CN204101182U - 一种基于fpga的高速微型光纤光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，包括：一光学系统：接收光谱并将光谱进行色散后形成若干束单色光，然后将该若干束单色光信号转换为随光强信号变化的电信号并输出；一光谱信号获取与处理系统：接收光学系统输出的电信号，并将电信号进行一系列处理后转换为稳定的数字信号；PC控制系统：接收光谱信号获取与处理系统输出的数字信号，并根据用户需求针对信号进行分析；用于配置和控制的外部接口：至少包括USB接口，用于连接光谱信号获取与处理系统和PC控制系统；电源系统：给需要供电的系统供电。因此，本实用新型具有如下优点：产品体积小、性能稳定、分辨率高、信噪比高、处理速度快、功耗低、价格便宜、功能灵活。

Description

一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪

技术领域

本实用新型属于光电检测仪器领域，尤其是光谱测量技术领域，具体涉及是一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪。 

背景技术

光谱仪是一种重要的光学仪器，它是应用光学原理对物质的结构和成分等进行测量和分析的基本设备，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。光谱仪器出现之后很快应用在许多科研领域中，并起着重要的作用。 

目前广泛使用的光谱仪虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不足。随着现代科学技术的飞速发展，许多应用领域对光谱仪提出了更高的要求。特别是随着航天遥感遥测、地址矿藏斟探、环境监测等众多领域的发展，迫切需要一种小型化、微型化、集成化、智能化、功耗小、电压低、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号的高速微型光谱仪。 

为了弥补现代光谱仪使用条件苛刻等不足，在激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术以及新型元件的推动下，光谱仪器有了很大的发展。特别是应用了微处理技术，使光谱仪器向高精度、高分辨率、高效益、多功能、自动检测和人工智能化方向发展。 

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种产品 体积小、性能稳定、分辨率高、信噪比高、处理速度快、功耗低、价格便宜、功能灵活的一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪。 

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，其特征在于，包括： 

光学系统、与光学系统连接的光谱信号获取与处理系统、通过外部接口和光谱信号获取与处理系统连接的PC控制系统、以及给需要供电的系统进行供电的供电电源系统； 

所述光学系统包括用于传递并对光谱进行处理的光路部分和以及接收光谱并将光谱转换为电信号的光电探测器；所述光路部分包括： 

一光路狭缝：供光谱入射； 

一准直镜：用于将入射光谱准直成一束平行光； 

一光栅：接收经过准直镜的平行光，并将该平行光进行色散，得到若干束平行的单色光； 

一聚焦镜：接收经过光栅的一级衍射光线，并将其聚焦到光电探测器上； 

所述光谱信号获取与处理系统包括： 

与光电探测器连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的FPGA控制系统、连接在FPGA控制系统和光电探测器之间的CCD驱动电路、以及连接在FPGA控制系统和外部接口之间的USB驱动控制系统，USB驱动控制系统包括一个外部触发控制驱动电路，以及集成在外部触发控制驱动电路上的外部接口； 

所述CCD驱动电路采用型号为CD74HC04的CCD驱动芯片；所述FPGA控制系统采用型号为XC3S400-4FTG256I的FPGA控制芯片；所述外部触发控制驱动电路采用型号为CD74HC04的外部触发控制驱动芯片；所述USB驱 动控制系统采用型号为CY7C68013A的USB驱动控制芯片；USB驱动控制芯片连接有RS232、SPI以及I2C接口，所述RS232接口使用的是型号为LTC1386的芯片。 

在上述的一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，所述信号处理模块包括依次连接的信号前置处理电路和ADC转换电路；所述信号前置处理电路与光电探测器连接；所述ADC转换电路与FPGA控制系统连接； 

所述信号前置处理电路采用型号为LT1801的信号前置处理芯片，所述ADC转换电路采用型号为ADS8422的ADC转换芯片。 

在上述的一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，包括一个温度感应电路，连接在USB驱动控制系统上；所述温度感应电路采用型号为TMP75的温度感应芯片。 

