一種基於fpga和usb2.0協議接口的ccd光譜信號通用採集系統設計的製作方法

2023-05-29 02:18:16 1

專利名稱：一種基於fpga和usb2.0協議接口的ccd光譜信號通用採集系統設計的製作方法
技術領域：
本發明屬於CCD光譜信號採集及傳輸設計領域，涉及光學、現場可編程門陣列及USB2. 0協議接口的集成電路設計技術領域。
背景技術：
近年來以CCD晶片和光纖為基礎的微型光譜儀與拉曼光譜、LIBS光譜、螢光光譜等技術相結合，在環境、化工、農業等領域得到了廣泛的應用，為成分快速分析和生產過程的實時監控提供了很好的測量手段。基於CCD晶片的光譜儀不需要任何運動部件，可直接獲得完整的光譜譜圖，使得光譜儀器更為簡單。傳統的光譜信號採集技術一般都由國外把 持，而且都是針對特定波段或特定功能的CCD，不但造價較高，在通用性方面較差，本項發明即是解決這一問題，採用可編程方式設計了一套通用CCD光譜信號採集及傳輸系統，可編程方式提高了系統的靈活性，使其能按使用者的具體要求去靈活改變相應的控制信息等。基於FPGA和USB2. 0協議接口的CXD光譜信號通用採集系統與傳統採集系統相t匕，在大容量數據的實時傳輸、處理方面取得了更好的效果。發明中採用了可重構的現場可編程器件作為控制核心，FPGA與傳統的單片機等MCU處理器相比，結構靈活，有較強的通用性，適於模塊化設計，從而能夠提高算法效率，其硬體固有的並行性使得實時處理成為可能，滿足了高速光譜信號的大容量數據的實時傳輸、處理要求。同時採用了基於USB2.0協議的通用接口，系統只需一根USB數據線即可工作，即插即用，小巧便攜，能夠對被測光源進行高速、精密測量。通用C⑶光譜信號採集系統主要由光譜信號產生、數據採集單元兩大部分組成。由光學成像模塊和FPGA控制光譜信號的產生；USB配合FPGA進行邏輯控制，負責光譜信號的採集；上位機進行數據處理。從光譜信號的流向各功能模塊劃分如下(I)光學成像模塊。此部分包括分光系統和線陣C⑶探測器。分光系統採用了非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構，使用線陣CCD探測器產生待測的模擬光譜信號。光源首先經過分光系統按波長順序在空間分離為一系列「單一」波長的「單色光」投射到線陣C⑶上，並轉換成電信號，然後通過後續電路的處理。(2) CXD的時序驅動接口電路。主要包括CXD光電轉換模塊、信號調理模塊和A/D轉換模塊。CXD光電轉換模塊中採用FPGA編程產生CXD的時序驅動脈衝，具有很好的靈活性。信號調理部分用來濾波CCD穩定輸出之前的高頻脈衝和CCD的暗電流噪聲，採用二階壓控型有源低通濾波器，與無緣濾波方式相比具有更好的濾波效果和選擇性，其中低頻濾波截止頻率具體型號CCD傳感器輸出頻率值選擇。A/D模數轉換採用高速高精度的帶有相關雙採樣功能的並行A/D轉換器，實現模擬信號的數位化。(3) FPGA驅動及控制模塊。該模塊是整個採集系統的設計重點，關係到光譜信號能否實時、有效地進行採集。主要用來產生線陣CCD的驅動時序；控制A/D的採樣時序；片上配置FIFO緩存數據；產生USB接口通信時序。(4) USB2. 0協議接口。整個採集系統的數據傳輸通道，實現FPGA與上位機軟體之間的通信，主要包括上位機向通用採集系統發出的控制命令和通用採集系統將採集的數據傳輸到上位機。採用基於USB2. 0協議接口最大優勢便是高速的數據傳輸能力，USB2. 0高速協議支持480Mbit/s的總線速率。(5)預留IO 口。作為通用C⑶光譜信號採集及傳輸單元，為了實現同不同功能的CXD的互連，將FPGA剩餘IO 口全部引出並以接插件的形式與前端傳感器互連，以實現對不同傳感器驅動控制功能。發明中採用可編程的控制方式，在FPGA片內開闢各控制模塊，能靈活按照用戶需要與前端CXD圖像傳感器互連並可實現功能擴展。
發明內容
