Design of linear CCD acquisition system based on high-resolution spectrometer
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摘要:
为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求，设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件，为线阵CCD提供多路驱动信号；线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样，变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪，对汞灯谱线进行特征峰测试，光谱分辨率可以达到0.062 nm，满足高分辨率光谱仪的探测要求。
Abstract:To meet the technical requirements of high sensitivity, high resolution and low noise of high-resolution spectrometer, the back-illuminated CCD driving circuit and main control circuit for low-level-light imaging system were designed. The MAX X series FPGA of Altera was adopted by linear CCD acquisition system as the core control device to provide multiple driving signals for the linear CCD. The output analog signal of linear CCD was transformed into digital signal after signal preprocessing and AD sampling, and then sent to the spectrometer through USB interface module. By installing the linear CCD acquisition system into the high-resolution spectrometer to test the characteristic peaks of the mercury lamp spectrum, the spectral resolution can reach 0.062 nm, which meets the detection requirements of high-resolution spectrometer.
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引言
高分辨率光谱仪由于具有高光谱分辨率、高光通量、影像校正、高杂散光抑制比、体积小等优点，已经逐渐成为获得目标光谱信息的必备设备，用于光源光谱、荧光、发光材料等空间多点光谱的采集与高分辨率测量，可满足火炸药、特种照明灯具、军用发光材料及显示器件、航空航天遥感、军事侦察等领域对高光谱分辨率及光谱辐射参数的测试要求。
电荷耦合器件（CCD）具有灵敏度高、分辨率高、噪声小等特点，特别是线阵CCD已成为高分辨率光谱仪的主要成像器件。因此，线阵CCD采集系统的性能对高分辨率光谱仪尤为重要[1-4]。本文采用Altera公司的MAX X系列FPGA，结合滨松公司的S10141-1109S-01型低噪声高分辨率线阵CCD，提出一种线阵CCD 驱动采集系统方案，通过合理的电路设计和时序设计，在高分辨率光谱仪上进行了试验验证[5-6]。
1 系统设计方案
线阵CCD采集系统设计方案原理框图如图1所示。线阵CCD采集系统由CCD驱动电路及主控电路2个部分组成。CCD驱动电路由电平转换模块、CCD模块、信号预处理模块及电源模块组成，主要功能是为线阵CCD提供合适的驱动电平及驱动时序，将线阵CCD采集到的光谱信号进行预处理并输入AD转换模块[7-9]。主控电路由USB接口模块、FPGA模块、AD转换模块及电源模块组成，主要功能是为线阵CCD提供驱动信号，并对预处理电路输出的模拟信号进行AD采样，最后，主控电路将采集到的数字信号通过USB接口芯片发送到上位机。
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图 1 线阵CCD采集系统设计方案原理框图Figure 1. Schematic block diagram of design scheme of linear CCD acquisition system2 CCD驱动电路设计
2.1 CCD模块
高分辨率光谱仪基于光电摄谱原理，光电转换器件通常选用CCD器件。本设计CCD模块选用滨松公司的S10141-1109S-01型低噪声高分辨率CCD，它是一款背照式CCD，专用于科学应用中低光量探测的FFT-CCD传感器，量子效率高，对微弱光、短波有比较好的灵敏度。通过合并（binning）操作，可以将它作为线阵图像传感器，拥有较长的光感面。与传统的信号通过外部电路数字化相加不同，binning操作提高了信噪比和信号处理速度。该探测器还具有低噪声和低暗电流的特性（MPP模式下），并可长时间积分实现低光量探测，增大饱和电荷量和动态范围。该探测器的光谱范围为180 nm～1 100 nm，光敏元尺寸为12 μm×12 μm，有效像素为2 048×506，灵敏度为5 μV/e-，暗电流在常温下为30 e-/pixel/s，满阱容量为500 ke-，全温度范围内读出噪声不大于18 e- rms，动态范围不小于27 700，数据输出速率不小于250 kHz。
S10141-1109S-01探测器内部结构如图2所示，光谱响应曲线如图3所示，CCD模块输出波形信号如图4所示。
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图 2 S10141-1109S-01探测器内部结构图Figure 2. Internal structure diagram of S10141-1109S-01 detector![]()
图 3 S10141-1109S-01探测器光谱响应曲线Figure 3. Spectral response curves of S10141-1109S-01 detector2.2 电平转换模块
