《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的靜態(tài)實時光譜采集與處理系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第7期
張 麗
山西大同大學(xué) 物電學(xué)院, 山西 大同 037009
摘要: 為了實時獲取靜態(tài)邁克爾遜干涉儀得到的光譜信息,設(shè)計了基于FPGA的實時光譜采集分析系統(tǒng)。在Xilinx FPGA芯片上實現(xiàn)了干涉條紋到光譜數(shù)據(jù)的實時處理。在算法處理過程中,實現(xiàn)了干涉條紋濾波去噪、快速傅里葉變換、相位標(biāo)定、光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K化功能。實驗結(jié)果顯示,系統(tǒng)可以高速采集并實時處理光譜數(shù)據(jù)。
中圖分類號: V271.4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)07-0075-03
Real-time static spectrum collection and processing system based on FPGA
Zhang Li
School of Science and Electronics, University of Shanxi Datong, Datong 037009, China
Abstract: For real-time access to the spectrum information of static Michelson interferometer, designed real-time spectrum acquisition and analysis system based on FPGA. The system achieved real-time processing of the spectrum data from interference pattern by hardware language Verilog HDL on the chip of Xilinx FPGA. In the algorithm process, the system achieved the interference fringes denoising filter, fast Fourier transform, phase calibration, spectral data such as modular functions. The results show that the system can handle high-speed acquisition and real-time spectral data.
Key words : spectral detection; static Michelson interferometer; FPGA; Verilog HDL

    靜態(tài)邁克爾遜干涉儀是在傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種空間調(diào)制型光譜獲取裝置,將傳統(tǒng)動鏡采用一個傾斜很小角度的靜鏡代替,從而產(chǎn)生聯(lián)系變化的光程差,最終獲得待測光源的光譜信息。由于其沒有機(jī)械移動或掃描結(jié)構(gòu),所以結(jié)構(gòu)簡單緊湊,同時具有良好的穩(wěn)定性、抗震動和抗干擾能力,這為其應(yīng)用在更廣泛的生產(chǎn)生活領(lǐng)域提供了有利條件[1-2]。與此相似的靜態(tài)型光譜儀還有靜態(tài)傅里葉變換光譜儀[3]、沃拉斯頓分光光譜儀[4]、靜態(tài)Sagnac三角光譜儀[5]、光柵光譜儀[6]等。無論哪種靜態(tài)光譜儀都需要一個能夠?qū)崟r采集干涉條紋并且實時處理分析,得到光譜數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng),否則將喪失靜態(tài)光譜儀的一大優(yōu)勢——實時性。如果想實現(xiàn)實時處理的功能,要求在采集數(shù)據(jù)及處理分析算法都相應(yīng)提高,這也是本文的主要研究內(nèi)容。

