本文關(guān)鍵詞：基于CCD的小型化光譜儀的設(shè)計(jì)與研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】： 光譜儀是一種重要的光學(xué)儀器,廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的光譜儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大,不能做多波長的同時檢測,在很多應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。光譜儀器的小型化是其發(fā)展的必然趨勢。 本文提出了一種基于CCD的小型化光譜儀的設(shè)計(jì)方案。該方案采用CCD作為光譜探測器,基于折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),有效地減小了儀器體積;針對該方案,用大容量的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)EP1C3T144C8實(shí)現(xiàn)了CCD驅(qū)動與信號采集系統(tǒng)。在FPGA上采用了SOPC技術(shù),集成了NiosII軟核CPU、UART、DMA等功能模塊,并使用可編程邏輯資源開發(fā)了CCD驅(qū)動電路、A/D采樣控制電路等模塊,實(shí)現(xiàn)了光譜儀的單芯片控制。完成了小型化光譜儀和計(jì)算機(jī)的串口通訊,并使用VB開發(fā)了光譜采集和分析軟件,實(shí)現(xiàn)光譜儀的波長定標(biāo)、光譜數(shù)據(jù)處理、譜線繪制等功能。最后,對本文的設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)證明:按照該方案設(shè)計(jì)小型化光譜儀能夠有效減小儀器體積,完成多波長的同時測量。 本論文主要做了以下工作: ①采用CCD器件、閃耀光柵和兩個凹面反射鏡設(shè)計(jì)了一個基于折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)的小型的色散系統(tǒng),通過對光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,確定各元件參數(shù)之間的關(guān)系,確定了小型光譜儀的基本參數(shù)。 ②采用大容量的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列EP1C3T144C8設(shè)計(jì)了一種新型的、集成度高的CCD驅(qū)動與信號采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)中CCD驅(qū)動脈沖時序、AD采樣控制時序、數(shù)據(jù)的采集與存儲等功能電路均由FPGA內(nèi)部的邏輯單元產(chǎn)生,測量結(jié)果通過串口傳送給計(jì)算機(jī)。 ③應(yīng)用高共模抑制比、高速運(yùn)算放大器AD8032,采用差分放大形式設(shè)計(jì)了CCD的視頻信號處理電路。 ④采用Visual Basic 6.0完成了光譜處理軟件設(shè)計(jì)。該軟件可以實(shí)現(xiàn)同下位機(jī)的通訊,同時能夠?qū)崿F(xiàn)光譜儀的波長定標(biāo)、光譜圖的顯示、保存、打印等功能。 本論文主要有以下幾個特點(diǎn): ①采用多通道檢測器CCD為光電接收元件,采用平面閃耀光柵作為色散元件,在400～800nm的可見光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速掃描。測量速度快,獲得一幅光譜圖的最快時間為5.12ms。 ②基于折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)能夠大大減小儀器體積,滿足儀器小型化設(shè)計(jì)要求。 ③在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集電路時采用了SOPC技術(shù),使用NiosII軟核CPU、UART、DMA等功能模塊,增加系統(tǒng)的集成度,有效地加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度,減小電路板面積。 ④在PC機(jī)和下位機(jī)之間通信時,提出一種針對串口通訊傳輸較大文件的協(xié)議。協(xié)議格式簡單,容易實(shí)現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】：光譜儀 CCD FPGA SOPC
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TH744.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 小型光譜儀的發(fā)展背景9-10
• 1.3 小型光譜儀的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀10-13
• 1.4 研究小型光譜儀的意義和必要性13-14
• 1.5 本論文的主要研究內(nèi)容14-15
• 2 光譜儀工作原理15-21
• 2.1 光譜儀的基本結(jié)構(gòu)15-16
• 2.2 反射式平面光柵色散原理16-18
• 2.2.1 色散原理16
• 2.2.2 角色散率和線色散率16-17
• 2.2.3 理論分辨率17
• 2.2.4 光譜級的重疊和自由光譜范圍17-18
• 2.3 閃耀光柵18-19
• 2.4 光柵的選擇19-21
• 3 基于CCD 的小型化光譜儀的設(shè)計(jì)21-33
• 3.1 CCD 應(yīng)用于光譜測量的理論分析[13]21
• 3.2 電荷藕合器件的基本工作原理及選擇方法21-27
