基于CCD的微型光譜儀的設(shè)計與研究.pdf

1、光譜儀是一種重要的光譜分析儀器,幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域都有光譜儀的身影。由于傳統(tǒng)光譜儀體積大、重量重而且系統(tǒng)復(fù)雜,不能同時對多個波長進(jìn)行檢測,特別在野外測量受到了極大的限制。光譜儀器的微型化、小型化是其發(fā)展的必然趨勢。
　　 本文提出了一種基于CCB的微型光譜儀的系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案選用CCD為光譜測量的探測器,光學(xué)系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)設(shè)計,大大減少了光學(xué)系統(tǒng)的體積;在探測系統(tǒng)方面,以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FP

2、GA)EPM7032設(shè)計了CCD驅(qū)動和信號采集系統(tǒng)。在FPGA上采用了片上可編程(SOPC)技術(shù),集成了NiosⅡ軟核UART、CPU等功能模塊,整個系統(tǒng)只用一片F(xiàn)PGA資源開發(fā)了CCD驅(qū)動電路、A/D采樣控制電路、USB驅(qū)動電路等模塊,使整個光譜儀系統(tǒng)實現(xiàn)了單芯片控制。完成了基于USB的微型光譜儀和PC機(jī)的通訊,并使用Labview開發(fā)了光譜采集和處理軟件,實現(xiàn)對光譜儀的光譜數(shù)據(jù)處理、光譜譜線繪制、波長定標(biāo)相關(guān)功能。最后,對本文的系統(tǒng)

3、進(jìn)行了相關(guān)實驗,實驗表明:按照該方案設(shè)計的微型光譜儀能同時對多個波長進(jìn)行測量,整個光譜儀的體積重量達(dá)到了設(shè)計所要求的微型化、小型化。為了使CCD探測系統(tǒng)能檢測到較寬的光譜范圍,選擇3694個像素的線陣CCD作為探測器件。采用CCD專用A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX1101對CCD輸出信號進(jìn)行相關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號暫時儲存在FPGA中,經(jīng)處理后通過USB總線傳送到上位機(jī),由應(yīng)用軟件完成光譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析、處理和顯示。FPGA作為整個

4、系統(tǒng)的核心,完成了CCD驅(qū)動時序、MAX1101采樣時序和FT245BM(USB)芯片脈沖控制時序。
　　 采用Protel DXP畫圖完成了系統(tǒng)的原理圖的繪制和PCB板的設(shè)計,利用QuartusⅡ、Modelsim和Synplify軟件設(shè)計、仿真并實現(xiàn)了各邏輯模塊。使用示波器及嵌入式邏輯分析儀對CCD信號采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試,各模塊均能正常工作。結(jié)合光學(xué)平臺和應(yīng)用軟件的測試表明,探測系統(tǒng)能清晰分辨汞燈光譜特有的特征譜線,成功地完成