本發明的目的是設計一套通用的CCD光譜信號採集系統，功能是將待測光源的光譜信息通過CXD光電轉換後將其數位化、實時傳輸至上位機顯示及處理。特點是採用FPGA可編程方式，能靈活實現對多種CCD圖像傳感器的驅動控制及數據的處理和傳輸。同時採用USB2. 0協議的傳輸接口將採集數據傳送到上位機進行界面顯示及結果分析，充分發揮了 FPGA的並發處理特性可以實時傳送、處理大容量數據的功能，以及USB的即插即用、高速傳輸的獨特優勢。發明中，A/D轉換單元採用20MSPS處理速度，12bits精度的帶有CDS相關雙採樣的模數轉換器ADS804E，滿足絕大多數CCD圖像傳感器的速度及精度要求，CDS採樣方式進一步減小了傳感器輸出信號中的噪聲幹擾。用FPGA作為系統控制核心，軟、硬體均採用編程實現，設計非常靈活，便於系統的擴展和升級，在不改變外圍電路的情況下，設計不同的片內邏輯就能實現不同的電路功能。採用FPGA片上配置異步FIFO達到數據緩存和轉換時鐘域的雙重目的，不僅充分利用了 FPGA內部豐富的邏輯單元，節約成本，還可以簡化電路板級的設計，提高了系統穩定性和抗幹擾能力。比起傳統的計算機接口，採用USB接口作為數據傳輸的通道，減小了電路板的面積，充分發揮了通用串行總線具有的即插即用、易擴展的優點，使得通用CCD光譜信號採集系統更靈活、更高速。
四

圖I是本發明中通用CCD光譜信號採集系統整體功能結構圖；圖2是本發明中光學成像模塊結構圖；圖3是本發明中光學成像模塊中的ZMAX模擬圖；圖4是本發明中數據採集控制電路的結構圖；圖5是本發明中CXD時序驅動接口電路的硬體連接圖；圖6是本發明中FPGA內部各功能子模塊的連接圖；圖7是本發明中FPGA內部程序的工作流程圖；圖8是本發明中USB的Slave FIFO模式的程序狀態機；圖9是本發明中USB的Slave FIFO模式的FPGA程序仿真。
五、具體實現為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚，下面參照附圖，具體說明本發明的實現過程。圖I所示為通用CCD光譜信號採集系統整體功能結構圖，該系統包括如下模塊分光系統、CCD模塊電路、信號調理電路、AD轉換電路、FPGA驅動及控制電路、USB2. 0協議接口電路及上位機測控軟體七個部分。按照信號流向其功能描述如下所示光源首先經過分光系統按波長順序在空間分離為一系列「單一」波長的「單色光」投射到線陣CXD上，並轉換成電信號，然後通過後續電路的處理，將CXD上的「單色光」記錄、處理、顯示。系統上電後，上位機測控軟體通過USB設備向FPGA發送採集控制命令，USB設備按照該命令完成對FPGA數據採集參數的初始化設置。FPGA根據初始的採集參數產生與之對應的CCD驅動時序，CCD在該時序的嚴格控制下工作。CCD的輸出的模擬信號經過信號調理電路進行濾波、放大。調理後的濾波信號由A/D轉換電路CDS相關雙採樣進行模數轉換並輸出，A/D轉換電路由FPGA控制器對其採樣時序控制。轉換後的數據緩存在FPGA的 片上FIFO中，通過USB2. 0協議接口將數據從FIFO中讀出，然後傳輸到上位機進行數據分析和處理數據的傳輸主要分為上位機向下位機發出的控制命令和下位機將採集的數據傳輸到上位機各部分具體實現步驟如下(I)分光系統。分光系統米用了非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構,測量的主要構件有SMA905光纖接頭、狹縫、準直反射鏡A、閃耀光柵、聚焦反射鏡B和線陣CCD探測器。所測量的含有物質信息的光通過經耦合透鏡進入到芯徑為Imm的多模光纖中，出射端由連接在SMA光纖接頭上，在SMA905光纖接頭的出射埠放置一個狹縫，狹縫寬度根據光譜儀的解析度來確定。光束經狹縫後照射到準直反射鏡A準直成平行光束投射到閃耀光柵上，光柵將光束中不同頻率的成分衍射開來，由聚焦反射鏡將不同波長的光匯聚在CCD 晶片的不同位置。CCD晶片的每個像素探測到光信號，並將其轉換成相應的電壓信號，再由數據採集模塊採集處理和分析。