因此，本实用新型具有如下优点：产品体积小、性能稳定、分辨率高、信噪比高、处理速度快、功耗低、价格便宜、功能灵活。 

附图说明

附图1是本实用新型中光学系统的光路图。 

附图2是本实用新型中光谱仪硬件电路原理框图。 

附图3是本实用新型中信号前置处理电路图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。其中，光路狭缝1、准直镜2、光栅3、聚焦镜4、光电探测器5。 

实施例： 

一、如图所示，本实用新型包括： 

一光学系统：接收光谱并将光谱进行色散后形成若干束单色光，然后将该若干束单色光信号转换为随光强信号变化的电信号并输出； 

一光谱信号获取与处理系统：接收光学系统输出的电信号，并将电信号进行一系列处理后转换为稳定的数字信号，即将模拟的电信号转换为稳定的数字信号后输出： 

PC控制系统：接收光谱信号获取与处理系统输出的数字信号，并根据用户需求针对信号进行分析；该PC控制系统采用的是计算机服务器； 

用于配置和控制的外部接口：至少包括USB接口，用于连接光谱信号获取与处理系统和PC控制系统； 

电源系统：给需要供电的系统供电。 

本实用新型是为了使光谱仪更微型化、更智能化、更集成化，且能快速、实时、直观地获取光谱信号进行光谱分析。另外，在保证高速、微型化的前提条件下，为了使仪器应用于各种不同的场合，仪器的应用软件在PC机上完成，且提供第三方开发的应用软件接口，使仪器的应用更灵活，应用功能扩展更便捷。 

二、图1示出了基于FPGA设计的高速微型光纤光谱仪的光路系统，按照光路输入输出顺序依次包括： 

(1)、狭缝：此次设计中的光谱仪的狭缝为25纳米； 

(2)、准直镜：将入射光准直成一束平行光入射到光栅上，可用普通铝准直镜或者SAG+准直镜，此次设计中选择的是铝镜； 

(3)、光栅：光栅在光谱仪中起色散作用，将不同颜色的光区分出来，光栅的选择是所有组件选择中最重要最关键的部分，其直接决定光谱仪的光学分辨率和测试范围。在此次设计中的光谱仪的测量范围在200nm—800nm之间，使用的是600线对的光栅，分辨率在1.34nm； 

(4)、聚焦镜：将光栅的一级衍射光线聚焦到探测器上； 

(5)、探测器：此光谱仪设计中使用的是TOSHIBA TCD1304DG； 

上述所有的光学元件需按照图1中的光路系统组合，且所有的光学元件的中心线必须保证在同水平线位置，要不然测量的光谱不准确或者是测量的光谱功率不准确，另外整个光谱仪中的光谱分辨率取决于光栅的刻线，光栅的刻线小，精度高，那么光谱仪的分辨率也就高，所以在此光路系统中放置不同的光栅就可以得到不通的光谱范围和不同的光谱分辨率，这样也就可以满足不同的需求。 

三、在本实施例中，光谱信号获取与处理系统包括： 

(1)信号处理模块：接收光电探测器输出的电信号进行一系列处理后转换为稳定的数字信号；信号处理模块包括依次连接的信号前置处理电路和ADC转换电路，其中： 

信号前置处理电路：接收光电探测器输出的电信号并对电信号进行降噪、放大处理； 

ADC转换电路：将经过信号前置处理电路处理的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号输出至FPGA控制系统中； 

信号前置处理电路采用型号为LT1801的信号前置处理芯片，所述ADC转换电路采用型号为ADS8422的ADC转换芯片。 

(2)CCD驱动电路：连接在FPGA控制系统和光电探测器之间； 

(3)FPGA控制系统：通过CCD驱动电路给光电探测器产生工作时序使在光电探测器像元面上产生的随光强信号变化的电信号能够输出来，并接收信号处理模块输出的稳定的数字信号并将该数字信号通过外部接口输出至PC控制系统中； 

