《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的快速靜態(tài)光譜復(fù)原系統(tǒng)研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
田 晶
長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,，吉林 長春130000
摘要： 為了實(shí)現(xiàn)靜態(tài)干涉系統(tǒng)光譜分布的快速復(fù)原,，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的快速光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),。通過FPGA硬件設(shè)計(jì)完成了對(duì)CCD數(shù)據(jù)的高速采集與快速光譜數(shù)據(jù)反演計(jì)算,。依據(jù)靜態(tài)干涉條紋空域到頻域的變化特性,，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊,，并通過仿真分析驗(yàn)證了其高效性,。選用三種不同位深的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示,，8 bit速度最快,，但光譜對(duì)比度最差，12 bit對(duì)比度最好,，但耗時(shí)較長,，綜合比較選取了光譜振幅對(duì)比度和處理速度均適中的10 bit，并由此構(gòu)建了FPGA光譜復(fù)原系統(tǒng),。實(shí)驗(yàn)采用980 nm激光入射靜態(tài)干涉模塊獲得的靜態(tài)干涉條紋進(jìn)行測試,。同組數(shù)據(jù)還采用MATLAB進(jìn)行光譜反演，對(duì)比結(jié)果顯示,，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的中心波長位置、幅值及半寬與MATLAB仿真數(shù)據(jù)相符,。
中圖分類號(hào)： TN214
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181292
中文引用格式： 田晶. 基于FPGA的快速靜態(tài)光譜復(fù)原系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018，44(11)：37-40.
英文引用格式： Tian Jing. Design and implementation of high-speed spectrum data processing system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,，2018,，44(11)：37-40.
Design and implementation of high-speed spectrum data processing system based on FPGA
Tian Jing
Changchun Vocational Institute of Technology，Changchun 130000,，China
Abstract： In order to realize the fast restoration of spectral distribution of static interference system, a fast spectral data processing system is designed based on FPGA. Through the FPGA hardware design, the high-speed acquisition and rapid spectral data inversion calculations of the CCD data have been completed. According to the characteristics of the spatial domain to the frequency domain of static interference fringes, the corresponding drive module is designed. Through simulation analysis, it verified its high efficiency. We chose to use three different types of data for comparison. The results show that 8 bit is the fastest, but its spectral contrast is the worst; The 12 bit contrast is best, but it takes longer. In a comprehensive comparison, 10 bit are selected, and its spectral amplitude contrast and processing speed are both moderate. Finally, an FPGA spectral restoration system was constructed. The static interference fringe obtained by the 980 nm laser incident static interference module was tested. The same set of data also uses MATLAB for spectral inversion. The comparison results show that the center wavelength position, amplitude and half-width of the system test data are in accordance with the MATLAB simulation data.
Key words : fast spectral recovery,；static interference；FPGA；relative error

0 引言

    在各類光譜測試中,，對(duì)光譜數(shù)據(jù)采集的速度都有不同的要求,，故提高光譜數(shù)據(jù)采集速度的技術(shù)主要有以下兩大方向：一是通過光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，將傳統(tǒng)時(shí)間掃描改成空間成像,，由此可大幅提高干涉條紋采集速度[1],；二是通過數(shù)據(jù)采集算法實(shí)現(xiàn)[2]，利用高效算法完成數(shù)據(jù)快速運(yùn)算,。對(duì)于靜態(tài)干涉系統(tǒng)而言,，靜態(tài)干涉條紋的采集是直接獲取圖像實(shí)現(xiàn)的，不需要機(jī)械掃描,，所以大幅提高了速度,。其將待測光以靜態(tài)干涉條紋的方式成像在CCD上，由此空域到頻域完成了光譜分布的計(jì)算[3-6],?？梢娭萍s干涉系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的主要是系統(tǒng)硬件部分和處理算法的優(yōu)劣。

    FPGA作為基于硬件編程的數(shù)據(jù)處理芯片,，在眾多光譜數(shù)據(jù)處理方面具有顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢[7-10],。因?yàn)镕PGA處理速度快、功耗低,，所以被廣泛用于信號(hào)處理等,。靜態(tài)光譜數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理耗時(shí)最多的是傅氏變換運(yùn)算部分，其包括了乘法運(yùn)算和轉(zhuǎn)移匹配處理,，故使用FPGA完成可盡量保障系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性,。通過FPGA設(shè)計(jì)完成對(duì)芯片資源利用率的最優(yōu)化，這樣可以在不降低運(yùn)算速度的前提下最大程度地節(jié)約成本,。

