CN107643123A - 一种微型光谱仪的ccd检测系统 - Google Patents

Abstract

发明了一种微型光谱仪的CCD检测系统，该喜糖充分发挥了CPLD器件与USB2.0接口芯片紧密配合使用所形成的强大功能优势，避免了单独使用单片机器件，有效降低了系统功耗并减小了PCB板尺寸。

Description

一种微型光谱仪的CCD检测系统

所属技术领域

本发明涉及一种检测系统，尤其涉及一种微型光谱仪的CCD检测系统。

背景技术

光谱仪能够对光波的能量、波长、带宽、线型等重要特征进行精细分析，广泛应用于生物医学、石油化工、安全检测、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索等必不可少的遥感设备。传统光谱仪通常由扫描单色仪加光电倍增管组成，需要机械转动装置连续旋转光栅，结构复杂且检测比较费时。与传统光谱仪相比，CCD光谱仪具有结构简单固定、无需步进扫描、快速多通道检测等优点，因而成为当前使用最为广泛的主流机型。随着光电技术的进步，光谱仪的微型化、轻量化和集成化已经成为当前光谱仪器发展的重要方向。目前国外产业化的微型光谱仪一般是通用性产品，其价格很高，而且其性能指标和结构并不一定适合在某些专用仪器上使用。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。

发明内容

本发明的目的是为了满足光谱仪微型化、集成化的要求，设计了一种微型光谱仪的CCD检测系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

微型光谱仪的CCD检测系统由CCD驱动模块、CCD信号处理模块和数据（存储/传输）模块等3个功能模块组成。

所述的系统以CPLD和USB接口芯片作为核心元器件。

所述的CPLD器件采用了Altera公司推出的全新体系结构的MAXⅡ系列产品EPM240，其功率只有以往MAＸ系列器件的1/10，且单位I/O成本也最低。

所述的USB 接口芯片选取了Cypress公司的FX2系列产品CY7C68013，它提供了对USB2.0的完整解决方案，内部集成了智能SIE、FIFO、8051内核、RAM和GPIF等模块，方便实现对CCD光谱数据的高速传输。

所述的系统的CCD驱动模块向线阵CCD芯片提供符合要求的精确脉冲驱动信号，并产生其他模块需要的逻辑电平控制信号。

所述的系统的CCD信号处理模块负责对CCD输出的离散模拟信号进行放大、滤波，然后转换为14位数字信号。

所述的系统的数据（储存/传输）模块则把转换好的14位数字信号以CCD的单帧格式缓存到Ｆ所述的IFO，并通过USB2.0接口向上位机逐帧传输。

所述的整个CCD数据采集系统用5V直流供电，电源从USB接口直接获得，这使得系统整体设所述的计更为简洁、紧凑。

本发明的有益效果是：

微型光谱仪的CCD检测系统设计简洁、高效，只需通过一根USB线与主机进行连接，方便安装调试，实现了CCD检测系统的微型化和集成化。在进行方案设计时，通过对所选器件功耗和性能的权衡，使CCD检测系统实现了功耗低、检测灵敏度高的目标，并且此方案具有一定的通用性，只需对CPLD程序稍加修改，即可应用于其他型号的线阵CCD。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是微型光谱仪CCD检测系统原理框图。

图2是TCD1304AP驱动脉冲时序图。

图3是CCD输出信号调理放大电路。

图4是数据存储/传输模块框图。

具体实施方式

如图1所示，微型光谱仪的CCD检测系统由CCD驱动模块、CCD信号处理模块和数据（存储/传输）模块等3个功能模块组成。该系统以CPLD和USB接口芯片作为核心元器件，其中CPLD器件采用了Altera公司推出的全新体系结构的MAXⅡ系列产品EPM240，其功率只有以往MAＸ系列器件的1/10，且单位I/O成本也最低；USB 接口芯片选取了Cypress公司的FX2系列产品CY7C68013，它提供了对USB2.0的完整解决方案，内部集成了智能SIE、FIFO、8051内核、RAM和GPIF等模块，方便实现对CCD光谱数据的高速传输。在整个系统中，CCD驱动模块向线阵CCD芯片提供符合要求的精确脉冲驱动信号，并产生其他模块需要的逻辑电平控制信号；CCD信号处理模块负责对CCD输出的离散模拟信号进行放大、滤波，然后转换为14位数字信号；数据（储存/传输）模块则把转换好的14位数字信号以CCD的单帧格式缓存到FIFO，并通过USB2.0接口向上位机逐帧传输。另外，上位机软件也可通过USB2.0接口向CPLD发送指令控制光谱数据的采集，还可以发送指令实现积分时间的实时调整。整个CCD数据采集系统用5V直流供电，电源从USB接口直接获得，这使得系统整体设计更为简洁、紧凑。

