基于fpga的线阵ccd光强分布测量系统研究

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1、基于FPGA的线阵CCD光强分布测量系统研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：夏真珍指导教师：陶纯匡教授副导师：汪涛副教授专业：光学学科门类：理学重庆大学物理学院二O一四年五月TheMeasuringSystemofLightIntensityDistributionofLinearCCDbasedonFPGAAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster'sDegreeofScienceByXiaZhenzhenS

2、upervisedbyProf.TaoChunkuangVice-SupervisorbyAssociateProf.WangTaoSpecialty:OpticsCollegeofPhysicsofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2014重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着CCD性能的不断提高，测量系统快速采样、存储、处理和传输成为了CCD数据采集发展的新方向。经过几十年的不断发展与更新，CCD性能不断提升，被人们应用于各个领域，包括航空航天、传媒摄像、工业生产等。线阵CCD被广泛应用于一维尺度的测量

3、，测量系统由于灵敏度高、测量范围大、线性好等优点而被不断开发利用。为了提高CCD一维尺度无接触测量系统的精度和集成度，本文设计了以FPGA器件为核心的测量系统。实验室原有的测量系统是基于CPLD+单片机的，该测量系统电路较复杂，而FPGA一块芯片就能完成原有系统的功能。本系统使用CCD将光强信号转换成模拟电信号后，通过模数转换器转换成数字信号，并存放在FPGA内嵌的FIFO中进行缓存，最后通过串口上传至上位机显示出来。使用VerilogHDL语言在QuartusII软件中编写CCD驱动时序、AD工作时序和FIFO的控制时序，并在SignalTap

4、II逻辑分析仪中对编写的时序进行仿真。本文选用的线阵CCD为东芝公司生产的TCD1209D，具有动态范围大、暗信号电压小、总传输效率高以及灵敏度高等特点，非常适合一维尺度测量。用于模数转换器的器件型号为AD9945，它适合用于对CCD输出的模拟信号进行完整处理。本系统对精度要求较高，因为CCD输出信号本身就较小，饱和输出电压为2V，所以噪声的抑制显得尤为重要，本文对噪声进行了特别的处理。电源噪声通过EMI滤波器和LC-π型低通滤波器来进行滤波，CCD噪声通过低通滤波器和相关双采样处理进行滤波。同时电路板在布局布线的时候，也要考虑到噪声抑制的问题。

5、本系统使用的上位机软件中含有信号处理的功能，采用傅立叶变化，将时域上分布的信号转换成频域上的分布，并对频率成分进行低通滤波。电路板调试成功后，我们需要对系统的性能和精度进行测试。搭建单缝衍射实验光路，对衍射光强进行分析。本文给出了具体的数据和误差分析，并对实验方法提出了改进方案。通过实验表明：本系统稳定，精度达到0.71%，基本达到实验设计目的。关键词：线阵CCD，FPGA，测量系统，单缝衍射I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWiththecontinuousimprovementofCCD’sperformance,themeasu

6、ringsystemwithfastsampling,storage,processingandtransmissionhasbecomethenewtrendofthedevelopmentofCCD’sdataacquisition.Itsapplicationrangeisverywide,involvedinaerospace,broadcastvideo,industrialvision,measurement,andmanyotherfields.LinearCCDhashighsensitivity,widespectralresp

7、onse,largemeasuringrange,aswellasgoodlinearity.Soitshowsuniqueadvantagesinthefieldofonedimensionalscalemeasurement.InordertoimprovetheprecisionandintegrationoftheCCD’snon-contact measurementsystemofonedimension,thispaperdesignsasystemwiththeFPGA. Laboratoryoriginalmeasurement

8、systemwasbasedonCPLDandMCU,the measurementsystemcircuitwascomplex.Th