CN102749137A

CN102749137A - 一种基于fpga和usb2.0协议接口的ccd光谱信号通用采集系统设计

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Publication number: CN102749137A
Application number: CN2011101001718A
Authority: CN
Inventors: 王伟兰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明属于CCD光谱信号采集及传输设计领域，涉及光学、现成可编程门阵列及USB2.0协议接口的集成电路设计技术领域。本发明提出了一种基于FPGA和USB2.0协议的CCD光谱信号通用采集系统。整个系统主要由光谱信号产生、数据采集单元两大部分组成。由光学成像模块和FPGA控制光谱信号的产生；USB配合FPGA进行逻辑控制，负责光谱信号的采集，上位机进行数据的结果分析。为适应各种不同类型CCD传感器的要求，预留了FPGA的IO口作为系统板与传感器的接口，采用具有CDS相关双采样特性的A/D转换器以抑制CCD传感器的暗电流噪声，采用FPGA片上配置异步FIFO进行大容量数据缓存和时钟域转换，最后在USB2.0协议接口下，将FIFO中的采集数据传送到上位机进行界面显示及结果分析。实现了实时传送、处理大容量数据和硬件通用性的目的。

Description

一种基于FPGA和USB2.0协议接口的CCD光谱信号通用采集系统设计

一、技术领域

本发明属于CCD光谱信号采集及传输设计领域，涉及光学、现场可编程门阵列及USB2.0协议接口的集成电路设计技术领域。

二、背景技术

近年来以CCD芯片和光纤为基础的微型光谱仪与拉曼光谱、LIBS光谱、荧光光谱等技术相结合，在环境、化工、农业等领域得到了广泛的应用，为成分快速分析和生产过程的实时监控提供了很好的测量手段。基于CCD芯片的光谱仪不需要任何运动部件，可直接获得完整的光谱谱图，使得光谱仪器更为简单。传统的光谱信号采集技术一般都由国外把持，而且都是针对特定波段或特定功能的CCD，不但造价较高，在通用性方面较差，本项发明即是解决这一问题，采用可编程方式设计了一套通用CCD光谱信号采集及传输系统，可编程方式提高了系统的灵活性，使其能按使用者的具体要求去灵活改变相应的控制信息等。

基于FPGA和USB2.0协议接口的CCD光谱信号通用采集系统与传统采集系统相比，在大容量数据的实时传输、处理方面取得了更好的效果。发明中采用了可重构的现场可编程器件作为控制核心，FPGA与传统的单片机等MCU处理器相比，结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，其硬件固有的并行性使得实时处理成为可能，满足了高速光谱信号的大容量数据的实时传输、处理要求。同时采用了基于USB2.0协议的通用接口，系统只需一根USB数据线即可工作，即插即用，小巧便携，能够对被测光源进行高速、精密测量。

通用CCD光谱信号采集系统主要由光谱信号产生、数据采集单元两大部分组成。由光学成像模块和FPGA控制光谱信号的产生；USB配合FPGA进行逻辑控制，负责光谱信号的采集；上位机进行数据处理。

从光谱信号的流向各功能模块划分如下：

(1)光学成像模块。此部分包括分光系统和线阵CCD探测器。分光系统采用了非对称交叉式Czerny-Turner分光结构，使用线阵CCD探测器产生待测的模拟光谱信号。光源首先经过分光系统按波长顺序在空间分离为一系列“单一”波长的“单色光”投射到线阵CCD上，并转换成电信号，然后通过后续电路的处理。

(2)CCD的时序驱动接口电路。主要包括CCD光电转换模块、信号调理模块和A/D转换模块。

CCD光电转换模块中采用FPGA编程产生CCD的时序驱动脉冲，具有很好的灵活性。信号调理部分用来滤波CCD稳定输出之前的高频脉冲和CCD的暗电流噪声，采用二阶压控型有源低通滤波器，与无缘滤波方式相比具有更好的滤波效果和选择性，其中低频滤波截止频率具体型号CCD传感器输出频率值选择。A/D模数转换采用高速高精度的带有相关双采样功能的并行A/D转换器，实现模拟信号的数字化。

