熊顯名1,2，劉國棟1,2

　?。?.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院,，廣西 桂林 541004；2.廣西高校光電信息處理重點實驗室,，廣西 桂林 541004）

       摘要：研制了一款基于FPGA的可見光及近紅外微型光譜儀,，介紹了其研究方案及實現(xiàn)功能。該微型光譜儀采用濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器,，波長探測范圍340 nm～1 050 nm,，光譜分辨率約10 nm;功耗低于600 mW，可USB直接供電,，通過USB2.0與PC及手機通信,，積分時間5 ms，掃描次數(shù),、積分時間可調(diào),。實驗表明，該微型光譜儀輸出光譜波形穩(wěn)定,，工作可靠,，響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品無損檢測等方面,。

　　關(guān)鍵詞：微型光譜儀,；FPGA；CMOS,；可見光及近紅外

0引言

　　光譜儀是分析物質(zhì)組成的重要儀器,，傳統(tǒng)光譜儀具有較高精度，但是其體積大,，價格高昂，在現(xiàn)場應(yīng)用等方面存在便攜性差,、普及困難等問題,。隨著微型光機電系統(tǒng)和寬波段探測器的發(fā)展，微型光譜儀得到了長足的發(fā)展［1］,，近年來商用微型光譜儀層出不窮,，通過選配不同的探測器,，可以實現(xiàn)寬波段、高精度的光譜測量［2］,。微型光譜儀集成度高,、功耗低、靈活方便,、性價比高,，在性能上能滿足一定的要求［3］，使得其得到了廣泛的重視,。

1系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

　　本微型光譜儀主要由互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器,、驅(qū)動與采集、通用串行總線(Universal Serial Bus,，USB)通信等模塊組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源照到被測物體,，在其表面和淺層發(fā)生漫反射,，帶有內(nèi)部信息的反射或者透射光為圖像傳感器所接收［4］，傳送至現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA),，經(jīng)過平滑處理,，再通過USB上傳至電腦或者手持設(shè)備進行顯示或作進一步處理［58］。

　　1.1圖像傳感器

　　設(shè)計中采用日本濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器,。MS系列包括C10822MA01（340 nm～750 nm）和C11708MA（640 nm～1 050 nm）兩款,，涵蓋了可見光和近紅外的探測范圍。MS系列圖像傳感器包含256個像素點,，狹縫尺寸75 μm×750 μm,，像元尺寸12.5 μm×1 000 μm，其光學(xué)結(jié)構(gòu)為一凸面閃耀光柵,，光線經(jīng)狹縫入射,，經(jīng)過凸面閃耀光柵分光［9］，反射至CMOS傳感器上,如圖2所示,。其結(jié)構(gòu)緊湊,，外觀小巧，重量僅9 g,，功耗低,，僅有30 mW，在與手持設(shè)備連接時,，低功耗有著更大的優(yōu)勢,。

　　1.2硬件電路設(shè)計

　　本設(shè)計中的硬件電路主要包括前端信號處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、FPGA最小系統(tǒng)以及USB通信電路［7］,。

　　CMOS圖像傳感器輸出的光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過多級緩沖放大濾波后再輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進行轉(zhuǎn)換,，本設(shè)計中采用了三級緩沖放大電路：第一級跟隨，第二級緩沖,、濾波,，第三級放大、濾波,，如圖3所示,。

　　CMOS圖像傳感器輸出的模擬信號頻率為200 kHz,最大輸出電壓為2.76 V，經(jīng)過放大濾波,，輸出電壓最大可達5 V,，信噪比明顯提高，如圖4所示,。

　　設(shè)計中采用AD7671作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，AD7671是16位的逐次逼近型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大積分非線性誤差±2.5 LSB (±190 μV),，采樣速率最高達1 MS/s,，精度高，速度快,，滿足應(yīng)用要求,。該ADC具有三種工作模式：Warp、正常和脈沖模式,。本系統(tǒng)中采用正常模式,，轉(zhuǎn)換速率為800 kS/s。ADC配置為主機模式,，在轉(zhuǎn)換期間輸出前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果,，電路連接圖如圖5所示?！?/p>

　　設(shè)計中的主控芯片采用的是ALTERA公司的EP2C5T144C8N,，其邏輯資源豐富，配置靈活,，滿足設(shè)計需求［10］,。USB通信采用Cypress公司的CY7C68013，其由集成了USB2.0收發(fā)器的增強型8051微控制器組成,。在設(shè)計中將CY7C68013配置為Slave FIFO模式,。USB在此模式下，CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸,，直接由內(nèi)部端點進行傳輸,，由外部控制器來對端點進行讀寫操作。FPGA與各模塊之間的連接示意圖如圖6所示,。

　　FPGA最小系統(tǒng)及USB通信電路均按照芯片手冊設(shè)計,，最后繪制并制作PCB板。4層PCB板尺寸為45 mm×84 mm,。

　　1.3程序設(shè)計

　　FPGA負責(zé)整個系統(tǒng)的控制和傳輸,，程序采用Verilog HDL語言編寫，采用自上而下的設(shè)計思路,，對整個系統(tǒng)進行分塊設(shè)計［1112］,，最終整合。系統(tǒng)主要分為3個子模塊［13］： COMS圖像傳感器驅(qū)動模塊,、AD數(shù)據(jù)緩存模塊以及USB讀寫控制模塊,。COMS圖像傳感器驅(qū)動模塊負責(zé)翻譯指令并控制Sensor的工作狀態(tài)；AD緩存模塊負責(zé)接收光譜數(shù)據(jù),，進行平滑濾波處理,，然后分時發(fā)送到USB讀寫模塊；USB讀寫控制模塊負責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù),，獲取USB的狀態(tài)并建立通信［1415］,。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換簡圖如圖7所示。

