基于FPGA的可見光及近紅外微型光譜儀研制

關(guān)鍵詞： 微型光譜儀 FPGA CMOS 可見光及近紅外

　　熊顯名1,2，劉國棟1,2

　?。?.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西高校光電信息處理重點實驗室，廣西 桂林 541004）

       摘要：研制了一款基于FPGA的可見光及近紅外微型光譜儀，介紹了其研究方案及實現(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，波長探測范圍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USB2.0與PC及手機(jī)通信，積分時間5 ms，掃描次數(shù)、積分時間可調(diào)。實驗表明，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)品無損檢測等方面。

　　關(guān)鍵詞：微型光譜儀；FPGA；CMOS；可見光及近紅外

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，價格高昂，在現(xiàn)場應(yīng)用等方面存在便攜性差、普及困難等問題。隨著微型光機(jī)電系統(tǒng)和寬波段探測器的發(fā)展，微型光譜儀得到了長足的發(fā)展［1］，近年來商用微型光譜儀層出不窮，通過選配不同的探測器，可以實現(xiàn)寬波段、高精度的光譜測量［2］。微型光譜儀集成度高、功耗低、靈活方便、性價比高，在性能上能滿足一定的要求［3］，使得其得到了廣泛的重視。

1系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

　　本微型光譜儀主要由互補金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器、驅(qū)動與采集、通用串行總線(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)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)，經(jīng)過平滑處理，再通過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，涵蓋了可見光和近紅外的探測范圍。MS系列圖像傳感器包含256個像素點，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，光線經(jīng)狹縫入射，經(jīng)過凸面閃耀光柵分光［9］，反射至CMOS傳感器上,如圖2所示。其結(jié)構(gòu)緊湊，外觀小巧，重量僅9 g，功耗低，僅有30 mW，在與手持設(shè)備連接時，低功耗有著更大的優(yōu)勢。

　　1.2硬件電路設(shè)計

　　本設(shè)計中的硬件電路主要包括前端信號處理電路、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)過多級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)計中采用了三級緩沖放大電路：第一級跟隨，第二級緩沖、濾波，第三級放大、濾波，如圖3所示。

　　CMOS圖像傳感器輸出的模擬信號頻率為200 kHz,最大輸出電壓為2.76 V，經(jīng)過放大濾波，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?！?/p>

　　設(shè)計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，滿足設(shè)計需求［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)部端點進(jìn)行傳輸，由外部控制器來對端點進(jìn)行讀寫操作。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設(shè)計，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

　　FPGA負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和傳輸，程序采用Verilog HDL語言編寫，采用自上而下的設(shè)計思路，對整個系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計［1112］，最終整合。系統(tǒng)主要分為3個子模塊［13］： COMS圖像傳感器驅(qū)動模塊、AD數(shù)據(jù)緩存模塊以及USB讀寫控制模塊。COMS圖像傳感器驅(qū)動模塊負(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，然后分時發(fā)送到USB讀寫模塊；USB讀寫控制模塊負(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)動時序，設(shè)計中由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動時序，驅(qū)動時序須嚴(yán)格按照圖像傳感器的時序來設(shè)計，MS系列圖像傳感器驅(qū)動時鐘為800 kHz，輸出頻率200 kHz，輸出完成會給出EOS信號，ST信號控制傳感器的工作狀態(tài)。編寫好驅(qū)動程序后聯(lián)合ModelSim仿真，結(jié)果表明驅(qū)動時序符合設(shè)計要求。

　　圖像傳感器在ST信號到來后開始工作，輸出光譜數(shù)據(jù)，在程序中控制ST信號的觸發(fā)次數(shù)和觸發(fā)周期就能實現(xiàn)對掃描次數(shù)和積分時間的控制［16］。光譜模擬量輸出后，經(jīng)過緩沖放大，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，CNVST信號為AD轉(zhuǎn)換使能信號，CNVST信號節(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信號到來后，ADC開始轉(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信號到來時，F(xiàn)PGA開始以SCLK為時鐘讀取串行數(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讀寫模塊監(jiān)視CY7C68013的狀態(tài)，F(xiàn)LAGA為EP2的空標(biāo)識，F(xiàn)LAGC為EP6的滿標(biāo)識，當(dāng)EP2為空時，F(xiàn)PGA不再讀FIFO，當(dāng)EP6為滿時，F(xiàn)PGA不再寫入FIFO。USB與FPGA的連接如圖8所示。

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

2實驗驗證

　　開機(jī)后系統(tǒng)首先處于待機(jī)狀態(tài)，Sensor沒有工作，等待上位機(jī)發(fā)送指令。指令碼為16位二進(jìn)制數(shù)，包含積分時間、掃描次數(shù)、默認(rèn)/用戶選擇位三個信息，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)連接成功后將會進(jìn)入模式選擇窗口，默認(rèn)模式下積分時間為100 ms，發(fā)送次數(shù)為無限，系統(tǒng)將會一直工作，持續(xù)探測光譜。用戶模式下可以選擇積分時間和掃描次數(shù)，掃描次數(shù)最低可以選擇1次，步進(jìn)為1，用戶最多可以選擇100次，積分時間最低為5 ms，最高為100 ms，步進(jìn)為5 ms。用戶配置好參數(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。

　　實驗中用LED臺燈和532 nm激光分別照射探測頭，在上位機(jī)上可以觀察到光譜，如圖9所示。

3結(jié)論

　　本設(shè)計采用以FPGA為核心的系統(tǒng)硬件平臺，結(jié)合MS系列CMOS圖像傳感器，實現(xiàn)了對可見光和近紅外光譜快速準(zhǔn)確的測量，通過USB2.0通信使光譜數(shù)據(jù)能實時傳輸。實驗表明，該微型光譜儀能夠準(zhǔn)確地測量光譜波長，實時性好；功耗低，可通過USB與手機(jī)直連，便攜性、實用性好；其結(jié)構(gòu)小巧，成本低廉，可以普及使用。

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