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1、中国计量学院本科毕业设计（论文）基于线阵CCD的采样系统设计 The System Design Based On Linear CCD Sampling学生姓名 学号 0800401233学生专业电子科学与技术 班级 08电子2班 二级学院光学与电子科技学院 指导教师 中国计量学院2010年6月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属
2、于培养单位。学生签名： 日期： 分类号：TM932 密 级： 公开 UDC： 535 学校代码： 10356 中国计量学院 本科毕业设计（论文） 基于线阵CCD的采样系统设计 The System Design Based On Linear CCD Sampling作 者 学号 0800401233 申请学位 理学学士 指导教师 学科专业 电子科学与技术 培养单位 中国计量学院答辩委员会主席 评 阅 人 2012年 6月致 谢本论文的顺利完成首先必须要极大地感谢我的指导老师袁琨老师。袁老师细心地指正我的错误和热心地帮我找出正确的方法都让我受益匪浅。从开始着手论文的相关资料的提供、开题以后每一
3、步的进展，到最后的统筹和修改都离不开袁老师的辛勤指导和热情关怀。袁老师那渊博的学识、严谨的治学态度和精益求精的工作作风都深深的感动着我，为我将来的学习和工作产生了积极的鼓舞和榜样作用。在做学问的同时，与袁老师的日常接触也让我对袁老师谦虚谨慎的处世风格有了极深刻的认识，让我在今后如何为人处事方面有了极明确的方向。同时，也非常感谢帮助过我的同学们，他们悉心指导和热心帮助，为我的课题研究创造了良好的环境，在我毕业设计工作过程中给予了我巨大的支持和帮助，让我更加顺利地完成了我的毕业设计论文，在此也向他们表示深深的谢意。感谢我的父母在学习和生活上给予我无微不至的关怀和支持，父母的支持让我一直以来能够心无
4、旁鹜的去完成学业而无需担心生活方面的各种问题。最后，衷心地感谢为评阅本论文而付出辛勤劳动的每一位专家学者。基于线阵CCD的采样系统设计 摘要：CCD 是一种光电转换器件，它以电荷的形式转移和储存信息，是大规模硅集成电路技术的产物。CCD 的典型结构由输入部分、电荷转移部分和输出部分 3 部分组成。 CCD 内部有许多紧密排布的 MOS电容器，因其对光很敏感，故而每个电容器构成了一个像元。 当一束光纤投射到一个电容器上时，光子穿过透明点及氧化层进入 P 型硅衬底，衬底中处于价带的电子吸收光子的能量而跃入导带而形成电荷流动，进而获得各个像元的受光强弱。线阵CCD的特点是结构简单，成本较低。可以同时
5、储存一行电信号.由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。本设计使用一个单片机控制两个CCD，搭建双光路，能够去除光源的波动对信号产生的影响。关键词：CCD;线阵CCD；双光路中图分类号：TM932System design based on linear CCD samplingAbstract： CCD is a media converter, it is the product of large-scale silicon integrat
6、ed circuit technology to the charge in the form of transfer and storage of information. The typical structure of the CCD charge transfer section and the output from the input section, part of the three components. CCD has a close arrangement of the MOS capacitor, because the light is very sensitive,
7、 therefore, each capacitor constitutes a pixel. When a bunch of fiber projected onto a capacitor, the photon passes through a transparent oxide layer into the P-type silicon substrate, the substrate in the valence band electrons absorb the photon energy and jumped into the conduction band and the fo
8、rmation of the charge flow, and thus obtain each pixel of the light intensity.The linear CCD is characterized by simple, low cost. Can store a line signal due to its single row of photoreceptor cell number can be done under the premise of the same measurement accuracy, the larger measuring range can
9、 be done, and because the real-time transmission of the linear CCD photoelectric converted signal and the self-scanning speed, high frequency response, dynamic measurement, and can work under low illumination.Keywords:CCD；linear CCD；Double optical paths Classification:TM932目 次摘要I目次III1 引言11.1 本课题的研究
10、意义及产业化前景11.2 国内外光学检测仪器发展及研究现状11.3 我的课题的主要研究内容32 研究方案及预期成果52.1 研究方案52.2 预期结果53 控制系统设计73.1 单片机控制A/D73.2 单片机控制CCD84 芯片选择和探测器比较94.1 和泰82v36芯片简介94.2 sonyILX563芯片简介94.3 光电探测器选择114.3.1 光电池114.3.2 CCD124.3.3 半导体光电二极管134.3.4 红外探测器134.3.5 结论145 电路设计155.1开机电路185.2A/D采集电路215.2.1 HT82V36简介215.2.2 HT82V36内部AD235.