• 3.2.1 電荷藕合器件的基本工作原理[14]21-24
• 3.2.2 CCD 的基本特性參數(shù)[15]24-25
• 3.2.3 本課題CCD 器件的選擇25-27
• 3.3 基于CCD 的小型化光譜儀設(shè)計(jì)方案27-33
• 3.3.1 儀器的整體設(shè)計(jì)27-28
• 3.3.2 照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)28-29
• 3.3.3 分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)29-33
• 4 基于CCD 的小型化光譜儀的電路設(shè)計(jì)33-59
• 4.1 SOPC 技術(shù)介紹33-38
• 4.1.1 基于SOPC 技術(shù)的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)33
• 4.1.2 IP 核33-34
• 4.1.3 NiosII CPU34-36
• 4.1.4 Avalon 總線36
• 4.1.5 SOPC 開發(fā)流程36-37
• 4.1.6 Cyclone 系列FPGA37-38
• 4.2 總體設(shè)計(jì)方案38-40
• 4.3 CCD 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)40-48
• 4.3.1 TCD1501D 芯片簡介40-41
• 4.3.2 TCD1501D 的基本結(jié)構(gòu)41
• 4.3.3 TCD1501D 的工作原理41-42
• 4.3.4 TCD1501D 驅(qū)動時序電路的設(shè)計(jì)42-46
• 4.3.5 CCD 視頻信號電路的設(shè)計(jì)46-48
• 4.4 A/D 采樣控制時序的產(chǎn)生48-53
• 4.4.1 TLC876C 芯片簡介48-49
• 4.4.2 TLC876 的工作原理49
• 4.4.3 TLC876 的應(yīng)用問題49-51
• 4.4.4 A/D 采樣時序的產(chǎn)生51-52
• 4.4.5 A/D 控制時序的產(chǎn)生52-53
• 4.5 數(shù)據(jù)采集與存儲53-54
• 4.6 其它硬件設(shè)計(jì)54-56
• 4.6.1 SOPC 平臺54-55
• 4.6.2 TTL-RS232 電平轉(zhuǎn)換電路55-56
• 4.6.3 電源設(shè)計(jì)56
• 4.7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)印制電路板的設(shè)計(jì)56-57
• 4.8 本章小結(jié)57-59
• 5 應(yīng)用程序編寫及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析59-75
• 5.1 底層軟件設(shè)計(jì)59
• 5.2 PC 和下位機(jī)的通信59-61
• 5.2.1 具體實(shí)現(xiàn)方法59-61
• 5.2.2 技術(shù)特點(diǎn)61
• 5.3 光譜數(shù)據(jù)處理61-62
• 5.4 波長定標(biāo)62-63
• 5.5 CCD 光譜響應(yīng)曲線校準(zhǔn)63-65
• 5.6 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)65-68
• 5.6.1 圖表控件TeeChart 簡介65-66
• 5.6.2 計(jì)算機(jī)軟件的基本結(jié)構(gòu)66-67
• 5.6.3 光譜掃描與顯示軟件的設(shè)計(jì)67-68
• 5.6.4 數(shù)據(jù)顯示68
• 5.6.5 峰值檢出68
• 5.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析68-75
• 5.7.1 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測試68-70
• 5.7.2 基于CCD 的小型化光譜儀設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證70-73
• 5.7.3 總結(jié)73-75
• 6 結(jié)束語75-76
• 參考文獻(xiàn)76-78
• 碩士期間發(fā)表論文78-79
• 附錄 采集卡的電路設(shè)計(jì)圖79-80
• 致謝80

【引證文獻(xiàn)】

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 王培;微型多通道光纖光譜儀的設(shè)計(jì)與研究[D];南京理工大學(xué);2010年

2 徐國偉;激光誘導(dǎo)等離子體光譜儀的研制[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

3 袁瀟;基于CCD的小型分光光度計(jì)研究及其分析應(yīng)用[D];成都理工大學(xué);2012年

4 魏旭可;基于STM32單片機(jī)的光譜儀數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[D];中國海洋大學(xué);2012年

5 劉智;基于譜域光學(xué)相干反射法的生物組織折射率測量技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2012年

6 孫小小;基于CMOS傳感器的小型光譜儀研制[D];上海交通大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：基于CCD的小型化光譜儀的設(shè)計(jì)與研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：452069