STM32与工业CCD光谱

1万 · 2019-10-25 14:38

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。

1万 · 2019-10-25 14:38

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Windows
7系统Visual Studio 2010环境下利用C语言和C什混合编程，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。

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光谱分析仪一个很重要的技术是光谱采集，该技术经历了长时间的发展，从
紫外分光光度计到目前便携式微型光纤光度计，在实现分光光度计传统功能的同
时，新型的分光光度计在测量微小物体的尺寸、薄膜厚度测量以及测量LED的
发光效率等方面也发挥了重要作用[[4]。这些新的应用得益于光谱采集技术的进步
以及相应的光电转换器件性能的提高。

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1万 · 2019-10-25 14:43

CCD光谱仪分析技术广泛运于各个领域，包括物理学，天文学，医学，化
学，教育，地质，测量等，其应用领域广泛，涵盖几乎所有领域。特别是在精确
测量和质谱分析领域，光谱仪发挥着重要作用。随着科研条件的改善和科技的进
步，微小型、便携型、高精度、智能型光谱仪成为了当今研究的热点，这也是光
谱仪器发展的一个趋势。无论什么类型的CCD光谱仪，一套完整的CCD光谱
仪系统包括光学系统、CCD、和驱动电路，接下来将详细介绍这三部分。

1万 · 2019-10-25 14:44

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获取单波长光在光谱分析和研究领域中有着重要的作用，除了利用单色光源
外，还有通过棱镜和色散。聚焦元件也能获得单色光谱，目前的扫描光栅单色仪
也可以获取连续的光谱辐射波长。

1万 · 2019-10-25 14:44

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一套基本的光学系统分为准直系统、色散系统、成像系统。准直系统由狭缝
和准直物镜组成，光源s照射到光栅D上，产生衍射，经过两级偏光镜，把光
信号集中在CCD探测器上，从而产生电荷信号。
一个典型的谱仪主要由光学系统、检测系统。主要包括以下几个方面:
1.入射狭缝:入射光通过狭缝，形成一个成像物点。
2.准直元件:通过入射狭缝的光是朝向各个方向的，准直原件就是将通过入射
狭缝的光变成平行光。
3.色散元件:将复合光按照波长分隔开来，典型的色散元件就是光栅。
4.聚焦元件:聚焦元件，顾名思义就是将色散之后分散的光汇聚，使其形成一
个一个的像，每个像对应不同的波长。
5.探测器阵列:用于探测像点的光强度，该阵列可以是CCD或其他光敏器件。
当复合光进入光谱仪系统的入射狭缝时，首先由准直元件把复合光线变成
平行光，再经过色散元件，把平行光中不同波长的光线分隔开来，再由聚焦元件
把同一波长的色散光汇聚到一块，就形成了我们所需要的光斑，在投射到光敏探
测器上，把光信号转换成我们所需要的信号。

1万 · 2019-10-25 14:47

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基于FPGA的线性CCD光谱仪，实现了高延时精度的设计要求。本章首先
介绍了光谱仪的整体设计，再详细说明了驱动电路设计，驱动电路各个模块的功
能和电路原理，最后是各个模块的使用以及CCD时序逻辑、ADC驱动逻辑和
USB通信逻辑的实现过程。

1万 · 2019-10-25 14:52

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整体框图如图3.1所示，分为四个部分，分别是光学系统、CCD前端板、STM32
主控板和上位机。混合光进入光学系统，先是通过一个狭缝，狭缝把混合光变成
各个方向的分散光束。分散光束照射在透镜上，把分散光变成平行光，平行光作
用在有倾斜角的光栅上，就把复合光分散成了各个颜色的光束，分散的光束照射
在CCD上，形成我们要的光信号。光学系统产生的光信号作用在CCD上，经
过前端板的处理，进入主控板。主控板通过三路定时器的PWM功能分别产生三
路驱动信号ICG, SH和M信号去驱动CCD。同时STM32的ADC开始采集来
自前端板的数据，STM32内部ADC是12位的，通过配置DMA模式，在采集
的过程中不占用CPU资源。当一帧数据采集完成后，USB把内存里面的数据打
包传到上位机，保存和显示。在软件实现的过程中，采用了定时器精确定时来开
启/关闭时序和ADC，这样，保证了每次采集到的数据是一帧完整的数据， USB
传输是基于USB2.0的传输协议，在STM32中，USB传输数据利用USB控制器，
USB控制器也是一个独立的模块，在工作的过程中不需要CPU的参与就能完成
传输功能。由于PWM和ADC都不占用CPU，所以，在采数期间，CPU可以随
时等待来自上位机的控制命令。由于利用STM32内置了USB, ADC、定时器和
串口等模块，所以外围电路简单，布板面积可以做的很小，大大节省了硬件成本
和布板面积，STM32光谱仪广泛运用于低成本设计领域。

1万 · 2019-10-25 14:56

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