    FPGA(Field Programmable Gate Array)為現(xiàn)場可編程門陣列器件[7],是在GAL、PAL、CPLD等可編程芯片的基礎(chǔ)上更集成化的產(chǎn)物。由于其本身就是硬件,所以具有數(shù)據(jù)處理快、靈活性高、集成度好等優(yōu)點[8]。它克服了定制電路的缺點,又解決了原有可編程器件的門電路數(shù)有限的問題,從而被廣泛地應(yīng)用在數(shù)字信號處理領(lǐng)域。          目前,對于靜態(tài)干涉條紋的采集及處理,主要有三種處理手段: (1)干涉條紋灰度數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳遞給PC機(jī)[9],采用MATLAB、LabVIEW等分析軟件實現(xiàn)對干涉條紋的光譜分析; (2)采用定制的專用FFT芯片[10],再從CCD等光電器件輸出后直接進(jìn)入FFT芯片完成數(shù)據(jù)處理;(3)采用可編程數(shù)字器件,如DSP、FPGA等,通過編程實現(xiàn)采集干涉條紋及FFT等算法的數(shù)據(jù)處理[11]。三種方法各有特點,方法(1)使用簡單、在PC機(jī)上實現(xiàn)的功能全,但不能脫機(jī)工作、系統(tǒng)復(fù)雜,便攜性差;方法(2)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、實時性好,但靈活性差、可移植性差,并且對于大點數(shù)的FFT不適合采用此法;方法(3)從靈活度、結(jié)構(gòu)性能、可移植性等方面看都相當(dāng)適中,是目前應(yīng)用開發(fā)較多的一種形式。針對本系統(tǒng)研究內(nèi)容要求較高的實時性,選用硬件編程器件FPGA作為數(shù)字信號處理芯片,可以實現(xiàn)更高速、更靈活的系統(tǒng)性能。
1 靜態(tài)邁克爾遜干涉儀的原理及結(jié)構(gòu)
    靜態(tài)邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。靜態(tài)邁克爾遜干涉系統(tǒng)是在傳統(tǒng)邁克爾遜干涉系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,將原有動鏡變?yōu)閮A斜一定角度的固定反射鏡,如圖中反射鏡1所示。當(dāng)光線1入射系統(tǒng)后,由分束鏡分為兩束光,一部分由反射鏡1反射回柱面鏡,這束光由于反射鏡1存在一定的夾角而非原路返回,其會與光線2經(jīng)反射鏡2反射的光線發(fā)生相干,形成干涉條紋。其他光線也以此類推,與其他光線發(fā)生干涉,最終在整個柱面鏡上形成靜態(tài)干涉條紋,再由柱面鏡匯聚到CCD上,采集得到干涉條紋的灰度數(shù)據(jù)。CCD采集的數(shù)據(jù)傳入FPGA中,在硬件FPGA芯片中完成干涉條紋的濾波、去噪,再通過FFT算法將干涉條紋中的頻譜信息提取出來,最終顯示出其結(jié)果。

    在實際情況中,干涉條紋通過引入修正因子,可將光源強(qiáng)度表示為:

2 FPGA處理系統(tǒng)
2.1 總體設(shè)計

    對于傅里葉變換的光譜獲取需要進(jìn)行實時處理,即當(dāng)?shù)玫焦庠锤缮鏃l紋的信號后,處理系統(tǒng)需要在處理當(dāng)前數(shù)據(jù)時同時接收下一幀的干涉條紋數(shù)據(jù),這就需要系統(tǒng)具備高速的數(shù)據(jù)處理能力??删幊踢壿嬈骷﨔PGA具有高速并行處理能力,可完成系統(tǒng)實時采集及處理的要求。干涉條紋的灰度數(shù)據(jù)由CCD探測器采集傳入FPGA芯片中,在芯片中完成濾波去噪、快速傅里葉變換、相位校正及標(biāo)定等算法。系統(tǒng)采用AViiVA M1型線陣CCD探測器,包括1 024個像元,8/10 bit數(shù)字輸出,可探測波長范圍為400~1 100 nm。設(shè)計了實時光譜采集及片上處理的系統(tǒng),其原理圖如圖2所示。

  模塊一為干涉條紋的采集部分,由驅(qū)動控制對AViiVA M1型線陣CCD探測器進(jìn)行時鐘脈沖的提供和控制。當(dāng)系統(tǒng)開始運行時,其提供起始控制信號(st)、時鐘信號(clk)、觸發(fā)信號(trgi及trgd)等。模擬輸出信號可通過示波器觀察采集得到的靜態(tài)干涉條紋,數(shù)字化后傳給FPGA。模塊二為光譜分析處理模塊,為了使處理速度達(dá)到較高水平,設(shè)計了串并轉(zhuǎn)換方式,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入雙端口RAM緩存中,當(dāng)FPGA芯片控制數(shù)據(jù)并行讀取時,數(shù)據(jù)輸入FFT模塊并處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傅里葉變換。變換后的頻譜信息經(jīng)過預(yù)先編寫的相位校正和光譜標(biāo)定程序而獲得準(zhǔn)確的光譜分布。
2.2 切趾處理
    由于傅里葉變換過程是針對無限大數(shù)據(jù)的,但實際輸入的數(shù)據(jù)量是有限的,所以干涉圖樣的采樣就相當(dāng)于與一個矩形函數(shù)相乘,也就是頻域中光譜和矩形函數(shù)的SINC卷積。但由于這樣做會導(dǎo)致光譜的失真變形,所以通常采用加窗的處理方式,窗函數(shù)選取的好可以使光譜盡量少地泄露。
    在MATLAB仿真軟件中,通過對一組660 nm激光干涉條紋數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理,分別采用漢明窗、三角窗、加布萊克曼窗與不加窗的情況進(jìn)行對比,得到如圖3所示的頻譜相應(yīng)。
    切趾函數(shù)的選擇需要注意主瓣寬度盡量窄,旁瓣幅值盡量低。由圖可以看出,加三角窗中心處產(chǎn)生隔斷,而加布萊克曼窗時峰峰值受到抑制,相比之下,加漢明窗比較理想,所以本系統(tǒng)中采用漢明窗。窗體程序是先由MATLAB計算漢明窗的值并用二進(jìn)制補碼表示,然后在FPGA的某一個ROM存儲器中存放初始化的窗函數(shù)值,最后通過乘法器完成切趾功能。
2.3 FFT算法模塊

