基于STM32與FPGA的背照式CCD光譜采集系統設計

鄭思旭 黃斐 柳陽 郭漢明

摘 要：為滿足微型光譜數據采集系統要求，在選用量子效率更高的背照式面陣CCD基礎上，設計一種基于STM32F4與FPGA雙核工作模式的光譜數據采集系統。使用STM32F4完成主控制邏輯和DMA傳輸，FPGA實現對CCD及相關器件的驅動，運用相關雙采樣模式對CCD輸出的模擬信號進行采集，最終通過串口功能模塊與上位機通訊，實時顯示采集光譜。測試結果表明，該系統具有清空CCD內部殘留電荷和積分時間可調（8ms-60s）的能力，采集效果良好，實用性極高。

關鍵詞：背照式CCD;STM32;FPCA;相關雙采樣

DOI： 10. 11907/rjdk.192047

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0176-04

0 引言

光譜檢測分析技術廣泛應用于生物學、化學和高分子材料等領域。隨著光譜檢測領域的擴展，作為光譜分析的探測器、電荷耦合器件（ Charge-Coupled Device，CCD）以及由CCD組成的光譜采集系統質量優良與否會嚴重影響光譜采集效果[1]。相比常規的前照式CCD，背照式CCD避免了正面結構的吸收損失，不易受外界干擾，工作穩定，其峰值量子效率可達90%以上[2-3]，對光譜響應的靈敏度高，非常適用于光譜探測等諸多領域[4-5]。

本文采用STM32F4和現場可編程門陣列（FPGA）雙核工作模式進行系統設計。相對于單獨使用STM32F4或者FPCA的單核工作模式，雙核模式可極大限度地發揮兩者優點[3，67]：①采用STM32F4控制主程序邏輯和直接內存訪問（ Direct M emorv Access，DMA），為微型光譜儀等儀器預留功能接口;②使用Verilog硬件控制描述語言（HDI）編寫FPCA控制模塊，實現對CCD及相關器件時序的高速、并行和精準控制[8]。同時采用具有相關雙采樣（ CorrelatedDouble Sample，CDS）功能的16位精度（光譜動態范圍高達65535）的模數轉換器A/D9826，采集CCD輸出的模擬信號[9]。經A/D9826轉換后的數據通過STM32F4內置的DMA同步發送至STM32F4緩存中[10]。最終通過串口功能模塊與上位機通訊[11]，實時顯示光譜，實現光譜的快速采集。

本文通過采用部分遮光采集光信號的方式驗證采集系統的高效性、準確性與實用性，同時采用以最低積分時間采集暗噪聲的方式驗證系統的噪聲抑制能力。實驗結果表明，該方案響應迅速，準確度高，具有清空CCD內部殘留電荷和積分時間可調（8ms-60s）的驅動能力。光譜動態范圍高達65 535，最低積分時間下的信噪比高達450db（噪聲來源僅為暗噪聲）和低至146的均方差有效值（RMSE）。該系統雖然以背照式CCD為例，但也能為其它型號的CCD控制技術提供參考，具有極高的實用性。

1 背照式CCD工作原理

背照式CCD采用Hamamatsu公司的S10420-1006-01，其有效像素為64行×2 048列，共1 31 072個。根據S10420-1006-01芯片手冊，具體時序如圖1所示。一次完整的CCD積分輸出流程需七路驅動信號，兩路垂直驅動信號PIV和P2V，四路水平驅動信號PIH、P2H、P3H和P4H，以及一路復位信號RC。同時CCD積分輸出過程分為Integration time、Vertical binning period 和Readout period三個階段：①Integration time階段。在一路垂直信號PIV和四路水平信號驅動下，CCD像素快門打開，CCD對入射光進行曝光，同時進行光電轉換;②Vertical binning period階段。在垂直信號驅動下，CCD對其內部一列像素進行垂直裝箱操作，即每一列64個像素存儲的信號電荷被轉移到同一像素中，等待水平轉移輸出;③Readout period階段。在水平信號和復位信號的驅動下，CCD將已垂直裝箱的信號電荷依次轉移輸出，此時A/D和DMA同步對CCD輸出的OS信號進行采集和存儲，最后通過串口發送至上位機圖形界面，可直接觀察入射光的相對光譜強度。

