基于FPGA的光谱仪数据采集系统的设计

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1、技术探讨lTECHNICALEXPLORATIONCHINAINSTRUMENTATION中阅儇凭佩表2009年第2期基于FPGA的光谱仪数据采集系统的设计DesignandRealizationofFPGA--basedSpectrometerDataCollectingSystem1引言陈龙乔道鄂谷玉海孽i北京信息科技大学机电系统测控北京市重点实验i光谱仪是测量紫外、可见、近红外和红外波段光室(北京100192)强度的一种光学仪器，光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成分的浓度检测或电磁辐射分摘要：v；LFPGA芯片xC3S250E作为采

2、集系统的控制i析等。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元核心设计高速数据采集系统。系统以计算机作件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。为控制台，重点提出了系统的硬件设计和软件i随着微电子领域中的多像元光学探测器迅猛发设计。实验表明，采用FPGA芯片作为控制器件i展，在光谱仪中使用CCD作为扫描器件成为可能，大大提高了数据采集的精度和速度，很好地CCD可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。满足了可重复测量的要求。i但在扫描的过程中有一个关键的问题需要解决，即如关键词：FPGACCD数据采集FIFO何对扫描结果的大量数据进行传输和处理。现场可编

3、程门阵~IJ(FPGA)是近十几年出现的一种新型可编程Abstract：Thispaperdesignahighspeeddata逻辑器件。FPGA既集成了门阵列逻辑器件密度高和acquisitionsystemwhichusetheXC3S250E(FPGA通用性强的优点，又具备可编程逻辑器件的可编程特chip)asthecontrolcenter．Thecomputerwasdesigned性。FPGA最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，asthecontrolsideofthesystem，andmainlyintroduce适于模块化设计，从

4、而能够提高算法效率；同时其开thehardwaredesignedandsoftwaredesignedof发周期较短，系统易于维护，适合于大容量数据的实system．ExperimentshowsthatusingFPGAchip时处理，可以很好地解决这个问题。本文采用FPGA为ascontrollerhasgreatlyimprovedtheaccuracyandCCD提供驱动时序脉冲，同时采用USB接口芯片将数speedfordatagathering，andmettherepeatabilityof据实时地传输到计算机进行处理。measurem

5、ent．2光谱仪数据采集系统结构Keywords：FPGACCDSpectrumsignalcollectingFIFO系统主要包括：FPGA控制模块、CCD数据采集模块、A／D转换模块和USB接口模块，通过USB总线与上位机进行连接，上位机通过USB接口芯片控制系统的工作。系统结构框图如图1所示。入射光需要通过光栅分光后经过CCD扫描，才能北京市教育委员会科技发展计划面上项目进行分析。由于CCD输出的模拟信号比较微弱且带有(项目编号：KM200811232004)噪声，需要经过信号调理电路，才能进入A／D转换电70叶，阅便嚣儇表CHINAINSTRU

6、MENTATIONTECHNICALEXPLORATIONI技术探讨2009年第2期光CCD3．1TCD1304D及驱动时序电路设计n============时序FPGAn0产生USBTCD1304D是TOSIHBA生产的CCD器件，有效传电路接口PC像元数为3648，像元尺寸为8umX200um，内嵌驱动感器趣DCMFIF0———^芯片电路、采样保持电路，有电子快门功能，采用3V电源供电。图1光谱信号采集系统框图TCD1304D有两种工作模式：路进行数据转换，并将转换后的数据保存在FIFO中，(1)预扫描模式：在这种模式下，第1次预扫描通过USB接口

7、将数据从FIFO中读出，然后传输到上位得到的是非线性数据，不能使用：第2次扫描得到的机进行数据分析和处理。数据的传输主要分为：上位是线性数据，可以正常使用。它的优点是可以得到非机向下位机发出的控制命令和下位机将采集的数据传常稳定和线性的光谱，缺点是在信号中残留了少量的输给上位机。(<5％)的预扫描图像。预扫描模式不能用于需要快系统的实现过程为：由FPGA芯片接收上位机通速外触发和精确时间控制的测量中，因为这种扫描模过USB接口发送给下位机的命令，并根据此信号来判式总是在扫描开始后延迟一个积分时间才开始。断是否启动和停止数据采集，FPGA发出的命令包括(

8、2)清空缓存模式：在这种模式中，每次开始扫对CCD的驱动脉冲信号，A／D转换的采样脉冲，FIF