11、3 CCD电路245.3.1sonyILX563简介255.3.2 sonyILX563内部电路265.4LED驱动电路285.5 MCU电路295.5.1 STM32片上SPI接口295.6 USB电路315.6.2 USB接口电路325.7 液晶显示电路325.8 整体电路PCB图336 软件设计346.1 C8051F346.1.1 程序设计语言的选择346.1.2 C51编译器和ML-EC3仿真器346.1.3 微控制器C8051F350的配置356.1.4 C8051F程序流程图376.2 STM32386.2.1 开发环境IAR EWARM386.2.2 STM32的配置397 算
12、法设计427.1 算数平均滤波算法427.2 定标算法428 总结与展望468.1 总结468.2 展望46参考文献47作者简历48学位论文数据集49一 引言1.1 本课题的研究意义及产业化前景 光谱仪是用来光谱检测和分析，以完成光成分的分析、材料光学属性及物质成分的鉴定等，是一种基本的光学检测仪器，广泛用于天文研究、生物化学分析、工业自动检测等领域。随着微电子技术和微加工的发展，微型光机电系统的制造技术日趋成熟，光谱仪器的微型化成为近来研究的一个热点。 CCD( charge coupled device，电荷耦合器件) 是 20 世纪 70 年代由美国贝尔实验室提出，经 30 多年发展起来
13、的新型半导体集成光电器件，CCD 是固态图像传感器的敏感器件，具有光电转换、信号储存、转移( 传输) 、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。由于 CCD 阵列是整个数据采集处理的核心，根据其工作特点设计电路及数据处理方法成为光学系统设计外的重点。线阵 CCD 作为光探测核心与数字逻辑电路及微型计算机的结合是微型光谱仪的成功案例。 光谱特征对物质成分与含量进行检测是现代光谱测量技术的重要应用，本文给出了一种使用线阵 CCD的光谱测量系统设计与实现方法 系统使用光纤束进行导光、平面衍射光栅对采集到的光分光后，由线阵 CCD 进行光电转换并获得相应光强分布数据，使用小波变换方法对光强分布数据处理后
14、得到光谱数据 实验结果表明，本文提出的方法可行、数据可靠，可实现不同珠宝石材的区分，达到使用光谱检测技术对宝石鉴定的目的 该系统具有测量可靠、使用便携、生产成本低等优点，可作为珠宝行业专业检测仪器，对珠宝石材种类进行快速鉴别，具有很广阔的应用前景1.2国内外光谱检测分析仪器的发展及研究现状在已有文献和产品报导中，多种线阵/面阵CCD被应用于光谱测量。一般而言，CCD的驱动电路可以归纳为两种类型：一是基于可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)的驱动电路，主要利用数字逻辑器件对高频时钟进行计数来控制各驱动波形的时序，这种方法的有点在于时序控制准确，可通过重新配置CPLD的内部电路结构来修改CCD的驱
15、动波形，但是却很难进行实时、在线的修改；二是基于单片机的驱动电路，通过循环执行单片机中特定的程序代码来得到特定的波形，可以通过修改单片机程序来达到改变CCD驱动波形的目的，但是单纯依靠单片机控制驱动时序存在一些缺点，比如需要准确分析每条指令的执行时间，并且依靠程序循环执行的方法计算量大，单片机负荷较重，不利于与数据接口等其他功能进行集成等。此外，对于一个功能完善的CCD检测器而言，粗了需要提供驱动波形外还需要给A/D转换器、数据缓存器等组件提供一系列的控制信号，这些信号也很难单独依靠单片机生成.从以上分析可以看出单片机和CPLD 之间具有很好的互补性，于是有了基于单片机和CPLD的光谱仪CCD
16、检测器设计，利用单片机控制A/D转换器和单片机控制CCD来将两者结合在一起，充分发挥出两者的优点，弥补了各自的不足。1.3我的课题的主要研究内容 在基于线阵CCD的基础上，我提出了一定的改进。目前市场上出现的这类光谱分析仪是由一个单片机控制一个CCD，我的改进方法是用一个单片机同时控制2个A/D转换器和CCD，这样就能搭建双光路，去除光源的波动对信号产生的影响。这样一来就可以提高测量数据的精确度，达到更高的精度。通常采用特征光谱标定法对光谱进行光谱标定，该方法的原理是: 采用具有特征光谱的光源( 如汞灯光谱)作为标定光源，找到特定谱线在 CCD 上对应像元点位置，通过三次多项式拟合等算法，实现