　　為了將靜態(tài)干涉條紋的空域信息通過算法轉(zhuǎn)換為頻域信息,，本文研究了適用于FPGA的干涉條紋數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)速度快,、穩(wěn)定性高,，具有高效性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)[11-12],。相比之下,，F(xiàn)PGA比Xilinx更快，資源利用率更高,。將本系統(tǒng)與MATLAB仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知,，本系統(tǒng)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算效果更好、誤差更小,，具有更好的應(yīng)用前景,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)如圖1所示,。首先，光學(xué)接收模塊采集入射光,，經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入靜態(tài)干涉棱鏡中,，產(chǎn)生靜態(tài)干涉條紋，再通過CCD傳感器完成對(duì)干涉條紋的采集,。CCD的采集速度由FPGA決定,，保證采集與系統(tǒng)運(yùn)算的同步性，當(dāng)干涉條紋數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA處理模塊后,，完成對(duì)初始光的光譜重建,。由傅氏變換關(guān)系可知，入射光的兩束分束光通過準(zhǔn)直透鏡以后被分離,，從而形成干涉過程需要的兩束光,，這兩束光最后匯聚到了一起，因?yàn)椴煌墓獬滩疃纬筛缮鏃l紋,。FPGA對(duì)干涉條紋采集并處理,，包括濾波、降噪,、FFT,、光譜位置標(biāo)定等，最終實(shí)現(xiàn)將頻域信息轉(zhuǎn)換成光譜信息,。

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    FPGA的運(yùn)算速度快,，適合光譜的快速計(jì)算，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)十分重要,，其決定了系統(tǒng)是否能夠高效地完成數(shù)據(jù)采集與處理,。FPGA的運(yùn)算數(shù)據(jù)處理部分主要對(duì)空域信息進(jìn)行解算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域信息的計(jì)算,，是提高其運(yùn)算處理能力的主要手段,。FPGA的數(shù)據(jù)處理需要從控制CCD探測器開始，對(duì)數(shù)據(jù)的高效計(jì)算包括干涉條紋采集,、數(shù)據(jù)傅氏變換,、光譜位置標(biāo)定等，通過以上思路完成了對(duì)FPGA硬件模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),，如圖2所示,。

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    整個(gè)光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)和數(shù)據(jù)顯示單元,。(1)數(shù)據(jù)采集區(qū)，該區(qū)域通過驅(qū)動(dòng)控制電路使CCD探測器將干涉條紋傳輸給存儲(chǔ)器,，存儲(chǔ)器采用雙口RAM設(shè)計(jì),，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速輸入與輸出,，將實(shí)部與虛部分開發(fā)送給FFT運(yùn)算器；(2)數(shù)據(jù)處理區(qū),，該區(qū)域?qū)?shù)據(jù)中實(shí)部和虛部分別進(jìn)行數(shù)據(jù)蝶形運(yùn)算,，再對(duì)蝶形運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行乘法混合，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)處理能力,，與雙端口RAM進(jìn)行更好的配合,，采用了并行數(shù)據(jù)輸入輸出的形式完成，光譜位置的標(biāo)定通過Square root模塊實(shí)現(xiàn),，大大提升了系統(tǒng)的處理能力,；(3)數(shù)據(jù)顯示單元，該單元將處理完成的數(shù)據(jù)通過預(yù)先設(shè)定的接口完成數(shù)據(jù)的輸出與顯示,。

2 采集接口設(shè)計(jì)及仿真

    為了實(shí)現(xiàn)快速獲取光頻譜信息,，需要干涉條紋的采集速度大于處理速度，同時(shí),，還需要將采樣數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,。可見,，在實(shí)現(xiàn)FFT過程中,，需要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。在本系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)處理模塊為了保障FFT運(yùn)算過程的連續(xù)性,，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為3.0 MHz（讀）和1.5 MHz（寫）。由此可見,，讀寫采用異步RAM實(shí)現(xiàn),，數(shù)據(jù)深度均為10位。輸入采用“addra”和“addrb”,、時(shí)鐘采用“clka”和“clkb”,、數(shù)據(jù)輸出采用“doutb”實(shí)現(xiàn)。則其異步存儲(chǔ)模塊的仿真結(jié)果如圖3所示,。

