關(guān)鍵詞： 微型光譜儀 FPGA CMOS 可見(jiàn)光及近紅外

　　熊顯名1,2，劉國(guó)棟1,2

　　（1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

       摘要：研制了一款基于FPGA的可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀，介紹了其研究方案及實(shí)現(xiàn)功能。該微型光譜儀采用濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器，波長(zhǎng)探測(cè)范圍340 nm～1 050 nm，光譜分辨率約10 nm;功耗低于600 mW，可USB直接供電，通過(guò)USB2.0與PC及手機(jī)通信，積分時(shí)間5 ms，掃描次數(shù)、積分時(shí)間可調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明，該微型光譜儀輸出光譜波形穩(wěn)定，工作可靠，響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)等方面。

　　關(guān)鍵詞：微型光譜儀；FPGA；CMOS；可見(jiàn)光及近紅外

0引言

　　光譜儀是分析物質(zhì)組成的重要儀器，傳統(tǒng)光譜儀具有較高精度，但是其體積大，價(jià)格高昂，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面存在便攜性差、普及困難等問(wèn)題。隨著微型光機(jī)電系統(tǒng)和寬波段探測(cè)器的發(fā)展，微型光譜儀得到了長(zhǎng)足的發(fā)展［1］，近年來(lái)商用微型光譜儀層出不窮，通過(guò)選配不同的探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)寬波段、高精度的光譜測(cè)量［2］。微型光譜儀集成度高、功耗低、靈活方便、性?xún)r(jià)比高，在性能上能滿(mǎn)足一定的要求［3］，使得其得到了廣泛的重視。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　本微型光譜儀主要由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)與采集、通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，USB)通信等模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源照到被測(cè)物體，在其表面和淺層發(fā)生漫反射，帶有內(nèi)部信息的反射或者透射光為圖像傳感器所接收［4］，傳送至現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)，經(jīng)過(guò)平滑處理，再通過(guò)USB上傳至電腦或者手持設(shè)備進(jìn)行顯示或作進(jìn)一步處理［58］。

　　1.1圖像傳感器

　　設(shè)計(jì)中采用日本濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器。MS系列包括C10822MA01（340 nm～750 nm）和C11708MA（640 nm～1 050 nm）兩款，涵蓋了可見(jiàn)光和近紅外的探測(cè)范圍。MS系列圖像傳感器包含256個(gè)像素點(diǎn)，狹縫尺寸75 μm×750 μm，像元尺寸12.5 μm×1 000 μm，其光學(xué)結(jié)構(gòu)為一凸面閃耀光柵，光線(xiàn)經(jīng)狹縫入射，經(jīng)過(guò)凸面閃耀光柵分光［9］，反射至CMOS傳感器上,如圖2所示。其結(jié)構(gòu)緊湊，外觀(guān)小巧，重量?jī)H9 g，功耗低，僅有30 mW，在與手持設(shè)備連接時(shí)，低功耗有著更大的優(yōu)勢(shì)。

　　1.2硬件電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的硬件電路主要包括前端信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA最小系統(tǒng)以及USB通信電路［7］。

　　CMOS圖像傳感器輸出的光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)多級(jí)緩沖放大濾波后再輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中采用了三級(jí)緩沖放大電路：第一級(jí)跟隨，第二級(jí)緩沖、濾波，第三級(jí)放大、濾波，如圖3所示。

　　CMOS圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)頻率為200 kHz,最大輸出電壓為2.76 V，經(jīng)過(guò)放大濾波，輸出電壓最大可達(dá)5 V，信噪比明顯提高，如圖4所示。

　　設(shè)計(jì)中采用AD7671作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD7671是16位的逐次逼近型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大積分非線(xiàn)性誤差±2.5 LSB (±190 μV)，采樣速率最高達(dá)1 MS/s，精度高，速度快，滿(mǎn)足應(yīng)用要求。該ADC具有三種工作模式：Warp、正常和脈沖模式。本系統(tǒng)中采用正常模式，轉(zhuǎn)換速率為800 kS/s。ADC配置為主機(jī)模式，在轉(zhuǎn)換期間輸出前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，電路連接圖如圖5所示。　

　　設(shè)計(jì)中的主控芯片采用的是ALTERA公司的EP2C5T144C8N，其邏輯資源豐富，配置靈活，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求［10］。USB通信采用Cypress公司的CY7C68013，其由集成了USB2.0收發(fā)器的增強(qiáng)型8051微控制器組成。在設(shè)計(jì)中將CY7C68013配置為Slave FIFO模式。USB在此模式下，CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸，直接由內(nèi)部端點(diǎn)進(jìn)行傳輸，由外部控制器來(lái)對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。FPGA與各模塊之間的連接示意圖如圖6所示。

　　FPGA最小系統(tǒng)及USB通信電路均按照芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)，最后繪制并制作PCB板。4層PCB板尺寸為45 mm×84 mm。

　　1.3程序設(shè)計(jì)