2 光譜采集系統設計

根據背照式CCD時序工作原理，系統選用STM32F4和FPGA雙核工作模式。STM32F4主要功能是設計主程序控制器并提供DMA傳輸，為微型光譜儀等相關儀器預留功能接口[12]。FPCA為CCD和A/D9826提供精準的驅動時序。

CCD的光譜采集系統設計如圖2所示。系統流程為：上位機通過串口1發送控制指令集到STM32F4，STM32F4將指令解碼，得到積分時間;而后通過串口2將積分時間發送至FPGA以驅動CCD和A/D9826。CCD輸出的OS模擬信號通過A/D9826同步采集，采集后的數據通過8個GPIO口的DMA同步發送至STM32F4緩存中;最后由串口1發送至上位機中，用C#編寫上位機圖形軟件同步顯示，繪制出相對光譜強度分布曲線。

2.1 CCD驅動設計

參考圖1的CCD時序圖，對CCD的時序驅動方式采用“清空模式”的驅動設計。這是因為CCD在不進行積分操作的等待時間內，像素內部有殘留電荷，該殘留電荷隨著時間變化而逐漸累積，導致CCD光譜再次采集時出現光譜信號強度過大的誤差[13]。

為此，設計如圖3所示的邏輯流程。CCD工作開始后，首先進入“清空模式”，當FPCA未接收到STM32F4傳輸的積分時間時，CCD以最低積分時間8ms進行積分;然后通過Vertical binning period和Readout period階段，將CCD像素里的殘留電荷輸出，此模式不進行A/D采集和DMA傳輸，循環此操作至FPCA接收到積分。此時CCD以接收到的積分時間進行曝光，隨后進入Vertical binningperiod階段，然后進入Readout period階段。Readout period階段中A/D采集和DMA傳輸同步進行。在Readout peri-od結束后，CCD再次進入“清空模式”，等待下一次積分指令到來。

通過使用HDL編寫FPCA模塊進行控制，實現CCD七路驅動時序，然后通過Modelsim軟件進行仿真驗證[14]，得到3個階段的時序仿真如圖4所示，由于CCD -次采集時間過長，仿真時序圖過大，不宜展示，并且Integrationtime里的PIH時序與Readout period完全一樣，因此以Vertical binning period和Readout period為例表示驅動時序間的關系。

如圖4所示，由上到下依次表示P1-2V、P1-4H和RC驅動信號。系統時鐘CLK為50MHz，即一個周期1/50MHz=0.02us，在Vertical binning period內，PIV和P2V以180。的差值進行驅動，兩者信號驅動周期為96us，占空比50%，此時RC信號保持高電平，無效;在Readout period內，PIH與P2H、P3H和P4H分別相差900、180。和2700，它們的信號驅動周期為24us，占空比50%，此時RC以24us的周期和25%的占空比進行驅動。

在使用上述驅動時序驅動CCD前，光譜采集系統已嚴格按照S10420-1106-01芯片手冊為CCD提供各類工作電平。而后得到CCD輸出模擬信號OS，如圖5所示。觀察可知OS信號為相關信號，其中①標注的部分為復位緩沖電平，②標注的部分為復位電平，③標注的部分為像素信號電平。

2.2 相關雙采樣原理及AD9826驅動設計

針對Os信號為相關信號這一特性，本文采用具有CDS功能的A/D芯片對其進行采集。選用美國AD公司的CCD專用信號處理芯片A/D9826，該芯片擁有16位A/D轉換精度，內部集成了相關雙采樣、可調參考電壓、多通道選擇、電壓鉗位和可配置的數字增益放大器等功能，同時該芯片的最小采樣周期為80ns，遠小于OS信號一個像素的輸出周期24us，滿足采集需求。

如圖6所示，單通道CDS采樣就是在每個像素周期內對CCD信號進行兩次采集。采樣時鐘為CDSCLK1和CD-SCLK2，分別于時鐘下降沿處采樣復位電平和像素信號電平。由于兩次采樣的時間間隔非常小，因此此時的噪聲可以作為相關性信號。通過將兩次采樣信號相減，消除相應噪聲，再經過CDS增益放大器輸出，即為CCD輸出信號的有效值。因此，CDS技術可以有效消除復位噪聲，還可抑制低頻噪聲、寬帶白噪聲和1/f噪聲，顯著降低噪聲水平[15]。