ZEMAX軟體模擬300 800nm波段的本系統的光學分光模塊及光譜解析度，圖3a為光柵周期為6001ineS/mm，閃耀波長為300nm的光柵，狹縫寬度為25 um條件下，CCD光譜儀在300 800nm波段的光束分光，圖3b顯示波長699. 5nm和700nm在上述條件下光譜解析度清晰可辨。⑵CXD的時序驅動接口電路。圖4所示CXD光電轉換模塊中採用FPGA編程產生CCD的時序驅動脈衝。信號調理部分用來濾波CCD穩定輸出之前的高頻脈衝和CCD的暗電流噪聲，採用了選擇性及幅頻特性較好的二階壓控型有源低通濾波器，截止頻率可根據需要選擇不同的電容及電阻匹配實現。A/D模數轉換採用高速高精度的帶有相關雙採樣功能的並行A/D轉換器ADS804E，通過FPGA對其寄存器進行配置後可實現增益調整、暗電平箝位等。CDS兩次採樣時鐘及數據時鐘之間的相位關係由FPGA根據CCD圖像傳感器輸出信號特點進行嚴格匹配，確保採樣後得到噪聲最小的光譜信息。(3)FPGA核心控制器。由FPGA電源系統(由兩片AMS1084晶片分別產生穩定的3. 3V的IO電壓和I. 2V的內核電壓)、阻容復位電路、晶振電路(外接40MHz兩個有源晶振)、AS及JTAG下載電路及接口(AS下載配置晶片為EPCS，兩種下載模式滿足了調試及最終程序固化的需求)。(4)數據採集單元。主要有USB配合FPGA完成，圖5所示。FPGA作為邏輯控制核心，主要完成以下功能，如圖6所示①控制A/D採樣速率②片上FIFO配置及FIFO時序控制③通過USB接收上位機傳來的採集命令，同時向USB提供狀態和數據信息。USB作為數據傳輸接口，完成以下功能①接受上位機向FPGA發出的控制命令②向上位機傳輸下位機採集的C⑶光譜數據。從圖4中可以看出，上位機通過USB接口向FPGA發送採集控制命令，USB根據該指令完成CCD曝光時間參數Intergral_time的設置，FPGA根據此參數產生與之對應的CCD驅動時序，CCD在該時序的嚴格控制下工作。同時，FPGA產生A/D轉換的採樣脈衝ADCLK ；FIF0讀寫數據的時鐘及使能信號，USB從FIFO讀數據的脈衝信號。具體的操作過程當CCD光電轉換產生的模擬電壓信號傳輸到A/D的輸入埠時,A/D根據米樣脈衝對輸入的數據進行轉換；FIF0根據寫時鐘Wrclk和寫使能信號Wrreq將數據總線上的數據緩存起來，然後讀時鐘Rdclk和讀使能Rdreq有效情況下將數據輸出，並由USB接口晶片根據讀數據脈衝Slwr將FIFO輸出的數據送到USB總線上，由PC進行接收並對得到的數據進行分析和處理。圖9為整個系統的FPGA軟體工作流程圖。系統上電後，USB設備按照上位機的採集命令完成對FPGA數據採集參數的初始化設置，FPGA工作。具體操作過程CCD得到FPGA發出的驅動脈衝，開始光積分過程，同時FPGA判斷系統的積分時間如小於4ms，則CCD工作 於電子快門模式第一次採光後啟動AD數據轉換；積分時間大於4ms則CCD工作於非電子快門模式第二次採光好啟動AD數據轉換。AD轉換後的數據送到數據總線上，FPGA的FIFO根據時鐘和寫時能信號將數據總線上的數據緩存起來，然後讀信號時能情況下將數據輸出，並由USB接口晶片根據讀數據脈衝將FIFO輸出的數據送到USB總線上，由上位機進行接收，然後由上位機對得到的數據進行分析和處理，完成一次數據採集(5)USB2. 0傳輸接口模塊。USB2. 0協議接口模式有GPIF模式和SlaveFIFO兩種高速傳輸模式，其中SlaveFIFO最為通用。USB晶片的異步SlaveFIFO寫控制信號slwr由FPGA提供。當FIFO的讀使能rdeq有效，FIFO中的數據輸出到數據線上，此時FPGA向USB發送slwr信號。USB工作在異步Slave FIFO寫模式,在slwr的下降沿將數據線上的數據讀入到晶片內部的端點，當緩衝端點寫滿時,USB自動將端點中的數據打包上傳到PC主機。圖7為FPGA控制USB晶片的程序狀態機。狀態機描述如下狀態WO :系統復位時的初始狀態，此時rdeq = 0，slwr = I。