基于ARM的低噪声CCD测量系统设计

摘要

基于ARM的低噪声CCD测量系统是一种无接触式测量系统。本文在前人研究的基础上，对测量系统的噪声来源进行了深入的分析和研究，找出了影响测量系统精度和准确度的原因所在，进一步提出并实现了低噪声测量系统设计方案。在技术路线上，采用了微弱信号数据采集的基本思路和方法，结合理论分析和实验研究，在FPGA+ARM架构平台上，对低噪声CCD测量系统进行了设计和实现。主要的工作包括：
　　 1.设计硬件平台。本文采用FPGA+ARM的平台架构。根据系统要求，给出了硬件平台的详细设计方案，包括芯片选型、模块设计、接口设计，以及PCB的制作。详细设计时考虑了电路板的可测试和低噪声设计。
　　 2.在CCD测量系统中，系统驱动控制时序的协同设计是关键技术之一。根据系统的设计要求，本文的CCD选择了TOSHIBA公司的TCDl209D;相关双采样器件选择了ADI公司的AD9945；缓冲存储器选择了IDT公司的IDT7204；因此驱动控制时序主要包含三个部分，分别为CCD驱动脉冲、相关双采样时钟、IDT7204的读写控制脉冲。本文详细阐述了设计过程，给出了仿真波形和实测波形，实验和仿真有较好的一致性。
　　 3.以CCD的结构及工作原理为出发点，详细分析了输出信号所附各种噪声的产生原因，找出了主要噪声。为了抑制噪声，采取了多方面的噪声抑制措施，分别为低通滤波、相关双采样技术、PCB设计中低噪声地的设计。并着重设计了低噪声/纹波的线性电源，这些抑制措施有效的减小了系统噪声。文中给出了实测的电源纹波噪声结果，纹波/噪声在10mv左右，能够满足系统的设计要求。
　　 4.主控程序是测量系统的灵魂，各部分硬件电路在主控程序的控制下，协同工作，完成CCD信号的采集、转换、处理和传输。测量的主控程序在Keil环境下开发，文中给出了各功能模块和处理流程。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2 CCD测量系统的国内外应用现状

1.2.1国外现状

1.2.2国内现状

1.2.3线阵CCD测量系统的发展趋势

1.3本课题的主要研究内容

2 CCD及相关双采样理论

2.1 CCD原理及分类

2.1.1 CCD基本工作原理

2.1.2 CCD的基本特性参数

2.1.3 CCD的分类

2.2 CCD噪声及处理方法

2.2.1 CCD噪声分类

2.2.2 CCD噪声处理

2.3相关双采样理论

2.3.1相关双采样的数学基础

2.3.2相关双采样(CDS)技术的基本原理分析

3噪声分析与系统整体设计

3.1系统噪声抑制分析

3.2测量系统结构分析

3.3测量系统总体设计方案

3.4测量系统主要模块及芯片选型

3.4.1 CCD选型

3.4.2时序驱动模块

3.4.3嵌入式控制处理单元

3.4.4噪声抑制模块

3.4.5缓冲存储模块

3.4.6线性电源模块

4基于ARM的低噪声CCD测量系统详细设计

4.1 时序驱动及CCD驱动模块设计及时序仿真

4.1.1时序驱动模块整体规划

4.1.2 TCD1209D的时序产生及仿真

4.2前置放大电路设计

4.3低通滤波电路设计

4.4相关双采样及模数转换电路设计

4.5 ARM控制处理模块设计

4.5.1 LPC2148最小系统设计

4.5.2 ARM与PC机通信接口设计

4.6缓冲存储器模块电路设计

4.6.1 IDT7204工作原理及工作时序

4.6.2 12位宽缓冲存储器设计

4.7各功能模块接口设计

4.8线性电源设计

4.9测量系统固件程序设计

4.9.1流程式固件程序设计

4.9.2固件程序操作系统移植和实时改造

5系统实现与调试

5.1系统实现

5.2电源的调试

5.3实验平台搭建

5.4关键信号调试

5.4.1 CCD驱动信号

5.4.2相关双采样信号

5.4.3 FIFO时钟信号

5.4.4 CCD输出波形

5.5系统整体调试

6全文总结

致 谢

参考文献

附 录