　　CMOS圖像傳感器的正常使用需要施以正確的驅(qū)動時序,，設(shè)計中由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動時序,，驅(qū)動時序須嚴格按照圖像傳感器的時序來設(shè)計，MS系列圖像傳感器驅(qū)動時鐘為800 kHz,，輸出頻率200 kHz,，輸出完成會給出EOS信號，ST信號控制傳感器的工作狀態(tài),。編寫好驅(qū)動程序后聯(lián)合ModelSim仿真,，結(jié)果表明驅(qū)動時序符合設(shè)計要求。

　　圖像傳感器在ST信號到來后開始工作,，輸出光譜數(shù)據(jù),，在程序中控制ST信號的觸發(fā)次數(shù)和觸發(fā)周期就能實現(xiàn)對掃描次數(shù)和積分時間的控制［16］。光譜模擬量輸出后,，經(jīng)過緩沖放大,，然后進行AD轉(zhuǎn)換，CNVST信號為AD轉(zhuǎn)換使能信號,，CNVST信號節(jié)拍須與傳感器輸出頻率一致,，并且在波形建立穩(wěn)定后進行轉(zhuǎn)換。當CNVST信號到來后,，ADC開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),，在此期間，輸出前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當BUSY信號到來時,，F(xiàn)PGA開始以SCLK為時鐘讀取串行數(shù)據(jù),，高位在前，存于寄存器中,，然后平滑濾波處理,，最后告知USB讀寫模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，USB將數(shù)據(jù)輸出至上位機［1718］,。

　　USB讀寫模塊監(jiān)視CY7C68013的狀態(tài),，F(xiàn)LAGA為EP2的空標識，F(xiàn)LAGC為EP6的滿標識,，當EP2為空時,，F(xiàn)PGA不再讀FIFO，當EP6為滿時,，F(xiàn)PGA不再寫入FIFO,。USB與FPGA的連接如圖8所示。

　　固件程序是CY7C68013能正常運行的核心,，Cypress公司提供了固件程序框架,，包括fw.c、periph.c,、dscr.a51,、USBJmptb.OBJ、Ezusb.lib五個部分,，在本設(shè)計中主要對periph.c進行了修改,，使能EP2和EP6兩個端點，設(shè)置EP2端點為OUT,，緩存區(qū)大小為512 B,，2倍緩存，EP6端點為IN,，緩存區(qū)大小為512 B,，4倍緩存。端點均為塊傳輸,，自動提交包方式［1920］,。

2實驗驗證

　　開機后系統(tǒng)首先處于待機狀態(tài)，Sensor沒有工作,，等待上位機發(fā)送指令,。指令碼為16位二進制數(shù)，包含積分時間,、掃描次數(shù),、默認/用戶選擇位三個信息,，F(xiàn)PGA收到上位機發(fā)送的指令碼之后進行判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作,，Sensor工作,，數(shù)據(jù)上傳。

　　上位機連接成功后將會進入模式選擇窗口,，默認模式下積分時間為100 ms,，發(fā)送次數(shù)為無限，系統(tǒng)將會一直工作,，持續(xù)探測光譜。用戶模式下可以選擇積分時間和掃描次數(shù),，掃描次數(shù)最低可以選擇1次,，步進為1，用戶最多可以選擇100次,，積分時間最低為5 ms,，最高為100 ms，步進為5 ms,。用戶配置好參數(shù)之后,，上位機將指令發(fā)送到系統(tǒng)，系統(tǒng)將按照設(shè)置的參數(shù)工作,。

　　實驗中用LED臺燈和532 nm激光分別照射探測頭,，在上位機上可以觀察到光譜，如圖9所示,。

3結(jié)論

　　本設(shè)計采用以FPGA為核心的系統(tǒng)硬件平臺,，結(jié)合MS系列CMOS圖像傳感器，實現(xiàn)了對可見光和近紅外光譜快速準確的測量,，通過USB2.0通信使光譜數(shù)據(jù)能實時傳輸,。實驗表明，該微型光譜儀能夠準確地測量光譜波長,，實時性好,；功耗低，可通過USB與手機直連,，便攜性,、實用性好；其結(jié)構(gòu)小巧,，成本低廉,，可以普及使用。

參考文獻

　?。?］ 王偉蘭,，談圖,，汪磊，等.基于線陣CCD的微型光譜儀的研制［J］. 大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報,2011,，6(4)：299304.

　?。?］ 范志永，浦國斌,，張濤,，等.微型光譜儀的CCD檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.半導(dǎo)體光電,2014，35(4)：718721.

　?。?］ 鞠揮,吳一輝.微型光譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.光學(xué)精密工程,2001,，9(4)：372376.

　　［4］ 楊明,，孫繼,，程海林，等.線陣CCD光譜儀設(shè)計與實驗［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報,2011,，27(1)：3842.

　?。?］ 李明，高超,，陳芳,，等.一種小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.光學(xué)與光電技術(shù),2013，11(2)：9598.

　?。?］ 程梁.微型光譜儀系統(tǒng)的研究及其應(yīng)用［D］.杭州：浙江大學(xué),，2008.