如果FIFO不為空，SPfifo_empty = 0時，轉向狀態Wl，否則保持在狀態WO ；狀態Wl :此時 rdeq = I, slwr = I,轉向狀態 W2 ；狀態W2 :此時 rdeq = I, slwr = I,轉向狀態 W3 ；狀態W3 :此時 rdeq = 0, slwr = 1，轉向狀態 W4 ；狀態W4 :此時 rdeq = 0, slwr = 1，轉向狀態 W5 ；狀態W5 :此時rdeq = 0，slwr = I。如果USB寫使能有效，轉向狀態W6，否則保持在狀態W5 ；狀態W6 :此時rdeq = 0, slwr = O。如果USB端點緩衝區沒滿即usb_full = I,則轉向狀態W7，否則保持在狀態W6 ；狀態W7 :此時 rdeq = 0, slwr = 0,轉向狀態 W8 ；狀態W8 :此時 rdeq = 0, slwr = I。如果 FIFO 不為空，即 fifo_empty = 0 時則轉向狀態Wl，否則保持在狀態W8。
USB的異步Slave FIFO寫控制信號仿真如圖8所示。FPGA通過置FIF0ADR[1:0]=11，選擇端點進行Slave FIFO寫。為保證異步Slave FIFO寫控制信號slwr在上升沿採 集到穩定、正確的數據，slwr與FPGA內部FIFO讀使能rdeq信號相差3個時鐘周期。
權利要求
1.一種基於FPGA和USB2. O協議的接口的CXD光譜信號通用採集系統，按光譜信號流程可將系統功能描述如下首先待測光源經光纖引入分光系統按波長順序在空間分離為一系列「單一」波長的「單色光」投射到CXD上；通過FPGA預留的IO 口對CXD進行時序驅動及相關控制將光信號轉換成電信號；再次通過前端信號調理將模擬信號經相關雙採樣轉換成數位訊號緩存在FPGA片上配置的FIFO中；最後通過USB2. 0協議接口將FIFO中的緩存數據傳送到上位機進行後期的數據分析。
2.如權利要求I所述的對模擬光譜信號進行數位化的是CDS相關雙採樣模數轉換器，該模數轉換器為ADS804E，由FPGA對其進行內部寄存器配置及採樣時序控制，相比一般的A/D轉換器，該種具有CDS功能的ADC能對圖像傳感器中普通存在的復位電平噪聲進行很好的抑制。
3.如權利要求I所述採用了FPGA作為系統控制核心，軟、硬體均採用編程實現，設計非常靈活，便於系統的擴展和升級，在不改變外圍電路的情況下，設計不同的片內邏輯就能實現不同的電路功能。
4.如權利要求I所述採用了FPGA片上配置FIFO緩存數據和轉換時鐘域，不僅充分利用了 FPGA內部豐富的邏輯單元，節約成本，還可以簡化電路板級的設計，提高了系統穩定性和抗幹擾能力。
5.如權利要求I所述後端傳輸接口基於USB2.0協議思想。比起傳統的計算機接口，採用USB接口作為數據傳輸的通道，減小了電路板的面積，充分發揮了通用串行總線具有的即插即用、易擴展的優點，使得通用CCD光譜信號採集系統更靈活、更高速。
全文摘要
本發明屬於CCD光譜信號採集及傳輸設計領域，涉及光學、現成可編程門陣列及USB2.0協議接口的集成電路設計技術領域。本發明提出了一種基於FPGA和USB2.0協議的CCD光譜信號通用採集系統。整個系統主要由光譜信號產生、數據採集單元兩大部分組成。由光學成像模塊和FPGA控制光譜信號的產生；USB配合FPGA進行邏輯控制，負責光譜信號的採集，上位機進行數據的結果分析。為適應各種不同類型CCD傳感器的要求，預留了FPGA的IO口作為系統板與傳感器的接口，採用具有CDS相關雙採樣特性的A/D轉換器以抑制CCD傳感器的暗電流噪聲，採用FPGA片上配置異步FIFO進行大容量數據緩存和時鐘域轉換，最後在USB2.0協議接口下，將FIFO中的採集數據傳送到上位機進行界面顯示及結果分析。實現了實時傳送、處理大容量數據和硬體通用性的目的。
文檔編號G01J3/28GK102749137SQ20111010017
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月21日 優先權日2011年4月21日
發明者王偉蘭 申請人:王偉蘭