基于FPGA的微小型光譜儀器研制.pdf

1、光譜分析技術(shù)是運用光學(xué)、電子學(xué)及計算機科學(xué)對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及成分進行定性或定量分析的一門技術(shù),在各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。近年來,在軍工、科學(xué)研究、野外地質(zhì)勘探、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)庾V儀器的體積、重量、結(jié)構(gòu)、性能等提出了越來越高的要求,微小型化是光譜儀器的發(fā)展方向。
　　本文首先分析了光譜儀器的工作原理、組成結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo),選用非對稱的車爾尼——特納(Czerny-Turner)光路結(jié)構(gòu)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng),確定了各光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)參數(shù),并

2、用ZEMAX進行了光路的模擬仿真,優(yōu)化了光學(xué)結(jié)構(gòu)及參數(shù)。然后提出了一套基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的電荷耦合元件(CCD)光積分時間大范圍實時自調(diào)節(jié)光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,光積分時間調(diào)節(jié)范圍在10us以上,最小調(diào)節(jié)精度達(dá)0.25us。針對光譜測量的特性需要,選用東芝公司的TCD1304AP線陣CCD探測器進行光電信號采集,其響應(yīng)波長范圍為200~1100nm;CCD輸出的模擬信號經(jīng)過預(yù)處理后,由12位模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器A

3、DS803E轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再通過“軟”FIFO完成高低速率匹配轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過高速的通用串行總線(USB)通信接口傳給上位機。利用FPGA實現(xiàn)了主控軟件、CCD驅(qū)動時序及A/D同步時鐘、“軟”FIFO和USB通信控制狀態(tài)機等邏輯軟件部分,使用Keil設(shè)計了CY7C68013的USB固件程序。
　　最后搭建了一套光譜測量實驗樣機,并對其波長標(biāo)定和光譜響應(yīng)不均勻性校正進行了分析,利用自然光、LED進行了光譜實驗測試分析,為微小型光譜儀器