[发明专利]一种基于FPGA和USB2.0协议接口的CCD光谱信号通用采集系统设计

说明书

一、技术领域

本发明属于CCD光谱信号采集及传输设计领域，涉及光学、现场可编程门阵列及USB2.0协议接口的集成电路设计技术领域。

二、背景技术

近年来以CCD芯片和光纤为基础的微型光谱仪与拉曼光谱、LIBS光谱、荧光光谱等技术相结合，在环境、化工、农业等领域得到了广泛的应用，为成分快速分析和生产过程的实时监控提供了很好的测量手段。基于CCD芯片的光谱仪不需要任何运动部件，可直接获得完整的光谱谱图，使得光谱仪器更为简单。传统的光谱信号采集技术一般都由国外把持，而且都是针对特定波段或特定功能的CCD，不但造价较高，在通用性方面较差，本项发明即是解决这一问题，采用可编程方式设计了一套通用CCD光谱信号采集及传输系统，可编程方式提高了系统的灵活性，使其能按使用者的具体要求去灵活改变相应的控制信息等。

基于FPGA和USB2.0协议接口的CCD光谱信号通用采集系统与传统采集系统相比，在大容量数据的实时传输、处理方面取得了更好的效果。发明中采用了可重构的现场可编程器件作为控制核心，FPGA与传统的单片机等MCU处理器相比，结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，其硬件固有的并行性使得实时处理成为可能，满足了高速光谱信号的大容量数据的实时传输、处理要求。同时采用了基于USB2.0协议的通用接口，系统只需一根USB数据线即可工作，即插即用，小巧便携，能够对被测光源进行高速、精密测量。

通用CCD光谱信号采集系统主要由光谱信号产生、数据采集单元两大部分组成。由光学成像模块和FPGA控制光谱信号的产生；USB配合FPGA进行逻辑控制，负责光谱信号的采集；上位机进行数据处理。

从光谱信号的流向各功能模块划分如下：

(1)光学成像模块。此部分包括分光系统和线阵CCD探测器。分光系统采用了非对称交叉式Czerny-Turner分光结构，使用线阵CCD探测器产生待测的模拟光谱信号。光源首先经过分光系统按波长顺序在空间分离为一系列“单一”波长的“单色光”投射到线阵CCD上，并转换成电信号，然后通过后续电路的处理。

(2)CCD的时序驱动接口电路。主要包括CCD光电转换模块、信号调理模块和A/D转换模块。

CCD光电转换模块中采用FPGA编程产生CCD的时序驱动脉冲，具有很好的灵活性。信号调理部分用来滤波CCD稳定输出之前的高频脉冲和CCD的暗电流噪声，采用二阶压控型有源低通滤波器，与无缘滤波方式相比具有更好的滤波效果和选择性，其中低频滤波截止频率具体型号CCD传感器输出频率值选择。A/D模数转换采用高速高精度的带有相关双采样功能的并行A/D转换器，实现模拟信号的数字化。

(3)FPGA驱动及控制模块。该模块是整个采集系统的设计重点，关系到光谱信号能否实时、有效地进行采集。主要用来产生线阵CCD的驱动时序；控制A/D的采样时序；片上配置FIFO缓存数据；产生USB接口通信时序。

(4)USB2.0协议接口。整个采集系统的数据传输通道，实现FPGA与上位机软件之间的通信，主要包括上位机向通用采集系统发出的控制命令和通用采集系统将采集的数据传输到上位机。采用基于USB2.0协议接口最大优势便是高速的数据传输能力，USB2.0高速协议支持480Mbit/s的总线速率。

(5)预留IO口。作为通用CCD光谱信号采集及传输单元，为了实现同不同功能的CCD的互连，将FPGA剩余IO口全部引出并以接插件的形式与前端传感器互连，以实现对不同传感器驱动控制功能。

发明中采用可编程的控制方式，在FPGA片内开辟各控制模块，能灵活按照用户需要与前端CCD图像传感器互连并可实现功能扩展。

三、发明内容

本发明的目的是设计一套通用的CCD光谱信号采集系统，功能是将待测光源的光谱信息通过CCD光电转换后将其数字化、实时传输至上位机显示及处理。特点是采用FPGA可编程方式，能灵活实现对多种CCD图像传感器的驱动控制及数据的处理和传输。同时采用USB2.0协议的传输接口将采集数据传送到上位机进行界面显示及结果分析，充分发挥了FPGA的并发处理特性可以实时传送、处理大容量数据的功能，以及USB的即插即用、高速传输的独特优势。