基于光纤光谱仪的CCD信号采集和传输系统设计

刘 宇1，黄 川2，李东波1

作者简介：刘宇（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为机电一体化，1830072583@qq.com.

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

(2.南京波思途智能科技股份有限公司，江苏 南京 211100)

摘要：为了实现对光纤光谱仪的光信号采集，采用TCD1304DG芯片为探测器、FPGA芯片为控制器、FT245RL芯片为信号传输芯片，设计了一套CCD信号采集和传输系统。系统使用Verilog语言进行模块化编程设计，采用USB模式与上位机通信，并基于CRC16算法进行传输数据校验，最终实现了光谱数据的采集和传输。

关键词：光纤光谱仪；FPGA芯片；USB通信；CRC校验

中图分类号：TH39   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2019)07-0040-07

  光谱仪是一种利用光的色散原理进行光学研究和物质分析的光学仪器［1］。光谱仪种类繁多，如大型高精度成像光谱仪、便携式光纤光谱仪、手持小型光谱仪等［2-3］。它们都具有测量范围大、精度高、速度快等优点，广泛应用于农业、天文、化学、地质、食品、环境监测等领域［4-5］。光谱仪应用广泛，但它的研发成本高，目前专业应对不同需求的光谱仪很少。以水质监测为例，基于光谱的水质检测系统可以做到最实时精确的监测，然而其需求的双光路系统、可使用脉冲光源的光纤光谱仪在国内市场上很难找到［6］。光纤光谱仪的设计涉及多个方面，本文对其硬件和时序逻辑部分进行设计。基于光纤光谱仪的原理，本文对光纤光谱仪其信号的采集和传输进行了研究，以FPGA(field programmable gate array,现场可编程门阵列)芯片为控制器，通过USB2.0芯片传输数据，设计了一款具有脉冲氙灯控制模块的光纤光谱仪控制系统。其数据传输速度可达1MB/s，〖HJ*5/9〗光谱图像帧数可达24帧/s，具有连续和单次采集功能。

1 光纤光谱仪原理

光纤光谱仪一般由3个部分组成：光源系统、分光系统和接收系统。光源系统将光通过狭缝投射进光谱仪，由光栅和各种镜片色散为光谱投射到接收系统，由接收系统接收并转化为数据传输给上位机。其结构原理如图1所示。接收系统是光谱仪把光信号转化为电信号的部分，本文重点对接收系统进行设计。

2 硬件电路设计

光纤光谱仪接收系统通常由中央控制器、光电探测器、信号采集电路、信号处理电路和信号传输电路组成。由于本设计中增加了氙灯控制，因此增设了脉冲灯控制电路。另外，为了提高系统信噪比，在后续的优化中还需要风扇降温模块。所有模块均通过FPGA进行编程控制。硬件部分的控制器会影响整体系统的工作速度。光谱仪1s可以输出24帧图像，即1s需要完成24组数据的积分、采集和发送。TCD1304有3 648个像元，每一个像元采集的数据经过A/D转换后为16位的二进制数。其数据采集频率为2MHz，每4个采集周期输出一个16位的像元数据。通过计算可以得出，其数据传输速度要求为

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2.1 信号采集电路

信号采集电路是光纤光谱仪采集光路信号并将光信号转化为电信号的部分，主要设计内容是CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)探测器的选型和电路设计。CCD需要根据使用要求（光谱范围为200~1 100nm，分辨率为3~5nm，信噪比不低于400∶1）。经过调研，选取东芝的TCD1304DG线阵CCD。其光谱范围、分辨率、信噪比较为均衡，各参数满足设计要求，而且其灵敏度高，暗电流很小，在同等性能下价格相对低廉。

2.2 信号处理电路

为了读取TCD1304DG采集的模拟信号，需要将模拟信号转化为数字信号；同时基于信号稳定性和数据合理性的需求，需要对信号进行滤波放大。因此，本文在信号A/D转换电路前端设计了信号处理电路。TCD1304DG输出的模拟信号为负值，其像元饱和输出电压值为450mV~600mV。AD芯片的输入电压幅值为0~5V。为了提高数据精度，需要对电压信号进行放大。考虑到CCD输出和AD输入的幅值，将信号放大8倍。由于CCD输出模拟信号为负值，还需要反向处理，而AD信号输入端一般也需要缓冲电路，因此本文使用了3组运放电路进行信号处理。运放芯片选用常用的放大器LMD324，其内部有4组运放，符合使用要求。3组运放电路中第一组将信号反向，同时进行2倍放大，第二组则进行4倍放大。为了提高信噪比，在每一组放大电路中设计一阶滤波电路进行信号滤波。最后信号经过电压跟随器输入AD芯片。

2.3 信号传输电路

本系统的信号传输是基于USB模式的。TCD1304DG的输出信号通过A/D转换后暂存在FPGA的缓存中，然后根据上位机要求输出。根据1MB/s的传输速度要求，选取的USB芯片至少需要具有USB2.0的传输速度。FT245RL是一款USB2.0芯片。根据驱动不同，最高传输速度达1MB/s，满足传输要求。FT245RL芯片除电源以及接地等必要的引脚外，其逻辑控制脚有4个：RXF#，TXE#，RD#和WR。只需控制好这4个引脚，即可实现系统与上位机的数据传输。FT245RL数据传输位为8位，其内部有USB收发器模块、USB协议引起模块、控制器模块、缓存模块以及电源模块等。其中，容量为128B的发送缓存和256B的接收缓存，保证了USB接口的高速信号传输。