线性CCD光谱仪系统的设计

摘要

电荷耦合器件(CCD)自产生以来的40多年里，其应用价值与日俱增，已经深入到传统摄像、光谱分析仪以及航空航天探测等领域。CCD一个很重要的应用就是运用在光谱分析仪器中，光谱分析仪器属于光学仪器的一种，它可以测量光辐射的强度、频率以及光谱的变化规律。随着科学技术的进步，光谱仪技术也取得了很大的发展。现代光谱仪朝着小型化，自动化，智能化，高精度和快速检测的方向发展，低廉的价格使得它得到了越来越广泛的应用于社会生产、生物医学、质谱分析、教学实验、环境监测、地质勘探等领域。
　　近年来，国内外都对光谱仪的研制做了大量的工作，国内光谱仪与国外的相比还存在一定的差距;国内光谱仪通用性差、信噪比低、精度不高、体积庞大、成本高昂，尤其在精确测量领域，对同步延时的精度非常高，要求在ns级别。如果精度不够高，就会导致测量不准确，得不到有效数据。这一系列问题都制约了其在科学实验和精确测量领域中的应用，为了提高光谱仪的测量精度和实现微型设计，分别使用FPGA和STM32单片机作为控制器实现光谱仪设计。
　　由于FPGA并行处理的特点，可以实现很高的延时精度和数据处理速度，这种方案的特点是灵活性强、延时精度高、实时显示。但FPGA工作需要基本的配置电路和外围芯片，使得电路板的尺寸不能做到微型化，成本相对较高。
　　STM32单片机内部集成了ADC、USB、定时器等功能，能够实现采集传输的要求，满足了微型化的设计目的。这种方案具有成本低、使用灵活、结构简单、体积小但由于单片机的串行处理和时钟的限制，同步延时控制精度不能做的太高。
　　驱动电路是CCD光谱仪设计中的关键点，驱动电路信号处理的流程如下，从CCD得到的电信号经过前端处理到达主控板，在主控板上进行ADC转换，把模拟信号转换成数字信号，数字信号可以通过通用接口传到上位机，考虑到如今USB接口的通用性，本文主要采用USB2.0接口作为数据上传接口。在Windows7系统Visual Studio2010环境下利用C语言和C++混合编程，再结合Teechart和MFC，开发了上位机控制界面，对下位机数据进行接收和处理。经过测试，线性CCD光谱仪系统的设计达到了预期的目标，部分参数领先同类产品。
　　本论文主要工作如下:
　　1.设计了基于FPGA和STM32的线性CCD光谱仪的硬件电路。
　　2.完成FPGA逻辑以及STM32程序的编写。
　　3.完成了上位机采集软件的编写。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究的背景

1．2 CCD光谱仪

1．2．1 光学系统

1．2．2 CCD简介

1．2．3 驱动电路

1．3 论文的主要工作

1．4 论文的结构

1．5 本章总结

第二章 基于FPGA的线性CCD光谱仪的设计

2．1 整体设计

2．2 驱动电路设计

2．2．1 前端板设计

2．2．2 ADC部分

2．2．3 FPGA及其配置电路

2．2．4 甄别器和USB

2．3 FPGA逻辑设计

2．3．1 同步延时触发

2．3．2 USB通信逻辑

2．3．3 CCD驱动时序

3．3．4 ADC采集驱动

2．4 测试结果

2．5 本章小结

第三章 基于STM32的线阵CCD光谱仪的设计

3．1 STM32简介

3．2 整体设计

3．3 驱动电路设计

3．3．1 前端板设计

3．3．2 STM32主控板设计

3．4 单片机程序设计

3．4．1 ADC和DMA

3．4．2 CCD驱动时序

3．4．3 USB通信程序

3．5 测试结果

3．6 本章小结

第四章 上位机数据采集软件设计

4．1 C++和MFC的系统数据采集软件的设计

4．2 C++编写的MFC界面

4．2．1 CCD数据采集软件设计

4．2．2 多任务设计

4．2．3 用户界面设计

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果