基于FPGA的可見光波段便攜式光譜儀的設計

袁謙 黃波 張多英 吳霞 羅志 楊恢東 賀冠南

關鍵詞： 便攜式光譜儀; 模塊化設計; 去噪處理; 數據采集; 光譜測量; 譜線校驗

中圖分類號： TN919.5?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）06?0100?05

Abstract： A practical portable spectrometer is established by adopting a modular design scheme combining the FPGA with the linear CCD， so as to effectively realize portable design of the spectrometer. The EP4CE30F23C8N chip of Altera′s CLCLONE IV series is used for the FPGA. Toshiba′s TCD1304 is used for the CCD. The CCD drive control， and acquisition and transmission of spectral data were completed in the system. The data transmitted to the PC is denoised with Matlab， and drawn into the spectral curve. The mercury lamp is selected as the standard light source for system calibration. The spectral line calibration coefficients of the spectrometer are determined by using five standard spectral characteristic peaks of the mercury lamp. The test results show that the spectral resolution ratio can reach 10 nm， and the system can realize spectral measurement of the visible light band， which has a good practicability.

Keywords： portable spectrometer; modular design; de?noising processing; data acquisition; spectral measurement; spectral?line validation

0 ?引 ?言

光譜儀是一種用于光譜分析的儀器，它主要應用光學的色散原理將不同頻率的光按一定規律在空間中分開形成光譜，廣泛應用于各個領域。目前使用的光譜儀種類主要有熒光光譜儀、傅里葉變換光譜儀、拉曼光譜儀和光纖光柵光譜儀等。

在國外，便攜式光譜儀的研究較為成熟，設計了許多性能先進的便攜式光譜儀器，比較具有代表性的有美國海洋光學公司的HR2000+型高分辨率光譜儀，美國Photo Research公司的PR?650型光譜光度、色度計。在國內，便攜式光譜儀的研究工作目前仍處于起步階段，真正能夠商品化的儀器有限。

由于市場上傳統的光譜儀結構相對比較復雜，不僅價格昂貴，而且體積較大，因此將光譜儀做成便攜式是其發展的必然趨勢[1?2]。如何有效地實現光譜儀的便攜式設計是一個難點，與傳統的光譜儀相比，目前主要有以下三點改進方向。首先，采用較為小型且適用于光譜儀的CCD作為光電探測器。與傳統的光電倍增管相比，采用CCD作為探測器，省去了光電倍增管及其高壓電源和掃描機構。其次，采用模塊化設計的方案，方便各個模塊的調試和研究。最后，采用常用的光學技術和數據通信技術，保證儀器的便攜性和實用性。

針對上述要求，本文提出一種選用線性CCD作為光電探測器，FPGA作為主控制器的技術方案，搭建了一套實用的便攜式光譜儀。

1 ?光譜儀系統總體設計

本文中的便攜式光譜儀使用了CCD及FPGA，增加了光譜數據傳輸的準確性和高效性。本系統主要由五部分組成：線性CCD、模/數轉換模塊、FPGA主控制器、USB接口、數據接收。

光源發出的光經過光柵分光后投射到線性CCD接收面上，進行光電轉換，輸出的電壓值是模擬量，經過ADC進行模/數轉換，將數字量送入FPGA中，再通過USB接口送入PC機中，由PC機接收光譜數據，將數據使用Matlab進行處理和繪圖顯示。系統采用FPGA主控制器驅動模/數轉換模塊和USB接口[3?7]。便攜式光譜儀設計框圖如圖1所示。便攜式光譜儀的實物圖如圖2所示。

2 ?光譜儀系統各模塊設計

2.1 ?線性CCD

在本系統中采用日本東芝公司生產的線性CCD，型號為TCD1304，其芯片結構如圖3所示。圖中，VAD為模擬電源電壓;VDD為模擬電源電壓; SS為電源地， ICG為復位脈沖;[SH]為幀轉移信號;[?M]為主時鐘信號，NC為Non Connection，懸空即可;OS為輸出電信號。

為了保證CCD能夠正常工作，需要設計一個CCD驅動電路使每一個像素點產生的信號電荷能夠順利轉移，輸出電信號。線性CCD的驅動脈沖如圖4所示。其中SH，ICG，[?M]是三個主要的驅動信號。CCD的信號工作流程如下：當ICG信號為低電平時，所有像素點的電荷被清空，在這段時間里，如果SH的下降沿被檢測到，CCD中光敏區收集到的電荷將會被轉移到移位寄存器中，并在ICG為高電平時通過移位寄存器移位輸出。最后輸出的模擬信號就是光譜信號。