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    在光譜數(shù)據(jù)采集模塊中,，采用TOSHIBA公司的TVD-2712型CCD傳感器，位深設(shè)置可選8 bit,、10 bit,、12 bit，位深越深對(duì)應(yīng)的光譜量化誤差越小,，但是其數(shù)據(jù)總量越大,，所以通過不同位深的仿真計(jì)算，可以優(yōu)化位深的選擇,，從而確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位深設(shè)置,。當(dāng)處理系統(tǒng)的位深采用10 bit時(shí),，時(shí)鐘頻率為150 MHz，則CCD圖像傳感器的最高采集頻率可以達(dá)到10 MHz,，由此可見,，設(shè)計(jì)20分頻的系統(tǒng)分頻結(jié)構(gòu)具有較好的匹配效果。首先,，利用Verilog觸發(fā)系統(tǒng)控制端,，形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，然后在Modelsim6.0中仿真,，仿真結(jié)果如圖3所示,。根據(jù)仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯關(guān)系與擬采用的CCD邏輯時(shí)序是一致的,，系統(tǒng)構(gòu)成的讀寫異步RAM可完成系統(tǒng)光譜數(shù)據(jù)的采集與處理,，對(duì)靜態(tài)干涉條紋的采集、傳輸,、處理具有高效性,。

3 處理模塊設(shè)計(jì)及仿真

    光譜數(shù)據(jù)處理采用Virtex 2-Pro型嵌入式處理芯片實(shí)現(xiàn)，流水線處理模式,，位深選擇10 bit,，F(xiàn)FT在FPGA的IP核中實(shí)現(xiàn)，輸入采用“xn_im”和“xn_re”,，起始信號(hào)為“start”,，輸出信號(hào)采用“xk_im”、“xk_re”,、“xk_index”,、“xk_index”完成實(shí)部虛部信息的輸出。運(yùn)算流程為基-2時(shí)間型,。FPGA的時(shí)序關(guān)系仿真結(jié)果如圖4所示,。

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    在該運(yùn)算器中，通過兩個(gè)輔助的RAM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變換結(jié)果的存儲(chǔ),，利用RAM減小對(duì)提高FPGA資源使用效率,，進(jìn)而提升系統(tǒng)的處理能力。系統(tǒng)由兩個(gè)硬件乘法器,、四個(gè)儲(chǔ)存器完成了光譜數(shù)據(jù)的蝶形運(yùn)算與光譜位置標(biāo)定,，同時(shí)，該方法還有效地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率,，在100.0 MHz的工作基頻下,，實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)FFT僅需33 μs。同時(shí),，還在仿真中對(duì)不同位深數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試,，仿真結(jié)果表明,，位深主要影響系統(tǒng)的處理速度，8 bit速度最快,，12 bit速度最慢，但8 bit的反演結(jié)果波長振幅降低,，信噪比低,；10 bit與12 bit的振幅和信噪比相近，但12 bit運(yùn)算時(shí)長明顯增加,，為了保證反演的實(shí)時(shí)性,，最終選用10 bit，在下面的實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比,。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

    整個(gè)系統(tǒng)由激光光源,、CCD傳感器、干涉棱鏡,、高速數(shù)據(jù)采集卡,、FPGA開發(fā)板組成，計(jì)算機(jī)完成在片編譯及仿真分析,；激光器的中心波長是980 nm,，提供穩(wěn)定的待測激光；干涉棱鏡采用兩個(gè)直角棱鏡的組合,，其中一個(gè)存在等效斜契角0.10°,；示波器采集控制信號(hào)；TVD2712型CCD傳感器采集靜態(tài)干涉條紋,，該CCD的光譜范圍為320～1 100 nm,，單個(gè)像元尺寸為8 μm×8 μm。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示,。