(4)USB驱动控制系统：连接在FPGA控制系统和外部接口之间，用于传输FPGA控制系统输出的数字信号至外部接口；所述USB驱动控制系统包括一个外部触发控制驱动电路，以及集成在外部触发控制驱动电路上的外 部接口； 

CCD驱动电路采用型号为CD74HC04的CCD驱动芯片；所述FPGA控制系统采用型号为XC3S400-4FTG256I的FPGA控制芯片；所述外部触发控制驱动电路采用型号为CD74HC04的外部触发控制驱动芯片；所述USB驱动控制系统采用型号为CY7C68013A的USB驱动控制芯片；USB驱动控制芯片连接有RS232、SPI以及I2C接口，所述RS232接口使用的是型号为LTC1386的芯片。 

四、在本实施例中，还包括一个温度感应电路，连接在USB驱动控制系统上；所述温度感应电路采用型号为TMP75的温度感应芯片。 

图2示出了整个光谱仪硬件系统的电路原理框图。由FPGA作为主控核心，提供CCD、ADC的工作时序，CCD光电探测器采用的是TOSHIBA的TCD1304DG，USB驱动、控制系统采用的是CYPRESS的CY7C68013A，FPGA通过CY7C68013A与PC机进行USB通讯，将采集到的光谱数据传给PC端供应用软件处理，同时PC机通过USB将光谱仪的相关配置参数以及命令传送给FPGA，由FPGA来控制其他功能模块按照应用软件的参数配置来完成光谱信号的采集。 

图3示出了光谱信号前置处理电路。包括前置信号线性放大、低通滤波电路，采用的是Linear的LT1801芯片。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (3)

1.一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，其特征在于，包括： 

光学系统、与光学系统连接的光谱信号获取与处理系统、通过外部接口和光谱信号获取与处理系统连接的PC控制系统、以及给需要供电的系统进行供电的供电电源系统； 

所述光学系统包括用于传递并对光谱进行处理的光路部分和以及接收光谱并将光谱转换为电信号的光电探测器；所述光路部分包括： 

一光路狭缝：供光谱入射； 

一准直镜：用于将入射光谱准直成一束平行光； 

一光栅：接收经过准直镜的平行光，并将该平行光进行色散，得到若干束平行的单色光； 

一聚焦镜：接收经过光栅的一级衍射光线，并将其聚焦到光电探测器上； 

所述光谱信号获取与处理系统包括： 

与光电探测器连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的FPGA控制系统、连接在FPGA控制系统和光电探测器之间的CCD驱动电路、以及连接在FPGA控制系统和外部接口之间的USB驱动控制系统，USB驱动控制系统包括一个外部触发控制驱动电路，以及集成在外部触发控制驱动电路上的外部接口； 

所述CCD驱动电路采用型号为CD74HC04的CCD驱动芯片；所述FPGA控制系统采用型号为XC3S400-4FTG256I的FPGA控制芯片；所述外部触发控制驱动电路采用型号为CD74HC04的外部触发控制驱动芯片；所述USB驱 动控制系统采用型号为CY7C68013A的USB驱动控制芯片；USB驱动控制芯片连接有RS232、SPI以及I2C接口，所述RS232接口使用的是型号为LTC1386的芯片。 

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的信号前置处理电路和ADC转换电路；所述信号前置处理电路与光电探测器连接；所述ADC转换电路与FPGA控制系统连接； 

所述信号前置处理电路采用型号为LT1801的信号前置处理芯片，所述ADC转换电路采用型号为ADS8422的ADC转换芯片。 

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的高速微型光纤光谱仪，其特征在于，包括一个温度感应电路，连接在USB驱动控制系统上；所述温度感应电路采用型号为TMP75的温度感应芯片。