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熊贤明 1,2，刘国栋 1,2

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004；2.广西高校光电信息处理重点实验室，广西桂林541004)

摘要：研制了一种基于FPGA的可见光和近红外微型光谱仪，介绍了其研究方案和实现功能。 微型光谱仪采用滨松公司MS系列CMOS图像传感器，波长检测范围为340 nm～1 050 nm，光谱分辨率为10 nm左右； 功耗小于600mW，可直接USB供电。 手机通讯，积分时间5ms，扫描次数和积分时间可调。 实验表明，该微型光谱仪输出光谱波形稳定，工作可靠，响应速度快，可应用于农产品无损检测等方面。

0 前言

光谱仪是分析物质成分的重要仪器。 传统光谱仪精度高，但体积大、价格昂贵，且存在便携性差、难以在现场推广应用等问题。 随着微光机电系统和宽带探测器的发展，微型光谱仪得到了长足的发展[1]。 [2]. 微型光谱仪集成度高、功耗低、灵活方便、性价比高，能够满足一定的性能要求[3]，因而受到广泛重视。

1 系统设计与实现

微型光谱仪主要由互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器、驱动与采集、通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）通信等模块组成。 系统结构如图1所示。当光源照射到被测物体上时，在其表面和浅层发生漫反射，带有内部信息的反射光或透射光被图像传感器[4]接收并发送到将现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）经过平滑处理后，再通过USB上传至计算机或手持设备进行显示或进一步处理[5-8]。

1.1 图像传感器

设计中采用了日本滨松公司的MS系列CMOS图像传感器。 MS系列包括C10822MA01（340 nm～750 nm）和C11708MA（640 nm～1 050 nm），涵盖可见光和近红外的检测范围。 MS系列图像传感器包含256个像素，狭缝尺寸为75 μm×750 μm，像素尺寸为12.5 μm×1 000 μm。 其光学结构为凸面闪耀光栅。 9]，反射到CMOS传感器上，如图2所示。它结构紧凑，外形小巧，重量仅为9 g，功耗低，仅为30 mW。 当与手持设备连接时，低功耗具有更大的优势。

1.2 硬件电路设计

本设计中的硬件电路主要包括前端信号处理电路、模数转换电路、FPGA最小系统和USB通信电路[7]。

CMOS图像传感器输出的光谱数据需要经过多级缓冲放大和滤波后输入模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）进行转换。 本设计中采用了三级缓冲放大电路：第一级后接，第二级缓冲滤波，第三级放大滤波，如图3所示。

CMOS图像传感器输出的模拟信号频率为200kHz，最大输出电压为2.76V，经过放大滤波后，最大输出电压可达5V，信噪比显着提高，如图4所示。

本设计采用AD7671作为模数转换器。 AD7671是一款16位逐次逼近型高精度模数转换器，最大积分非线性误差为±2.5 LSB（±190 μV），采样率高达1 MS/s，具有高精度、高速度, 满足应用要求。 ADC 具有三种操作模式：Warp、Normal 和 Pulse 模式。 本系统采用普通模式，转换速率为800 kS/s。 ADC配置为主机模式，转换期间输出之前的转换结果。 电路连接图如图5所示。

设计中的主控芯片采用了ALTERA公司的EP2C5T144C8N，逻辑资源丰富，配置灵活，可以满足设计要求[10]。 USB通信采用Cypress公司的CY7C68013，由集成USB2.0收发器的增强型8051单片机组成。 在设计中将 CY7C68013 配置为 Slave FIFO 模式。 USB这种模式下，CPU不参与数据传输，数据直接由内部端点传输，外部控制器对端点进行读写。 FPGA与各模块的连接示意图如图6所示。

根据芯片手册设计FPGA最小系统和USB通信电路，最后绘制制作PCB板。 4层PCB板尺寸为45mm×84mm。

1.3 程序设计

FPGA负责整个系统的控制和传输。 程序采用Verilog HDL语言编写，采用自上而下的设计思想，分块[11-12]对整个系统进行设计，最后集成。 该系统主要分为三个子模块[13]：COMS图像传感器驱动模块、AD数据缓存模块和USB读写控制模块。 COMS图像传感器驱动模块负责翻译指令和控制Sensor的工作状态； AD缓冲模块负责接收光谱数据，进行平滑滤波处理，然后分时发送给USB读写模块。 USB读写控制模块负责发送和接收数据，获取USB State并建立通信[14-15]。 图 7 显示了系统状态转换的简化图。