如图2所示，TCD1304AP是一款灵敏度高、暗电流小的线阵CCD产品，具有3648个有效像素，单个像素尺寸为7μM×200μM，内部含有采样保持电路，很适合用于小型、低功耗光谱仪的检测器。TCD1304AP需要三路驱动信号，即转移脉冲信号（SH）、光积分控制脉冲信号（ICG）和主时钟脉冲信号（ΦM）。典型的主时钟脉冲频率为2MHz，最大不超过4MHz，且每输出四个主时钟脉冲ΦM对应一个像元信号的输出，因而数据输出频率典型值为0.5MHz，最大不超过1MHz。该CCD器件具有电子快门功能，主要应用于光强变化较快的情况下或者检测快速移动物体。针对稳定发光光源光谱进行检测分析时，可以采用普通工作模式，从图中可以看出SH 和ICG是紧密相关的：在SH 高电平期间，光敏区信号电荷被并行转移到两边的模拟移位寄存器中，而在SH 为低电平期间，光敏区与模拟移位寄存器隔离，只有在ICG为高电平期间，才能在光积分栅建立深势阱，进行光积分。由于CCD 的工作频率对驱动脉冲有严格限制，工作频率过低或过高都会对CCD工作过程中的电荷转移产生不利影响，从而影响光谱信号的有效采集，所以在设计CCD驱动电路的时候，工作频率是首要考虑的因素。在此CCD检测系统中，根据所选用CCD型号的数据手册，确定CCD的工作频率为2MHz。CCD驱动脉冲时序由CPLD产生，由于CPLD器件输出驱动脉冲的电平高低是固定的（0～3.3V），而且带负载能力较差，所以在CPLD后增加了一级反向驱动电路（74HC07芯片），以此来增加各路驱动脉冲的功率，并且还对各路驱动脉冲的幅度进行了调整，使其达到0～4V 的幅度，最终能够满足驱动CCD的要求。CCD除了对多路驱动脉冲信号有功率和幅度上的严格要求外，还需要稳定、低噪声的DC/DC电路对其进行供电，这样可以降低整个系统的噪声，提高检测系统采集光谱信号的质量。在CCD驱动模块的设计过程中，还需要注意驱动脉冲信号产生过冲和振铃现象，会增大CCD输出信号的噪声水平，影响检测系统采集光谱信号的质量。驱动脉冲信号产生过冲和振铃现象的原因包括要求电路能适应高速、大电压摆动范围或需要它能驱动较大的电容性负载等。理论和实验证明，通过缩短输出驱动脉冲传输线的长度来减小传输线的电感，可以有效减少过冲和振铃现象的产生；另外，在驱动脉冲传输线长度无法减小的情况下，通过调节传输线的匹配阻抗也可以达到相同的效果。

如图3所示，线阵CCD输出的离散模拟信号（OS端口）是含有经过光积分的有效光电信号，其在CCD复位脉冲的作用下信号传输沟道产生容性干扰。可以利用差分放大电路完成信号的放大与抑制共模干扰。在差分放大之前，使用PNP型三级管射极电路输出，以起到隔离和保护作用，由CCD驱动模块的设计分析可知，CCD输出数据的频率为0.5MHz，根据其输出信号频率值计算，在放大器（AD8031）的负反馈回路并联一个100ｐＦ的反馈电容（C1），可以有效滤除高频干扰信号，例如驱动脉冲信号耦合进来的边沿毛刺等。通过对放大电路中的可变电阻R7和R8进行调节，使输出到A/D转换器前端的模拟信号幅值适应A/D转换器输入信号幅值要求（0～＋5V）。本检测系统选用AD公司的AD9243芯片来完成CCD输出模拟信号的数字化任务，它是一种采样频率可达3MHz的单电源（＋5V）模数转换器，转换精度为14位，外围电路简单且功耗低（工作时最高为110MＷ），便于集成化。AD9243的转换时钟信号是由CCD驱动模块中的CPLD通过对主时钟脉冲信号（ΦM）进行四分频处理产生，这样可以确保AD9243对CCD输出模拟信号的精确采集。