2.3 DMA傳輸與串口傳輸

為保證CCD輸出的每個像素都能正確采集，采用DMA原理設計了一種傳輸方式，將A/D9826轉換的數據同步傳輸至STM32F4的緩存中。DMA的最大特點是不需要CPU參與，直接實現儲存器（STM32F4緩存）與外設（AlD9826）之間的數據傳輸，不僅提高了CPU利用率，還實現了數據的快速傳輸。

采用STM32F4內部串口與上位機進行通信。STM32F4通過串口下行接收上位機積分時間指令，上行傳輸STM32F4緩存內的4 096組CCD光譜數據。串口實現以115 200的波特率進行8位數據傳輸，具有奇偶校驗的檢測手段，以保證數據傳輸的準確性。

3 實驗結果與分析

為驗證光譜采集系統的高效性、準確性與實用性，采用對CCD感光面部分遮光的方式進行檢測，通過上位機圖形界面觀察該情況下的采集結果進行判斷。CCD曝光部分的像素電荷應達到飽和，輸出光譜強度應達到16位精度的最大值65 535;CCD遮光部分的像素輸出光譜強度應接近于0。考慮到暗電流等因素對采集的干擾，光譜強度應大于0。測試方法如下：使用寬度不相等的遮光黑膠布遮擋CCD感光面的不同位置，通過光譜采集系統采集后，在上位機圖形界面上顯示，觀測光譜數據是否符合預期。

圖7為CCD信號采集實物圖，各模塊如注釋所示。通過上位機軟件可測得，在光照飽和狀態下CCD輸出的光譜強度接近A/D9826采樣飽和值65 535，而在無光狀態下約在100左右。

圖8為不同寬度的遮光黑膠布遮擋CCD感光面的不同位置后，CCD采集到的光譜數據。

圖中橫坐標為CCD水平方向的像素數值，縱坐標為相對光譜強度，圖中的凹陷位置為CCD被遮光的區域采集得到的光譜信號，可知光譜強度相對較弱，其中凹陷①和②分別對應寬膠布和窄膠布的遮光位置，而突起部分則是CCD無遮擋區域采集的光譜信號，強度相對較強，與預期設計相符。同時，由于CCD遮光區域邊緣漏光，造成采集系統的光譜在遮光邊緣處譜線緩慢上升或者下降的現象。

為驗證光譜采集系統的抑制噪聲能力，在全暗環境下以最低積分時間8ms對CCD進行積分采集操作，使用信噪比（噪聲來源僅僅為CCD暗噪音時）、均方差有效值（RMSE）評價CCD的暗噪聲水平。該實驗實施了嚴格的避光操作以防止背景光干擾。

其中RMSE評價校準計算公式如下：

式（1）中，yi是2 048個像素的真實暗噪聲值，yi為所有像素的暗噪聲平均值，n是CCD像素總數。

測試結果如圖9所示。橫坐標為CCD水平方向的像素數值，縱坐標表示暗噪聲數值。通過計算可得8ms積分時間下的最大信噪比高達450db，RMSE低至146，結果表明該系統具有較好的抑制暗噪聲能力。

4 結語

綜上可知，基于STM32F4和PFGA的背照式CCD光譜采集系統具有良好的CCD驅動能力和較好的暗噪聲抑制能力，可以應用在相似的CCD上，為光譜儀等器件提供可靠的光譜采集方案。同時在試驗中發現，隨著CCD積分時間和環境溫度的增大，CCD暗噪聲也隨之變大，該現象影響了光譜采集系統的穩定性。后期可通過算法處理、硬件電路濾波和制冷處理等方式降低暗噪聲對光譜采集系統的影響[16-20]。

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（責任編輯：杜能鋼）

基金項目：國家自然科學基金項目（ 61178079）

作者簡介：鄭思旭（1994-），男，上海理工大學光電信息與計算機工程學院碩士研究生，研究方向為微弱信號檢測、光電檢測技術;黃斐 （1992-），男，上海理工大學光電信息與計算機工程學院碩士研究生，研究方向為光電檢測技術、信號處理;柳陽（1995-），男，上海理工大學光電信息與計算機工程學院碩士研究生，研究方向為光電檢測技術;郭漢明（1977-），男，博士，上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授、博士生導師，研究方向為拉曼光譜儀及光譜數據分析算法、納米光學顯微成像及檢測。本文通訊作者：郭漢明。