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4.2 位深對(duì)比實(shí)驗(yàn)

    在仿真分析后,，通過構(gòu)建硬件測試系統(tǒng)完成對(duì)中心波長980 nm激光的光譜復(fù)原。在測試前,，設(shè)定了合適的位深格式數(shù)據(jù),，再實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的測試。實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的位深是調(diào)試后選定的,，針對(duì)8 bit,、10 bit和12 bit的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，不同位深測試得到的中心波長處振幅不同,，實(shí)現(xiàn)時(shí)間不同,，測試結(jié)果如圖6所示。

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    位深檔位不同時(shí),，從8 bit調(diào)整為12 bit時(shí),，經(jīng)傅氏變換后的中心波長處主峰振幅不斷增大,，信噪比更高，但變化過程逐漸趨緩,；當(dāng)位深增大時(shí),，測試得到的中心波長位置不變，半寬也沒有明顯變化,；同時(shí),，當(dāng)位深增大時(shí)，運(yùn)算時(shí)間卻明顯提升,，系統(tǒng)總體運(yùn)算時(shí)間從約1 200個(gè)機(jī)器周期增至5 200個(gè)機(jī)器周期,。可見,，單純通過提高位深不會(huì)改變中心波長位置和半寬,，但其可以使光譜振幅得到提高，從而提升信噪比,。但代價(jià)是系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間進(jìn)一步增長,，不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理。所以位深的設(shè)置需要綜合考慮,，系統(tǒng)最終采用10 bit的位深,，同時(shí)保證系統(tǒng)一定的信噪比和處理速度。

4.3 頻譜對(duì)比實(shí)驗(yàn)

    在位深測試完成的基礎(chǔ)上,，分別對(duì)兩種不同處理方式同時(shí)針對(duì)980 nm進(jìn)行對(duì)比分析,，分析系統(tǒng)光譜復(fù)原處理效果，與傳統(tǒng)的MATLAB軟件光譜反演方法進(jìn)行對(duì)比,。系統(tǒng)獲得的靜態(tài)干涉條紋如圖7(a)所示,，通過FPGA復(fù)原得到的實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)如圖7(b)所示，通過MATLAB復(fù)原得到的實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)如圖7(c)所示,。

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    如圖7所示,，圖7(a)表示由干涉棱鏡獲得的靜態(tài)干涉條紋，該干涉條紋由FPGA采集并傳輸?shù)讲杉?，再通過傳輸接口完成與電腦的數(shù)據(jù)交互,。圖7(b)和圖7(c)是對(duì)同一組光譜數(shù)據(jù)的復(fù)原結(jié)果，F(xiàn)PGA與MATLAB的光譜反演中心波長位置相同,，誤差小于0.2 nm,；但FPGA獲得的振幅峰峰值要略優(yōu)于MATLAB，因?yàn)槠浏B加效果更為明顯,；FPGA獲得的數(shù)據(jù)噪聲均值不如MATLAB的測試數(shù)據(jù),；10 bit位深條件下FPGA的整個(gè)數(shù)據(jù)處理周期為55 μs，而MATLAB的整個(gè)數(shù)據(jù)處理周期為610 μs，可見,，采用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)處理算法上光譜反演效果基本一致,，而在處理速度上得到了大幅提高，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求,。

5 結(jié)論

    針對(duì)干涉條紋數(shù)據(jù)處理中處理效果與處理速度之間的矛盾問題,，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的快速靜態(tài)光譜復(fù)原系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了FPGA的采集與處理硬件模塊,，通過FPGA實(shí)時(shí)控制CCD傳感器快速獲取干涉條紋,，再經(jīng)處理模塊完成蝶形運(yùn)算與光譜位置標(biāo)定等。通過對(duì)采集,、處理部分的設(shè)計(jì)與仿真，通過時(shí)序邏輯關(guān)系結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性,。在對(duì)比了不同位深對(duì)系統(tǒng)復(fù)原效果的基礎(chǔ)上,，選擇了10 bit的工作模式，并與MATLAB測試數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證了本系統(tǒng)的精度與特性,，說明其具有較好的應(yīng)用前景,。

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田  晶

(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,，吉林 長春130000)

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