(3)FPGA驱动及控制模块。该模块是整个采集系统的设计重点，关系到光谱信号能否实时、有效地进行采集。主要用来产生线阵CCD的驱动时序；控制A/D的采样时序；片上配置FIFO缓存数据；产生USB接口通信时序。

(4)USB2.0协议接口。整个采集系统的数据传输通道，实现FPGA与上位机软件之间的通信，主要包括上位机向通用采集系统发出的控制命令和通用采集系统将采集的数据传输到上位机。采用基于USB2.0协议接口最大优势便是高速的数据传输能力，USB2.0高速协议支持480Mbit/s的总线速率。

(5)预留IO口。作为通用CCD光谱信号采集及传输单元，为了实现同不同功能的CCD的互连，将FPGA剩余IO口全部引出并以接插件的形式与前端传感器互连，以实现对不同传感器驱动控制功能。

发明中采用可编程的控制方式，在FPGA片内开辟各控制模块，能灵活按照用户需要与前端CCD图像传感器互连并可实现功能扩展。

三、发明内容

本发明的目的是设计一套通用的CCD光谱信号采集系统，功能是将待测光源的光谱信息通过CCD光电转换后将其数字化、实时传输至上位机显示及处理。特点是采用FPGA可编程方式，能灵活实现对多种CCD图像传感器的驱动控制及数据的处理和传输。同时采用USB2.0协议的传输接口将采集数据传送到上位机进行界面显示及结果分析，充分发挥了FPGA的并发处理特性可以实时传送、处理大容量数据的功能，以及USB的即插即用、高速传输的独特优势。

发明中，A/D转换单元采用20MSPS处理速度，12bits精度的带有CDS相关双采样的模数转换器ADS804E，满足绝大多数CCD图像传感器的速度及精度要求，CDS采样方式进一步减小了传感器输出信号中的噪声干扰。用FPGA作为系统控制核心，软、硬件均采用编程实现，设计非常灵活，便于系统的扩展和升级，在不改变外围电路的情况下，设计不同的片内逻辑就能实现不同的电路功能。采用FPGA片上配置异步FIFO达到数据缓存和转换时钟域的双重目的，不仅充分利用了FPGA内部丰富的逻辑单元，节约成本，还可以简化电路板级的设计，提高了系统稳定性和抗干扰能力。比起传统的计算机接口，采用USB接口作为数据传输的通道，减小了电路板的面积，充分发挥了通用串行总线具有的即插即用、易扩展的优点，使得通用CCD光谱信号采集系统更灵活、更高速。

四、附图说明

图1是本发明中通用CCD光谱信号采集系统整体功能结构图；

图2是本发明中光学成像模块结构图；

图3是本发明中光学成像模块中的ZMAX模拟图；

图4是本发明中数据采集控制电路的结构图；

图5是本发明中CCD时序驱动接口电路的硬件连接图；

图6是本发明中FPGA内部各功能子模块的连接图；

图7是本发明中FPGA内部程序的工作流程图；

图8是本发明中USB的Slave FIFO模式的程序状态机；

图9是本发明中USB的Slave FIFO模式的FPGA程序仿真。

五、具体实现

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面参照附图，具体说明本发明的实现过程。图1所示为通用CCD光谱信号采集系统整体功能结构图，该系统包括如下模块分光系统、CCD模块电路、信号调理电路、AD转换电路、FPGA驱动及控制电路、USB2.0协议接口电路及上位机测控软件七个部分。按照信号流向其功能描述如下所示：

光源首先经过分光系统按波长顺序在空间分离为一系列“单一”波长的“单色光”投射到线阵CCD上，并转换成电信号，然后通过后续电路的处理，将CCD上的“单色光”记录、处理、显示。系统上电后，上位机测控软件通过USB设备向FPGA发送采集控制命令，USB设备按照该命令完成对FPGA数据采集参数的初始化设置。FPGA根据初始的采集参数产生与之对应的CCD驱动时序，CCD在该时序的严格控制下工作。CCD的输出的模拟信号经过信号调理电路进行滤波、放大。调理后的滤波信号由A/D转换电路CDS相关双采样进行模数转换并输出，A/D转换电路由FPGA控制器对其采样时序控制。转换后的数据缓存在FPGA的片上FIFO中，通过USB2.0协议接口将数据从FIFO中读出，然后传输到上位机进行数据分析和处理数据的传输主要分为：上位机向下位机发出的控制命令和下位机将采集的数据传输到上位机

