CCD采集系统及其方法
技术领域
本发明属于金属材料光谱分析技术领域，特别是提供了一种全谱线阵CCD采集系统及其方法，适用于金属材料光谱分析仪器的信号采集和传输。
背景技术
CCD(charge couple device)是电荷耦合器件，它的基本功能是把接收到的光信号转换成电信号，它的工作过程是电荷的产生，存储和转移。
线阵CCD采集系统是全谱光谱分析仪器的一个必不可少的核心部件。它的作用是采集CCD转换出来的电荷，将其转成数字信号，并传输到计算机当中，让用户能够方便直观地观测样品中金属元素发射光谱的图像，从而计算样品中金属元素的含量。
在光谱分析仪器中，有光电管，光电倍增管，硅光管，CCD等多种光探测器。CCD作为图像传感器，具有灵敏度高，噪声低，分辨率高，动态响应范围宽等优点，被广泛应用于数码相机和高精度的光电检测领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全谱线阵CCD采集系统及其方法，能够采集CCD信号，并传输到计算机中来观测金属元素的发射光谱。它具有良好的灵敏度，稳定性和重现性。
本发明是基于FPGA，USB和CCD的数据采集系统，包括参数配置系统，CCD采集系统，USB传输系统和用户界面软件系统。技术方案如下：
1、参数配置系统：上位机用户界面软件发出配置信号，包括CCD采集次数，单次积分时间，模数转换器的偏置和增益。其中采集次数为CCD采集时间除以单次积分时间。配置信号经过USB接口，发送到USB传输板，再发送到采集板上。如果用户没有配置参数，则按照系统软件默认值处理。
2、CCD采集系统：用户界面软件发出开始采集的信号，通过USB接口，传输到采集板上，系统开始采集光信号。采集时间为用户所给定的时间，其范围是从最小单次积分时间以上可调。本系统可以根据用户需求连接多片(1～20片)CCD，开始采集后，将得到的模拟信号转成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到的信号通过USB接口传输到计算机中。
3、USB传输系统：通过FPGA和用户界面软件的控制，实现数据从计算机到采集板以及从采集板到上位机的双向高速(1MHZ-48MHZ)传输。
4、用户界面软件系统：控制计算机和采集板的通讯。在采集过程中向采集板发送配置信号和控制命令，待采集结束后将信号从采集板中读出，传输到计算机中。通过计算将得到的信号绘制成图像。另外，该软件系统还拥有扣除背景的功能，即激发时采集到的信号与未激发时采集到的信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。
CCD的波长为150nm-1000nm的范围内，每片CCD可以采集其物理范围内的全部元素的含量。本系统用多片(1-20片)CCD同时采集，实现全谱功能。
本发明的方法是：计算机控制用户界面软件发出CCD单次积分时间，采集次数，模数转换器增益和偏置的参数信息，通过USB接口发送到USB传输板，再发送到采集板，进行配置；配置结束后，计算机控制用户界面软件发出开始采集命令，通过USB接口传输到采集板上，系统开始采集光信号，采集时间为用户给定的时间；采集次数为采集时间除以单次积分时间；CCD得到的模拟信号经过模数转换器，转换成数字信号，保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到的信号通过USB接口传输到计算机中，并保存成可读写文件；通过用户界面软件对得到的数据进行处理，并绘制成图像。
本发明CCD的输出信号采用同轴电缆方式传输，屏蔽效果好，抗干扰能力强。
模数转换器的偏置和增益可调，在采集开始前，通过配置模块进行调节。
用户界面软件系统拥有扣除背景的功能，即激发时采集到的信号与未激发时采集到的信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
目前国内光谱分析仪器都采用光电倍增管作为光信号的载体，每个光电倍增管只能检测一种元素的含量，由于它的体积较大，对通道数的设置具有一定的局限性，很难实现全谱扫描。而每片CCD在它能识别的波长范围内，可以采集到其物理范围内所有元素的含量，本系统使用多片(1-20片)CCD同时采集，且CCD的数量可以随着用户要求很方便的增加或者减少，可扩展性好。另外，它能够实现全谱扫描，仪器体积小，暗电流小，量子效率高。
CCD采集时间和单次积分时间可调。单次积分时间影响CCD吸收的光强，太小会造成采集强度过小，有效信号显示不出来；太大可能导致饱和，采集数据无效，单次积分时间可调使用户根据具体需要进行最佳参数设置。采集时间从设定的最小单次积分时间以上可调，采集次数为采集时间除以单次积分时间。
模数转换器的偏置和增益可调。通过调节偏置，使CCD的背景噪声降低到理想值，采集到的数据精度更高。