如图4所示，CCD输出的离散模拟信号不仅包含有效像素信号，也包含哑像元以及ICG为低电平时的无效信号。然而，在光谱仪应用中光谱测量数据要求按帧采集，即各有效像素在每一次采集的一帧信号中的顺序和位置必须保持严格一致，只有这样才能保证多次测量时光谱图的重复性，从而确保谱线不会发生左右漂移。本系统在设计时的解决方法是通过CPLD所生成的逻辑电路精确控制CCD驱动时序与写入FIFO数据时序之间的波形关系，确保每次向FIFO缓存中写入的第一数据都能对应于CCD输出的第一个有效像素，，上位机通过USB接口芯片向CPLD发送开始采集信号（start）。Film＿、SH＿和ICG＿分别对应CCD驱动脉冲信号ΦM、SH 和ICG 的反向信号，这三路反向驱动信号完全按照CCD驱动时序要求产生；Dclk和Wclk分别为A/D转换器转换时钟信号和FIFO写入时钟信号，经过对A/D转换器转换时序和FIFO数据写入时序的细致分析，并考虑到由A/D输出数字信号传输到FIFO的时间差，由CPLD生成的逻辑电路精确控制这两路信号的相对时序关系。本系统从启动光谱数据采集开始，允许A/D转换一直进行，但通过对数据缓存芯片FIFO写入使能端（wen）进行精确的控制，使得每次向缓存中存储的第一个数据都对应CCD输出的第一有效像素。在数据（存储/传输）模块中使用FIFO缓存芯片（IDT72V245）来储存每一帧CCD数据，FIFO芯片的写使能（wen）和清零信号（RS）均由CPLD进行控制，CPLD所生成的逻辑电路根据CCD驱动时序脉冲数来确定每一帧光谱信号的第一个有效像素数据，在其到来时使能FIFO的写操作，而在下一帧光谱信号开始输出前清空FIFO中的所有数据，这样确保了FIFO每次储存的是一帧完整数据，且各像素信号在帧数据中的位置始终不变。USB接口芯片（CY7C69013）与外围电路接口可以采用SlaveFIFO工作模式或GPIF工作模式。SlaveFIFO工作模式需要外部逻辑电路控制端点FIFO进行高速传输，而在GPIF工作模式下，接口芯片本身即是端点FIFO的控制者，可以代替外部逻辑电路与外围器件建立一个接口。在数据存储/传输模块中，为充分利用CY7C68013芯片资源和简化电路设计，采用了GPIF工作模式，从而使USB接口芯片与FIFO直接连接进行数据传输。

Claims (8)

1.一种微型光谱仪的CCD检测系统,由CCD驱动模块、CCD信号处理模块和数据（存储/传输）模块等3个功能模块组成。

2.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的系统以CPLD和USB接口芯片作为核心元器件。

3.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的CPLD器件采用了Altera公司推出的全新体系结构的MAXⅡ系列产品EPM240，其功率只有以往MAＸ系列器件的1/10，且单位I/O成本也最低。

4.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的USB 接口芯片选取了Cypress公司的FX2系列产品CY7C68013，它提供了对USB2.0的完整解决方案，内部集成了智能SIE、FIFO、8051内核、RAM和GPIF等模块，方便实现对CCD光谱数据的高速传输。

5.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的系统的CCD驱动模块向线阵CCD芯片提供符合要求的精确脉冲驱动信号，并产生其他模块需要的逻辑电平控制信号。

6.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的系统的CCD信号处理模块负责对CCD输出的离散模拟信号进行放大、滤波，然后转换为14位数字信号。

7.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是所述的系统的数据（储存/传输）模块则把转换好的14位数字信号以CCD的单帧格式缓存到Ｆ所述的IFO，并通过USB2.0接口向上位机逐帧传输。

8.根据权利要求1所述的微型光谱仪的CCD检测系统，其特征是整个CCD数据采集系统用5V直流供电，电源从USB接口直接获得，这使得系统整体设所述的计更为简洁、紧凑。