各部分具体实现步骤如下：

(1)分光系统。分光系统采用了非对称交叉式Czerny-Turner分光结构，测量的主要构件有SMA905光纤接头、狭缝、准直反射镜A、闪耀光栅、聚焦反射镜B和线阵CCD探测器。所测量的含有物质信息的光通过经耦合透镜进入到芯径为1mm的多模光纤中，出射端由连接在SMA光纤接头上，在SMA905光纤接头的出射端口放置一个狭缝，狭缝宽度根据光谱仪的分辨率来确定。光束经狭缝后照射到准直反射镜A准直成平行光束投射到闪耀光栅上，光栅将光束中不同频率的成分衍射开来，由聚焦反射镜将不同波长的光汇聚在CCD芯片的不同位置。CCD芯片的每个像素探测到光信号，并将其转换成相应的电压信号，再由数据采集模块采集处理和分析。ZEMAX软件模拟300～800nm波段的本系统的光学分光模块及光谱分辨率，图3a为光栅周期为600lines/mm，闪耀波长为300nm的光栅，狭缝宽度为25μm条件下，CCD光谱仪在300～800nm波段的光束分光，图3b显示波长699.5nm和700nm在上述条件下光谱分辨率清晰可辨。

(2)CCD的时序驱动接口电路。图4所示CCD光电转换模块中采用FPGA编程产生CCD的时序驱动脉冲。信号调理部分用来滤波CCD稳定输出之前的高频脉冲和CCD的暗电流噪声，采用了选择性及幅频特性较好的二阶压控型有源低通滤波器，截止频率可根据需要选择不同的电容及电阻匹配实现。A/D模数转换采用高速高精度的带有相关双采样功能的并行A/D转换器ADS804E，通过FPGA对其寄存器进行配置后可实现增益调整、暗电平箝位等。CDS两次采样时钟及数据时钟之间的相位关系由FPGA根据CCD图像传感器输出信号特点进行严格匹配，确保采样后得到噪声最小的光谱信息。

(3)FPGA核心控制器。由FPGA电源系统(由两片AMS1084芯片分别产生稳定的3.3V的IO电压和1.2V的内核电压)、阻容复位电路、晶振电路(外接40MHz两个有源晶振)、AS及JTAG下载电路及接口(AS下载配置芯片为EPCS，两种下载模式满足了调试及最终程序固化的需求)。

(4)数据采集单元。主要有USB配合FPGA完成，图5所示。FPGA作为逻辑控制核心，主要完成以下功能，如图6所示：①控制A/D采样速率②片上FIFO配置及FIFO时序控制③通过USB接收上位机传来的采集命令，同时向USB提供状态和数据信息。USB作为数据传输接口，完成以下功能：①接受上位机向FPGA发出的控制命令②向上位机传输下位机采集的CCD光谱数据。从图4中可以看出，上位机通过USB接口向FPGA发送采集控制命令，USB根据该指令完成CCD曝光时间参数Intergral_time的设置，FPGA根据此参数产生与之对应的CCD驱动时序，CCD在该时序的严格控制下工作。同时，FPGA产生A/D转换的采样脉冲ADCLK；FIFO读写数据的时钟及使能信号，USB从FIFO读数据的脉冲信号。具体的操作过程：当CCD光电转换产生的模拟电压信号传输到A/D的输入端口时，A/D根据采样脉冲对输入的数据进行转换；FIFO根据写时钟Wrclk和写使能信号Wrreq将数据总线上的数据缓存起来，然后读时钟Rdclk和读使能Rdreq有效情况下将数据输出，并由USB接口芯片根据读数据脉冲Slwr将FIFO输出的数据送到USB总线上，由PC进行接收并对得到的数据进行分析和处理。