CCD驅動電路的設計方法主要是采用數字電路，該方法采用具有數字邏輯功能的分離電路元器件設計驅動電路，設計框圖如圖5所示，最終產生圖4所示的驅動時序。

2.2 ?模/數轉換電路

TCD1304輸出的信號值是模擬量，要通過模/數轉換電路轉換為數字量再輸送給FPGA。在本系統中使用的高速A/D芯片是AD9280芯片，其主要特征是輸入電壓范圍的選擇、參考電壓的選擇和采樣時序。

由于AD9280輸入電壓在2 V之內噪聲性能最佳，因此將AD9280的輸入電壓范圍設置為0～2 V，一般來說接口的輸入電壓為-5～5 V，因此需要采用一塊芯片AD8056實現電壓信號調整，經過調整的電壓信號滿足A/D芯片的輸入范圍0～2 V。

2.3 ?主控制器FPGA

在本系統中，采用的FPGA芯片是Altera公司CLCLONE IV系列的EP4CE30F23C8N芯片。FPGA是本系統的核心部分，主要負責控制和分頻功能。

控制功能：在系統中要用FPGA作為主控制器控制A/D轉換電路、USB接口電路，FPGA產生控制信號實現數據的傳輸。

分頻功能：采用50 MHz的時鐘信號作為FPGA的外部時鐘信號，50 MHz的時鐘頻率可以通過FPGA進行分頻或者倍頻，采用FPGA中的鎖相環PLL模塊實現該功能。

2.4 ?USB 2.0接口

在本系統中，采用的USB接口芯片是Cypress公司開發的CY7C68013芯片，并采用VHDL硬件描述語言設計完成了FPGA控制CY7C68013芯片。

CY7C68013芯片寫事件的狀態轉換過程如下：

空閑狀態：當寫事件發生時，轉到狀態1。

狀態1：指向IN FIFO，設置FIFOADR[1：0]，轉向狀態2。

狀態2：如果FIFO滿標志位為“真”，則停留在狀態2，如果FIFO滿標志位為“假”，則轉向狀態3。

狀態3：驅動總線傳輸數據，設置SLWR，寫數據到FIFO。

狀態4：數據未寫完則返回狀態2，否則返回空閑狀態。

2.5 ?數據接收

數據接收程序使用VC++ 6.0編寫。程序代碼的主要目的是能夠和USB接口通信，得到USB接口傳來的數據并將數據以文本的形式導出。其中主要使用到訪問驅動程序的API函數，其主要功能有打開USB設備、設備I/O控制、設備關閉。

3 ?實驗與數據分析

為了驗證系統是否可行，需進行標準光譜校驗實驗。汞燈發出的光線經過光柵分光后在CCD相元上成像，CCD各像素分別對應于光柵分光后的不同波長[8?10]。將CCD采集到的數據導出，使用Matlab對數據進行去噪處理。

本次實驗采用汞燈進行測試，測出的譜線如圖8所示，發現其噪聲比較大，因此采用一種簡單的去噪算法，通過采集多組數據點后進行平均，降低波形的噪聲。如圖9所示，隨著采集組數的增加，波形光滑程度不斷提升，在采集60～100組數據進行處理時，波形基本達到去噪的效果。

圖10是該系統測出的經過100組數據取平均處理后的汞燈光源光譜，表1是該汞燈廠家提供的標準譜線表，本系統測到的5條特征譜線分別是365.015 3 nm，404.656 3 nm，435.832 8 nm，546.073 5 nm，579.066 3 nm。分別對應CCD的第1 573，1 926，2 171，3 023，3 320個像素點。

本系統需要對光譜儀進行波長定標，即將像素點與光強的關系轉變為波長與光強的關系，本文采用的方法是擬合法。擬合法是利用最小二乘法做曲線擬合，已知測出5個特征譜線的波長與像素點，采用其中3個特征譜線的參數建立一元二次方程擬合，然后采用另外2個特征譜線進行驗證。

4 ?結 ?論

本文根據便攜式光譜儀的采樣效率快、可攜帶的要求，提出一種采用CCD及FPGA的光譜儀設計方法，并且介紹了其中各個模塊的結構及工作原理，然后完成對各個模塊的硬件及軟件的設計。最后，采用汞燈作為標準光源對系統進行測試，實驗結果證明：光譜分辨率可以達到10 nm，滿足光譜分析的要求。

注：本文通訊作者為黃波。

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