粉嫩av一区二区三区亚洲av色香蕉一区二区蜜桃|日韩中文字幕第一页中文字幕无卡顿|亚洲中文字幕久久私人影院中文字幕av一区二区三区蜜桃|国产精品成人一区二区艾草|国产精品午夜福利视频|午夜av一级高清内射|最新中文字幕一区|91日韩中文字幕|国产精品毛片久久久久|久久99久久99精品中文字幕,91啪精品对白刺激国产在线,91色国产精品,国产aⅴ爽av久久久久电影

基于FPGA的可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀研制

2016-07-01 16:10

關(guān)鍵詞: 微型光譜儀 FPGA CMOS 可見(jiàn)光及近紅外

  熊顯名1,2,劉國(guó)棟1,2

  (1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,,廣西 桂林 541004,;2.廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004)

       摘要:研制了一款基于FPGA可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀,,介紹了其研究方案及實(shí)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(zhǎng)探測(cè)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(guò)USB2.0與PC及手機(jī)通信,,積分時(shí)間5 ms,,掃描次數(shù)、積分時(shí)間可調(diào),。實(shí)驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)等方面。

  關(guān)鍵詞:微型光譜儀,;FPGA,;CMOS;可見(jiàn)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(jià)格高昂,,在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面存在便攜性差,、普及困難等問(wèn)題。隨著微型光機(jī)電系統(tǒng)和寬波段探測(cè)器的發(fā)展,,微型光譜儀得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[1],,近年來(lái)商用微型光譜儀層出不窮,通過(guò)選配不同的探測(cè)器,,可以實(shí)現(xiàn)寬波段,、高精度的光譜測(cè)量[2]。微型光譜儀集成度高,、功耗低,、靈活方便、性?xún)r(jià)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(jì)及實(shí)現(xiàn)

  本微型光譜儀主要由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)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(cè)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(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA),,經(jīng)過(guò)平滑處理,再通過(guò)USB上傳至電腦或者手持設(shè)備進(jìn)行顯示或作進(jìn)一步處理[58],。

001.jpg

  1.1圖像傳感器

  設(shè)計(jì)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(jiàn)光和近紅外的探測(cè)范圍,。MS系列圖像傳感器包含256個(gè)像素點(diǎn),,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(guò)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?jī)H9 g,,功耗低,僅有30 mW,,在與手持設(shè)備連接時(shí),,低功耗有著更大的優(yōu)勢(shì)。

002.jpg

  1.2硬件電路設(shè)計(jì)

  本設(shè)計(jì)中的硬件電路主要包括前端信號(hào)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(guò)多級(jí)緩沖放大濾波后再輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,本設(shè)計(jì)中采用了三級(jí)緩沖放大電路:第一級(jí)跟隨,,第二級(jí)緩沖、濾波,,第三級(jí)放大,、濾波,如圖3所示,。

003.jpg

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

004.jpg

  設(shè)計(jì)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(dá)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(jī)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,。 

005.jpg

  設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)型8051微控制器組成。在設(shè)計(jì)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(diǎn)進(jìn)行傳輸,,由外部控制器來(lái)對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,。FPGA與各模塊之間的連接示意圖如圖6所示。

006.jpg

  FPGA最小系統(tǒng)及USB通信電路均按照芯片手冊(cè)設(shè)計(jì),,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(jì)

  FPGA負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和傳輸,,程序采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě),,采用自上而下的設(shè)計(jì)思路,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)[1112],,最終整合,。系統(tǒng)主要分為3個(gè)子模塊[13]: COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊,、AD數(shù)據(jù)緩存模塊以及USB讀寫(xiě)控制模塊。COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)翻譯指令并控制Sensor的工作狀態(tài),;AD緩存模塊負(fù)責(zé)接收光譜數(shù)據(jù),,進(jìn)行平滑濾波處理,然后分時(shí)發(fā)送到USB讀寫(xiě)模塊,;USB讀寫(xiě)控制模塊負(fù)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(jiǎn)圖如圖7所示,。