图9为整个系统的FPGA软件工作流程图。系统上电后，USB设备按照上位机的采集命令完成对FPGA数据采集参数的初始化设置，FPGA工作。具体操作过程：CCD得到FPGA发出的驱动脉冲，开始光积分过程，同时FPGA判断系统的积分时间如小于4ms，则CCD工作于电子快门模式第一次采光后启动AD数据转换；积分时间大于4ms则CCD工作于非电子快门模式第二次采光好启动AD数据转换。AD转换后的数据送到数据总线上，FPGA的FIFO根据时钟和写时能信号将数据总线上的数据缓存起来，然后读信号时能情况下将数据输出，并由USB接口芯片根据读数据脉冲将FIFO输出的数据送到USB总线上，由上位机进行接收，然后由上位机对得到的数据进行分析和处理，完成一次数据采集

(5)USB2.0传输接口模块。USB2.0协议接口模式有GPIF模式和SlaveFIFO两种高速传输模式，其中SlaveFIFO最为通用。USB芯片的异步SlaveFIFO写控制信号slwr由FPGA提供。当FIFO的读使能rdeq有效，FIFO中的数据输出到数据线上，此时FPGA向USB发送slwr信号。USB工作在异步Slave FIFO写模式，在slwr的下降沿将数据线上的数据读入到芯片内部的端点，当缓冲端点写满时，USB自动将端点中的数据打包上传到PC主机。图7为FPGA控制USB芯片的程序状态机。状态机描述如下：

状态W0：系统复位时的初始状态，此时rdeq＝0，slwr＝1。如果FIFO不为空，即fifo_empty＝0时，转向状态W1，否则保持在状态W0；

状态W1：此时rdeq＝1，slwr＝1，转向状态W2；

状态W2：此时rdeq＝1，slwr＝1，转向状态W3；

状态W3：此时rdeq＝0，slwr＝1，转向状态W4；

状态W4：此时rdeq＝0，slwr＝1，转向状态W5；

状态W5：此时rdeq＝0，slwr＝1。如果USB写使能有效，转向状态W6，否则保持在状态W5；

状态W6：此时rdeq＝0，slwr＝0。如果USB端点缓冲区没满即usb_full＝1，则转向状态W7，否则保持在状态W6；

状态W7：此时rdeq＝0，slwr＝0，转向状态W8；

状态W8：此时rdeq＝0，slwr＝1。如果FIFO不为空，即fifo_empty＝0时则转向状态W1，否则保持在状态W8。

USB的异步Slave FIFO写控制信号仿真如图8所示。FPGA通过置FIFOADR[1:0]＝11，选择端点进行Slave FIFO写。为保证异步Slave FIFO写控制信号slwr在上升沿采集到稳定、正确的数据，slwr与FPGA内部FIFO读使能rdeq信号相差3个时钟周期。

Claims

1.一种基于FPGA和USB2.0协议的接口的CCD光谱信号通用采集系统，按光谱信号流程可将系统功能描述如下：首先待测光源经光纤引入分光系统按波长顺序在空间分离为一系列“单一”波长的“单色光”投射到CCD上；通过FPGA预留的IO口对CCD进行时序驱动及相关控制将光信号转换成电信号；再次通过前端信号调理将模拟信号经相关双采样转换成数字信号缓存在FPGA片上配置的FIFO中；最后通过USB2.0协议接口将FIFO中的缓存数据传送到上位机进行后期的数据分析。

2.如权利要求1所述的对模拟光谱信号进行数字化的是CDS相关双采样模数转换器，该模数转换器为ADS804E，由FPGA对其进行内部寄存器配置及采样时序控制，相比一般的A/D转换器，该种具有CDS功能的ADC能对图像传感器中普通存在的复位电平噪声进行很好的抑制。

3.如权利要求1所述采用了FPGA作为系统控制核心，软、硬件均采用编程实现，设计非常灵活，便于系统的扩展和升级，在不改变外围电路的情况下，设计不同的片内逻辑就能实现不同的电路功能。

4.如权利要求1所述采用了FPGA片上配置FIFO缓存数据和转换时钟域，不仅充分利用了FPGA内部丰富的逻辑单元，节约成本，还可以简化电路板级的设计，提高了系统稳定性和抗干扰能力。

5.如权利要求1所述后端传输接口基于USB2.0协议思想。比起传统的计算机接口，采用USB接口作为数据传输的通道，减小了电路板的面积，充分发挥了通用串行总线具有的即插即用、易扩展的优点，使得通用CCD光谱信号采集系统更灵活、更高速。