17、 CCD 像元与波长的匹配。定标过程中要求定标用光源所含的已知光谱线数量要尽量多，且分布越均匀测算结果就越准确。 二 研究方案以及预期结果2.1研究方案通常采用特征光谱标定法对光谱进行光谱标定，该方法的原理是: 采用具有特征光谱的光源( 如汞灯光谱)作为标定光源，找到特定谱线在 CCD 上对应像元点位置，通过三次多项式拟合等算法，实现 CCD 像元与波长的匹配。定标过程中要求定标用光源所含的已知光谱线数量要尽量多，且分布越均匀测算结果就越准确。研究中使用低压汞灯的 6 条特征谱线: 3665 nm、404.6 nm、435.8 nm、54607 nm、57696 nm、5791 nm;后面 4
18、 条谱线分布在可见光区，假设 6 条谱线分别为 y1、y2、y3、y4、y5、y6，将采集到的数据通过寻峰算法9得到 6 条谱线对应的像元序号 x1、x2、x3、x4、x5、x6。通常在微型光谱仪中多将寻峰后数据取出几组做直线拟合。得到形如式( 1) 的线性拟合但通常由于光谱数据选择较近、相面弯曲或其他原因11，一阶多项式拟合会出现较大的误差，实际研究过程中定标利用最小二乘法三阶多项式拟合完成12。利用三阶多项式来拟合:这个方程组中有 4 个未知数，但是有 6个方程，是个矛盾方程组。设拟合曲线方程为: 则该曲线通过点处的偏差为:为了使拟合曲线能尽量反映所列数据的变化趋势，要求偏差较小，最小二乘
19、法的规则就是“使偏差的平方和最小”原则，即:做一辅助函数:上式对自变量求偏导，在 s 最小处应该为 0，得到式( 6) :用矩阵表示：解矩阵方程，得到最小二乘方程式的系数解。2.2预期结果将表 1 中所示低压汞灯 6 条谱线及其对应像元序号带入式( 5) ，解矩阵方程可得光谱波长和线阵 CCD 各像元之间的对应关系式，见式( 7) :如果用一阶线性拟合得到的表达式为:系数 确 定 后，测 量 低 压 镉 灯 两 条 特 征 谱 线( 4810 nm、6468 nm) ，结果见表 2。通过对测量低压镉灯的两条特征谱线的运算表明，三阶曲线拟合确定线阵 CCD 光敏像元的误差较小。将表 1，2 中对
20、应像元及测量值波长值带入关系式( 7) 计算出各个像元处波长的误差，如表 3 所示，绝对误差可以控制在 1 nm 内。根据测量数据拟合可以得到: 截距的误差为0.186 1、的误差为6.68的误差为6.18 拟合决定系数 R =0999 86。 由于拟合决定系数 R 非常接近于 1，所以拟合方程的拟合程度比较好，说明定标模型是合理可行的。 三 控制系统设计3.1单片机控制A/D转换器3.2单片机控制CCD 四. 芯片选择和探测器比较 4.1和泰82v36芯片简介 4.2sonyILX563芯片简介4.3光电探测器选择光电探测器是一种小型电子设备，它可以检测出接收到的光强的变化。早期的用来检测物
21、体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器由电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。在诸多光子探测器件中占据主导地位的是高性能半导体光电二极管、红外探测器与CCD固体成像器件。4.3.1 光电池光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅等，其中最受重试也最常用的是硅光电池。下面将重点讨论硅光电池。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射
22、到它表面的光能转化为电能。光电池的基本结构如图4.3所示。图4.3 光电池基本结构图Fig.4.3 Photocell basic chart 当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在同一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。硅光电池最重要的是光谱、频率响应及温度特性，由于硅光电池的光电流与照度之间存在严格的线性关系，同时采用了视觉校正和余弦校正，使它可以精确地测量照度值。硅光电池应用的波长范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近7。因此
23、硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施。光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。开路电压与光照度的关系是非线性的，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。同时，由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差，但作为光电池的硅光电池相对