　　FPGA負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和傳輸，程序采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，采用自上而下的設(shè)計(jì)思路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)［1112］，最終整合。系統(tǒng)主要分為3個(gè)子模塊［13］： COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、AD數(shù)據(jù)緩存模塊以及USB讀寫(xiě)控制模塊。COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)翻譯指令并控制Sensor的工作狀態(tài)；AD緩存模塊負(fù)責(zé)接收光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行平滑濾波處理，然后分時(shí)發(fā)送到USB讀寫(xiě)模塊；USB讀寫(xiě)控制模塊負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，獲取USB的狀態(tài)并建立通信［1415］。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖如圖7所示。

　　CMOS圖像傳感器的正常使用需要施以正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，設(shè)計(jì)中由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序，驅(qū)動(dòng)時(shí)序須嚴(yán)格按照?qǐng)D像傳感器的時(shí)序來(lái)設(shè)計(jì)，MS系列圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為800 kHz，輸出頻率200 kHz，輸出完成會(huì)給出EOS信號(hào)，ST信號(hào)控制傳感器的工作狀態(tài)。編寫(xiě)好驅(qū)動(dòng)程序后聯(lián)合ModelSim仿真，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)時(shí)序符合設(shè)計(jì)要求。

　　圖像傳感器在ST信號(hào)到來(lái)后開(kāi)始工作，輸出光譜數(shù)據(jù)，在程序中控制ST信號(hào)的觸發(fā)次數(shù)和觸發(fā)周期就能實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描次數(shù)和積分時(shí)間的控制［16］。光譜模擬量輸出后，經(jīng)過(guò)緩沖放大，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，CNVST信號(hào)為AD轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，CNVST信號(hào)節(jié)拍須與傳感器輸出頻率一致，并且在波形建立穩(wěn)定后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)CNVST信號(hào)到來(lái)后，ADC開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在此期間，輸出前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)BUSY信號(hào)到來(lái)時(shí)，F(xiàn)PGA開(kāi)始以SCLK為時(shí)鐘讀取串行數(shù)據(jù)，高位在前，存于寄存器中，然后平滑濾波處理，最后告知USB讀寫(xiě)模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，USB將數(shù)據(jù)輸出至上位機(jī)［1718］。

　　USB讀寫(xiě)模塊監(jiān)視CY7C68013的狀態(tài)，F(xiàn)LAGA為EP2的空標(biāo)識(shí)，F(xiàn)LAGC為EP6的滿(mǎn)標(biāo)識(shí)，當(dāng)EP2為空時(shí)，F(xiàn)PGA不再讀FIFO，當(dāng)EP6為滿(mǎn)時(shí)，F(xiàn)PGA不再寫(xiě)入FIFO。USB與FPGA的連接如圖8所示。

　　固件程序是CY7C68013能正常運(yùn)行的核心，Cypress公司提供了固件程序框架，包括fw.c、periph.c、dscr.a51、USBJmptb.OBJ、Ezusb.lib五個(gè)部分，在本設(shè)計(jì)中主要對(duì)periph.c進(jìn)行了修改，使能EP2和EP6兩個(gè)端點(diǎn)，設(shè)置EP2端點(diǎn)為OUT，緩存區(qū)大小為512 B，2倍緩存，EP6端點(diǎn)為IN，緩存區(qū)大小為512 B，4倍緩存。端點(diǎn)均為塊傳輸，自動(dòng)提交包方式［1920］。

2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)首先處于待機(jī)狀態(tài)，Sensor沒(méi)有工作，等待上位機(jī)發(fā)送指令。指令碼為16位二進(jìn)制數(shù)，包含積分時(shí)間、掃描次數(shù)、默認(rèn)/用戶(hù)選擇位三個(gè)信息，F(xiàn)PGA收到上位機(jī)發(fā)送的指令碼之后進(jìn)行判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，Sensor工作，數(shù)據(jù)上傳。

　　上位機(jī)連接成功后將會(huì)進(jìn)入模式選擇窗口，默認(rèn)模式下積分時(shí)間為100 ms，發(fā)送次數(shù)為無(wú)限，系統(tǒng)將會(huì)一直工作，持續(xù)探測(cè)光譜。用戶(hù)模式下可以選擇積分時(shí)間和掃描次數(shù)，掃描次數(shù)最低可以選擇1次，步進(jìn)為1，用戶(hù)最多可以選擇100次，積分時(shí)間最低為5 ms，最高為100 ms，步進(jìn)為5 ms。用戶(hù)配置好參數(shù)之后，上位機(jī)將指令發(fā)送到系統(tǒng)，系統(tǒng)將按照設(shè)置的參數(shù)工作。

　　實(shí)驗(yàn)中用LED臺(tái)燈和532 nm激光分別照射探測(cè)頭，在上位機(jī)上可以觀(guān)察到光譜，如圖9所示。

3結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)采用以FPGA為核心的系統(tǒng)硬件平臺(tái)，結(jié)合MS系列CMOS圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光譜快速準(zhǔn)確的測(cè)量，通過(guò)USB2.0通信使光譜數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該微型光譜儀能夠準(zhǔn)確地測(cè)量光譜波長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性好；功耗低，可通過(guò)USB與手機(jī)直連，便攜性、實(shí)用性好；其結(jié)構(gòu)小巧，成本低廉，可以普及使用。

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