S10141-1109S-01探测器包含列时钟1（P1V）和列时钟2（P2V）、转移栅（TG）、行时钟1（P1H）和行时钟2（P2H）、求和栅（SG）、复位栅（RG）共7种驱动信号，P1V、P2V和TG信号的驱动电压范围为−9 V～3 V，P1H、P2H和SG信号的驱动电压范围为−7 V～7 V，RG信号的驱动电压范围为−5 V～9 V。FPGA输出的驱动信号为0 V～3.3 V，因此需要通过电平转换模块进行电平转换，以达到相应的驱动电压[10-11]。本设计选用Intersil公司的EL7212型双高速双通道MOSFET驱动器，驱动芯片上升时间为7.5 ns、下降时间为10 ns，驱动电流为2 A，满足S10141-1109S-01探测器的使用要求。
2.3 信号预处理模块
S10141-1109S-01探测器输出模拟信号基准电压为22 V，且光电转换输出信号幅值较低，在输入AD转换模块前需要进行信号预处理[12]。本设计选用容值为1 µF的陶瓷电容，首先对探测器输出信号进行隔直处理，然后通过AD公司的低噪声高速运算放大器AD8021进行反向放大，最后将探测器输出信号调整到适合AD转换模块采样的电压范围。经过信号预处理模块的CCD波形信号如图5所示。
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图 5 经过信号预处理模块的CCD波形信号Figure 5. CCD waveform signal through signal preprocessing module3 主控电路
3.1 FPGA模块
FPGA模块在CCD采集系统中为CCD探测器提供驱动信号，控制AD转换模块将CCD探测器的模拟输出信号进行模数转换，并将得到的数字信号通过USB接口模块发送至上位机[13-15]。本设计选用的FPGA为Altera公司MAX X系列的10M50SCE144I7G芯片，该型号芯片具有成本低、内部集成Flash、单电源供电、IO性能优秀、功耗极低等诸多优点。由于CCD模块在水平方向上有2 048个有效像元，在垂直方向上有506行，为保证驱动时序的正确性，整个驱动时序的时间要求必须严格遵从CCD探测器手册要求。FPGA为CCD产生的驱动时序如图6所示。
3.2 AD转换模块
由于S10141-1109S-01探测器输出速率不小于250 kHz，为了对经过信号预处理模块的CCD信号进行双采样，AD转换模块的输出信号速度至少需要满足双采样的要求，AD转换模块转换速率至少要大于250×2=500 kHz。S10141-1109S-01探测器动态范围不小于27 700，因此，AD转换模块输出动态范围至少要大于CCD探测器的动态范围，16位AD转换模块的输出动态范围为216=65536，可满足CCD探测器要求[16]。综合以上因素，本设计选用AD公司的AD7671型号AD转换芯片，该芯片采样速率最大可达1 MHz，分辨率为16 Bit，支持双极性及单极性输入，支持SPI接口及并行接口，采用单5 V电源供电，功耗典型值为112 mW，积分非线性误差为2.5 LSB。其功能框图如图7所示。
3.3 USB接口模块
高分辨率光谱仪在光谱采样过程中需要做到实时采集，采样速率一般不小于30帧/s，S10141-1109S-01探测器1 s内输出的数据量为2 048×16×30=983 040 bps，串口传输最快速度为115 200 bps，无法实现探测器数据的实时传输。因此，考虑到数据的传输速度及开发难度，本设计选择USB2.0接口为数据传输接口。本文选用接口芯片为Cypress公司的CY7C68013芯片，支持12 MB/s的全速传输和480 MB/s的高速传输，可使用4种USB传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输，适用于USB2.0并兼容USB1.1，在芯片内部集成了USB2.0收发器、接口引擎、增强型8051微处理器、16 kB的片内RAM、4 kB的FIFO、最多5组IO接口、数据总线、地址总线及I2C控制器和通用可编程I/F。其内部功能框图如图8所示。
4 试验结果
本设计采用Altium Designer完成原理图及PCB电路设计，主控电路及CCD驱动电路的实物电路如图9所示。
设计的电路在为S10141-1109S-01探测器提供合适的驱动时序及驱动电压后，CCD驱动电路输出信号波形如图10所示。
将线阵CCD采集系统应用于高分辨率光谱仪，可对汞灯谱线进行特征峰测试，高分辨率光谱仪实物如图11所示。
在253.65 nm特征峰处，光谱仪测试得到的数据为253.565 nm，测试波长准确度为−0.085 nm，峰值1/2处波长分别为253.596 nm和253.534 nm，两者求差得到光谱分辨率为0.062 nm。光谱测试结果如图12所示。
在404.65 nm特征峰处，光谱仪测试得到的数据为404.82 nm，测试波长准确度为0.17 nm，峰值1/2处波长分别为404.851 nm和404.79 nm，两者求差得光谱分辨率为0.061 nm。光谱测试结果如图13所示。
5 结论
本文提出一种基于高分辨率光谱仪的线阵CCD采集系统设计方案，通过FPGA产生CCD探测器的驱动时序，并控制AD采集模块进行采样，最后通过USB2.0接口将测得的光谱信号发送给光谱仪。通过高分辨率光谱仪对汞灯谱线进行特征峰测试，试验结果显示，该线阵CCD采集系统具备较高的灵敏度，针对不同的光谱信号均能以较高的信噪比对汞灯谱线进行特征峰测试，光谱分辨率可达到0.062 nm，满足高分辨率光谱仪的探测要求。
随着高分辨率光谱仪的广泛应用，该设计可以满足高分辨率光谱仪对CCD采集系统的需求，具有广泛的使用价值。
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图 1 线阵CCD采集系统设计方案原理框图
Figure 1. Schematic block diagram of design scheme of linear CCD acquisition system
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图 2 S10141-1109S-01探测器内部结构图
Figure 2. Internal structure diagram of S10141-1109S-01 detector
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图 3 S10141-1109S-01探测器光谱响应曲线
Figure 3. Spectral response curves of S10141-1109S-01 detector
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图 5 经过信号预处理模块的CCD波形信号
Figure 5. CCD waveform signal through signal preprocessing module
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