007.jpg

  CMOS圖像傳感器的正常使用需要施以正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,,設(shè)計(jì)中由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序,驅(qū)動(dòng)時(shí)序須嚴(yán)格按照?qǐng)D像傳感器的時(shí)序來(lái)設(shè)計(jì),,MS系列圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為800 kHz,,輸出頻率200 kHz,輸出完成會(huì)給出EOS信號(hào),,ST信號(hào)控制傳感器的工作狀態(tài),。編寫(xiě)好驅(qū)動(dòng)程序后聯(lián)合ModelSim仿真,結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)時(shí)序符合設(shè)計(jì)要求,。

  圖像傳感器在ST信號(hào)到來(lái)后開(kāi)始工作,,輸出光譜數(shù)據(jù),在程序中控制ST信號(hào)的觸發(fā)次數(shù)和觸發(fā)周期就能實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描次數(shù)和積分時(shí)間的控制[16],。光譜模擬量輸出后,,經(jīng)過(guò)緩沖放大,然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,,CNVST信號(hào)為AD轉(zhuǎn)換使能信號(hào),,CNVST信號(hào)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,。當(dāng)CNVST信號(hào)到來(lái)后,,ADC開(kāi)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(dāng)BUSY信號(hào)到來(lái)時(shí),F(xiàn)PGA開(kāi)始以SCLK為時(shí)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(xiě)模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒,,USB將數(shù)據(jù)輸出至上位機(jī)[1718]。

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

008.jpg

  固件程序是CY7C68013能正常運(yùn)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(gè)部分,在本設(shè)計(jì)中主要對(duì)periph.c進(jìn)行了修改,,使能EP2和EP6兩個(gè)端點(diǎn),,設(shè)置EP2端點(diǎn)為OUT,緩存區(qū)大小為512 B,,2倍緩存,,EP6端點(diǎn)為IN,緩存區(qū)大小為512 B,,4倍緩存,。端點(diǎn)均為塊傳輸,自動(dòng)提交包方式[1920],。

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)首先處于待機(jī)狀態(tài),,Sensor沒(méi)有工作,等待上位機(jī)發(fā)送指令,。指令碼為16位二進(jìn)制數(shù),,包含積分時(shí)間、掃描次數(shù),、默認(rèn)/用戶選擇位三個(gè)信息,,F(xiàn)PGA收到上位機(jī)發(fā)送的指令碼之后進(jìn)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(jī)連接成功后將會(huì)進(jìn)入模式選擇窗口,,默認(rèn)模式下積分時(shí)間為100 ms,,發(fā)送次數(shù)為無(wú)限,系統(tǒng)將會(huì)一直工作,,持續(xù)探測(cè)光譜,。用戶模式下可以選擇積分時(shí)間和掃描次數(shù),,掃描次數(shù)最低可以選擇1次,步進(jìn)為1,,用戶最多可以選擇100次,,積分時(shí)間最低為5 ms,最高為100 ms,,步進(jìn)為5 ms,。用戶配置好參數(shù)之后,上位機(jī)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(shí)驗(yàn)中用LED臺(tái)燈和532 nm激光分別照射探測(cè)頭,在上位機(jī)上可以觀察到光譜,,如圖9所示,。

009.jpg

3結(jié)論

  本設(shè)計(jì)采用以FPGA為核心的系統(tǒng)硬件平臺(tái),結(jié)合MS系列CMOS圖像傳感器,,實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光譜快速準(zhǔn)確的測(cè)量,,通過(guò)USB2.0通信使光譜數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明,,該微型光譜儀能夠準(zhǔn)確地測(cè)量光譜波長(zhǎng),,實(shí)時(shí)性好;功耗低,,可通過(guò)USB與手機(jī)直連,,便攜性、實(shí)用性好,;其結(jié)構(gòu)小巧,,成本低廉,可以普及使用,。

參考文獻(xiàn)

 ?。?] 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(bào),2011,6(4):299304.

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

  [3] 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.

 ?。?] 楊明,,孫繼,程海林,,等.線陣CCD光譜儀設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,,27(1):3842.

  [5] 李明,,高超,,陳芳,等.一種小型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[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.