基于FPGA的微小型光谱仪器研制.pdf

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1、分类号学号M201072801学校代码10487密级硕士学位论文基于FPGA的微小型光谱仪器研制学位申请人：胡开付学科专业：光电信息工程指导教师：王双保副教授答辩日期：2013.1.21ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringTheDevelopmentofMicro-spectrumInstrumentBasedonTheFPGACandidate:HuKaifuMajor:OptoelectronicInforma

2、tionEngineeringSupervisor:Assoc.Prof.WangShuangbaoHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJanuary,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版

3、权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要光谱分析技术是运用光学、电子学及计算机科学对物质的结构及成分进行定性或定量分析的一门技术，在各个领域都有广泛应用。近年来

4、，在军工、科学研究、野外地质勘探、生物医学、环境监测等领域对光谱仪器的体积、重量、结构、性能等提出了越来越高的要求，微小型化是光谱仪器的发展方向。本文首先分析了光谱仪器的工作原理、组成结构及性能指标，选用非对称的车尔尼——特纳(Czerny-Turner)光路结构设计光学系统，确定了各光学元件的结构参数，并用ZEMAX进行了光路的模拟仿真，优化了光学结构及参数。然后提出了一套基于现场可编程门阵列(FPGA）的电荷耦合元件(CCD)光积分时间大范围实时自调节光谱数据采集系统的设计方案，光积分时间调节范围在10us以上，最小调节精度达0.25us。针对光谱测量的特

5、性需要，选用东芝公司的TCD1304AP线阵CCD探测器进行光电信号采集，其响应波长范围为200~1100nm；CCD输出的模拟信号经过预处理后，由12位模拟/数字(A/D)转换器ADS803E转换成数字信号，再通过“软”FIFO完成高低速率匹配转换后，经过高速的通用串行总线(USB)通信接口传给上位机。利用FPGA实现了主控软件、CCD驱动时序及A/D同步时钟、“软”FIFO和USB通信控制状态机等逻辑软件部分，使用Keil设计了CY7C68013的USB固件程序。最后搭建了一套光谱测量实验样机，并对其波长标定和光谱响应不均匀性校正进行了分析，利用自然光、L

6、ED进行了光谱实验测试分析，为微小型光谱仪器的产品化研发提供了实验验证基础。关键字：微小型光谱仪器车尔尼——特纳光学系统现场可编程门阵列电荷耦合元件通用串行总线I华中科技大学硕士学位论文AbstractThespectralanalysistechniqueisatechnologythatappliesoptics,electronicsandcomputersciencetomakequalitativeorquantitativeresearchingonthestructureandcompositionofvariousmaterials.While

7、,inrecentyears,thehigherdemandsforthespectrometer’svolume,weight,structure,performanceinthemilitary,scientificresearch,fieldgeologicalprospecting,biologicalmedicineandenvironmentalmonitoringhasincreased,asaconsequence,micro-miniaturizationisbecomingthetrendofthespectrometer.Thisthes

8、isanalysesthebasict