CMOS图像传感器的正常使用需要正确的驱动时序。 在设计中，驱动时序由FPGA产生。 驱动时序必须严格按照图像传感器的时序来设计。 MS系列图像传感器的驱动时钟为800kHz，输出频率为200kHz，输出完成后会给出EOS信号，ST信号控制传感器的工作状态。 驱动程序编写完成后，结合ModelSim仿真，结果表明驱动时序满足设计要求。

ST信号到达后图像传感器开始工作，输出光谱数据。 控制扫描次数和积分时间可以通过在程序中控制ST信号的触发次数和触发周期来实现[16]。 频谱模拟量输出后，经过缓冲放大，再进行AD转换。 CNVST 信号是AD 转换使能信号。 CNVST信号拍频必须与传感器输出频率一致，波形稳定后进行转换。 当 CNVST 信号到达时光纤光谱仪报价，ADC 开始转换数据。 在此期间，输出之前的转换结果。 当BUSY信号到来时，FPGA开始以SCLK为时钟读取串行数据。 先将高位存入寄存器，再进行平滑滤波处理，最后通知USB读写模块数据准备好，USB将数据输出给上位机[17-18]。

USB读写模块监控CY7C68013的状态。 FLAGA是EP2的空标志，FLAGC是EP6的满标志。 当EP2为空时，FPGA不再读取FIFO，当EP6为满时，FPGA不再写入FIFO。 USB与FPGA的连接如图8所示。

该固件程序是CY7C68013正常运行的核心。 Cypress公司提供的固件程序框架，包括fw.c、periph.c、dscr.a51、USBJmptb.OBJ、Ezusb.lib五个部分，在本次​​设计中主要针对periph。 c修改为使能EP2和EP6两个端点，设置EP2端点为OUT，缓冲区大小为512B，2倍缓存，EP6端点为IN，缓冲区大小为512B，4倍缓存。 端点均为块传输，自动提交包[19-20]。

2 实验验证

开机后，系统先处于待机状态，传感器不工作，等待上位机发送命令。 指令码为16位二进制数，包括积分时间、扫描次数、默认/用户选择三种信息。 FPGA接收到上位机发送的指令码后，进行判断，然后执行相应的操作。 传感器工作并上传数据。

上位机连接成功后，会进入模式选择窗口。 默认模式下，积分时间为100 ms，传输次数无限制。 系统将一直工作并持续检测频谱。 在用户模式下，可以选择积分时间和扫描次数。 最小扫描次数可以选择为1，步长为1，用户最多可以选择100次。 最小积分时间为 5 毫秒，最大积分时间为 100 毫秒，步长为 5 毫秒。 用户配置好参数后，上位机会向系统发送指令，系统按照设置的参数进行工作。

实验中采用LED台灯和532nm激光分别照射检测头，在上位机上即可观察到光谱，如图9所示。

3 结论

本设计采用以FPGA为核心的系统硬件平台，结合MS系列CMOS图像传感器，实现了可见光和近红外光谱的快速准确测量，并通过USB2.0通信实现光谱数据的实时传输. 实验表明，该微型光谱仪能够准确测量光谱波长，实时性好； 功耗低，可通过USB直接连接手机光纤光谱仪报价，具有良好的便携性和实用性。 其结构小、成本低，可广泛应用。

参考

[1] 王蔚兰，坦图，王雷，等． 基于线阵CCD的微型光谱仪的研制[J]. 大气与环境光学学报, 2011, 6(4): 299304.

［2］范志勇，朴国斌，张涛，等。 微型光谱仪CCD检测系统设计［J］． 半导体光电, 2014, 35(4): 718721.

［3］鞠辉，吴一辉． 微型光谱仪的发展现状［J］． 光学精密工程, 2001, 9(4): 372376.

[4] 杨明，孙继，程海林，等． 线阵CCD光谱仪的设计与实验[J]． 天津工业大学学报, 2011, 27(1): 3842.

[5] 李明，高超，陈放，等． 小型光纤光谱仪的结构设计[J]. 光学与光电子技术, 2013, 11(2): 9598.

［6］程亮． 微型光谱仪系统的研究与应用［D］． 杭州：浙江大学，2008．