基于FPGA的光谱仪数据采集系统的设计

　　1引言

　　光谱仪是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种光学仪器，光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成分的浓度检测或电磁辐射分析等。光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。

　　随着微电子领域中的多像元光学探测器迅猛发展，在光谱仪中使用CCD作为扫描器件成为可能，CCD可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。但在扫描的过程中有一个关键的问题需要解决，即如何对扫描结果的大量数据进行传输和处理。现场可编程门阵列(FPGA)是近十几年出现的一种新型可编程逻辑器件。FPGA既集成了门阵列逻辑器件密度高和通用性强的优点，又具备可编程逻辑器件的可编程特性。FPGA最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短，系统易于维护，适合于大容量数据的实时处理，可以很好地解决这个问题。本文采用FPGA为 CCD提供驱动时序脉冲，同时采用USB接口芯片将数据实时地传输到计算机进行处理。

　　2光谱仪数据采集系统结构

　　系统主要包括:FPGA控制模块、CCD数据采集模块、A/D转换模块和USB接口模块，通过USB总线与上位机进行连接，上位机通过USB接口芯片控制系统的工作。系统结构框图如图1所示。

　　入射光需要通过光栅分光后经过CCD扫描，才能进行分析。由于CCD输出的模拟信号比较微弱且带有噪声，需要经过信号调理电路，才能进入A/D 转换电路进行数据转换，并将转换后的数据保存在FIFO中，通过USB接口将数据从FIFO中读出，然后传输到上位机进行数据分析和处理。数据的传输主要分为:上位机向下位机发出的控制命令和下位机将采集的数据传输给上位机。

　　系统的实现过程为:由FPGA芯片接收上位机通过USB接口发送给下位机的命令，并根据此信号来判断是否启动和停止数据采集，FPGA发出的命令包括对CCD的驱动脉冲信号，A/D转换的采样脉冲，FIFO读写数据的时钟及使能信号，USB接口芯片从FIFO读数据的脉冲信号。具体操作过程:CCD得到FPGA发出的驱动脉冲，开始光积分过程，并将结果送到输出口开始下一次扫描;A/D根据采样脉冲对输人的数据进行转换，将转换后的数据送到数据总线上开始下一次转换;FIFO根据时钟和写使能信号将数据总线上的数据缓存起来，然后读信号使能情况下将数据输出，并由USB接口芯片根据读数据脉冲将FIFO输出的数据送到USB总线上，由上位机进行接收;然后由上位机对得到的数据进行分析和处理，完成一次数据采集。