 


    FPGA設(shè)計過程中通常采用VHDL或Verilog HDL編寫硬件語言實現(xiàn)時序及邏輯電路。但當(dāng)輸入的數(shù)字信號相對復(fù)雜時,采用該種方法對編程帶來的難度也會加大,硬件工作效率會有所降低。所以在面對復(fù)雜問題時,通常采用IP核或者System Generator等算法軟件。本文采用IP核完成快速傅里葉變換,采用全精度不縮減及縮減定點算法完成1 024點干涉條紋數(shù)據(jù)的傅里葉變換。本系統(tǒng)采用基2算法結(jié)構(gòu),16 bit數(shù)據(jù)輸入與輸出,通過設(shè)置SCH值確定每級運算后的右移位數(shù)。基2算法在整個運算過程中只需采用一個蝶形單元,當(dāng)?shù)谝患墧?shù)據(jù)輸入運算模塊后,下一級的數(shù)據(jù)將被放入雙端口RAM中,采用乒乓緩存操作處理可以提高工作效率,同時,節(jié)約了FPGA的片上資源,實際只需3個硬件乘法器加3塊雙端口RAM即可實現(xiàn)高速運算,以50 MHz為例,進(jìn)行1 024點的快速傅里葉變換只需要100 μs左右。
3 實驗
    按以上要求搭建實驗平臺分別采用靜態(tài)邁克爾遜干涉儀、Atmel公司的AViiVA型12 bit深的線陣CCD探測器、Xilinx公司Virtex VP40型芯片,檢測光譜范圍為300~1 200 nm,采用1 024個單元作為采集單元,分辨率為10 bit,光源選擇FLDT3V10A-LD型660 nm紅光激光器。
    通過采集干涉條紋,經(jīng)濾波、去噪、快速傅里葉變換算法、相位校正、光譜標(biāo)定等程序功能后,實驗的5組數(shù)據(jù)如表1所示。對比光譜分析儀選用布魯克公司的Q2-ION型光譜儀。

    分析表1可知,采用本系統(tǒng)得到的光譜分布相比Q2-ION型光譜儀的精度略低一些,但其多次檢測產(chǎn)生的最大誤差也在3%以下,說明可以基本準(zhǔn)確地得到干涉條紋的頻譜信息。并且相比Q2-ION型光譜儀而言,由于是采用FPGA硬件編程實現(xiàn),所以在處理速度上要優(yōu)于該產(chǎn)品,整個系統(tǒng)周期小于1 s,適應(yīng)高速實時的處理系統(tǒng)。
    為了提高光譜分析儀器的速度,設(shè)計了一種基于FPGA硬件編程完成干涉條紋到光譜分布的處理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用濾波、去噪、切趾等處理干涉條紋信息,然后通過快速傅里葉變換完成時頻變換,再由相位校正及標(biāo)定最終輸出準(zhǔn)確的光譜信息。實驗采用靜態(tài)邁克爾遜干涉儀、660 nm半導(dǎo)體激光器、線陣CCD探測器等完成,與Q2-ION型光譜儀的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實驗結(jié)果顯示,誤差均在要求范圍內(nèi),同時,本系統(tǒng)還具備處理速度高、實時性好、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點。
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