24、具有较高的频率响应。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长。由于硅光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。在作为光电转换元件，可连接数字式检流计测量光电转换后的光电流值，其性能稳定，反应快，操作简便，读数准确直观。主要用来测量一维光强的分布，根据硅光电池光谱特性和数字式检流计的最小读数可确定光强的测量的范围和精确度。4.3.2 CCDCCD是电荷耦合器件的简称，是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件，是固体图像传感器中发展快速、用途广泛的一种，CCD把外界物体的图像信号转换成电信号，即把入射到CCD光敏面上的按空间位置分布的光强信息，转换为按时间顺序串行输出
25、的视频信号，可在各种显示器上再现原物体的图像。CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列8。由于CCD的基本参数是电荷而不是电压或电流，这就使得在器件的外围电路和以及信号处理方面引入了新的概念和技术。CCD摄像机集光电转换、信号存储以及信号传输（自扫描）能力于一身，是一种崭新的全固体自扫描摄像器件。和硅光电池相比，CCD的优点是：l 视频信号经信号处理易与计算机连接，能实现数据的自动采集、计算和记录；l 基本上不保留残像，不受电磁干扰影响，温度适应性相对提高；l 像元尺寸的几何精度高；l 可同步测量被测对象不同位置的光强；l 可克服光源光强不稳定引起的误差。另外，由于CCD能
26、够同时获取配测表面的亮度和相位信息，一次将CCD和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体的形变、振动和外形9。对于CCD来说，要考虑测量尺寸，光源的选择要考虑其发射光谱与CCD的光谱响应范围对应，最好是对应响应峰值附近，这是CCD使用的一个局限性。对于光源来说，激光光斑的能量分布通常是按高斯曲线分布的，但光斑通常由于各种原因出现不均匀现象，为减小对CCD接受信号产生的影响，需减小输入信号大小或改善光斑质量;其次光源发光要稳定，照明方向要有利于反映待测物的特征信息，使所需要的特征光信息和非特征光信息有较大差别，且界限分明、正确10。4.3.3半导体光电二极管属
27、于这类器件的主要有PIN型光电二极管和雪崩型光电二极管(APD)11。目前以InGaAs制作的PIN和APD己作为高灵敏度、高响应度的光电探测器在光纤通信、光纤传感等领域广泛使用，并占据了主导地位。近年来，PIN器件的性能不断提高，其脉冲响应已达到ps量级。APD是一种具有增益能力的探测器，具有很高的灵敏度，因此更被看好。现在已对各种APD结构，如SAPD、SAM-APD、SAGM-APD以及量子阱APD等展开了深入研究。其中SAM-APD被认为是一种成功的结构形式，SAGM-APD是对SAM-APD的进一步完善，并已开始实用化。量子阱APD是一种新颖结构并具有发展前景的光电探测器，目前也已趋
28、于实用化。4.3.4 红外探测器确切说，这里的红外探测器件是指光纤通信波段(850nm1550nm)以外的中远红外探测器。它们主要应用于红外成像、制导、遥感、跟踪以及空间通信与电对抗等技术应用领域。已研制和开发的各种红外探测器件，其中以HgCdTe为材料的单元、多元及焦平面阵列探测器件受到广泛重视。在3m5m波段，HgCdTe与InSb的焦平面阵列探测器件互为竞争对象，各有长处。在8m14m波段，则以HgCdTe焦平面阵列探测器件为发展重点。提高阵列单元数目、探索新材料和新结构也是发展红外探测器件的重要任务。4.3.5 结论当被测对象对光的反射率变化，此时的光信号幅度大小亦改变。为了准确测出幅
29、度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件。光电检测器件必须和辐射信号源在光谱特性上匹配。为了提高传输效率，无畸变地获得光电信号，光电检测器件不仅要和被测信号、光学系统而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。硅光电池器件价格便宜，原理简单，操作方便，受信号均匀性等因素引响较小，而CCD技术能够提供很好的探测性能，具有一些硅光电池光电探头不可替代的优点，故而采用CCD探测器能使我们的性能达到最优！因此本系统采用的是光谱灵敏特性最佳的CCD器件作为传感器子系统的检测元件。五 电路设计5.1开机电路通过拨动开关按钮，就可以控制整个电路电源。5.2A/D采集电路5.2.1HT82V36简介5.2.2HT82V36内部A/DA/D采集电路5.3 CCD电路5.3.1 sonyILX563芯片简介 5.3.2sonyILX563内部电路