本发明多次激发采集的图像重现性好。
附图说明
图1为本发明全谱线阵CCD采集系统结构示意图。
图2为本发明全谱线阵CCD采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品激发一次采集到的光谱图像，证明其能够采集CCD信号，并传输到计算机中来观测金属元素发射光谱。
图3为本发明全谱线阵CCD采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品连续五次激发采集到的图像，证明了其采集的高重现性。
具体实施方式
图1～图3为本发明的一种具体实施方式。
图1为本发明的系统，包括参数配置系统、CCD采集系统、USB传输系统以及用户界面软件系统；用火花光源激发某金属样品，经光学系统分光后，用本发明采集信号，绘制元素的光谱图。
计算机控制用户界面软件发出CCD单次积分时间，采集次数，模数转换器增益和偏置的参数信息，通过USB接口发送到USB传输板，再发送到采集板，进行配置；配置结束后，计算机控制用户界面软件发出开始采集命令，通过USB接口传输到采集板上，系统开始采集光信号，采集时间为用户给定的时间；采集次数为采集时间除以单次积分时间；CCD得到的模拟信号模数转换器，转换成数字信号，保存在主控制芯片FPGA中；待采集结束后通过USB接口将数字信号传输到计算机中，并保存成可读写文件；通过用户界面软件对得到的数据进行处理，并绘制成图像。
图2为本发明全谱线阵CCD采集系统，配合火花光源、光学系统，对某金属样品激发一次采集到的光谱图像，证明其能够采集CCD信号，并传输到计算机中来观测金属元素发射光谱。
图3为本发明CCD采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品连续五次激发采集到的图像，证明了其采集的高重现性。
以上为全谱火花光谱仪用本发明激发金属样品实验的测试结果。谱图反映的分辨率、灵敏度、重现性和稳定性良好，能够用于分析金属样品。

Claims (4)

1.一种全谱线阵CCD采集系统，包括，参数配置系统、CCD采集系统、USB传输系统以及用户界面软件系统；其特征在于：
参数配置系统：上位机用户界面软件发出配置信号，包括CCD采集次数，单次积分时间，模数转换器的偏置和增益；其中，采集次数为CCD采集时间除以单次积分时间；配置信号经过USB接口，发送到USB传输板，再发送到采集板上；如果用户没有配置参数，则按照系统软件默认值处理；
CCD采集系统：用户界面软件发出开始采集的信号，通过USB接口，传输到采集板上，系统开始采集光信号；采集时间为用户所给定的时间，其范围是从最小单次积分时间以上可调；CCD采集系统包含1～20片CCD，它们同时开始采集，采集得到的模拟信号经过模数转换器转成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到的信号通过USB接口传输到计算机中。
USB传输系统：通过FPGA和用户界面软件的控制，实现数据从计算机到采集板以及从采集板到上位机的双向1MHZ-48MHZ传输；
用户界面软件系统：控制计算机和采集板的通讯；在采集过程中向采集板发送配置信号和控制命令，待采集结束后将信号从采集板中读出，传输到计算机中；通过计算将得到的信号绘制成图像；另外，该软件系统还拥有扣除背景的功能，激发时采集到的信号与未激发时采集到的信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，CCD的波长为150nm-1000nm的范围内，每片CCD可以采集其物理范围内的全部元素的含量。
3.根据权利要求1所述的系统全谱线阵CCD采集的方法，其特征在于，计算机控制用户界面软件发出CCD单次积分时间，采集次数，模数转换器增益和偏置的参数信息，通过USB接口发送到USB传输板，再发送到采集板，进行配置；配置结束后，计算机控制用户界面软件发出开始采集命令，通过USB接口传输到采集板上，系统开始采集光信号。采集时间为用户给定的时间；采集次数为采集时间除以单次积分时间；CCD得到的模拟信号经过模数转换器，转换成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到的数字信号通过USB接口传输到计算机中，并保存成可读写文件；通过用户界面软件对得到的数据进行处理，并绘制成图像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，CCD的输出信号采用同轴电缆方式传输，屏蔽效果好，抗干扰能力强。
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