黄 超， 鲁 湛， 贺 健， 杨秀芹
（1.曲阜师范大学，山东 曲阜 273100；2.太仓光电技术研究所，江苏 太仓 215400）
基于ZYNQ的微型光谱仪高速数据采集系统设计
黄超1，鲁湛2，贺健1，杨秀芹1
（1.曲阜师范大学，山东 曲阜273100；2.太仓光电技术研究所，江苏 太仓215400）
摘要：介绍一种基于ZYNQ的微型光谱仪高速数据采集系统，以ZYNQ7010为核心微处理器，搭配ILX511CCD线列探测器与高速模/数转换器AD7621构成高速光谱数据采集系统，最高采样率可达3 MS/s。ZYNQ7010集成了双核ARM Cortex⁃A9 MPCore处理器、FPGA逻辑和DSP单元，可以使光谱数据采集系统空间更小，扩展性更高，并为后期的光谱数据处理提供了丰富的资源。
关键词：微型光谱仪；ZYNQ微处理器；数据采集；ILX511CCD线列探测器
0 引言
光谱技术是物质检测和分析的有效手段之一，已被广泛应用于工业、农业和军事等领域[1⁃2]。光谱仪作为一种光谱测量工具，逐渐向智能化、小型化的方向发展[3⁃5]。基于线列探测器的微型光谱仪就是其中一个典型代表。微型光谱仪大多采用CCD（Charge Coupled Devices）作为探测器，具有光电转换、信息储存等功能，而且集成度高、动态范围大、信噪比高、线性好等优点[6⁃8]。
目前，关于CCD信号采集电路的设计一般使用CPLD，FPGA等来驱动CCD，然后再接信号处理与传输电路，与传统技术相比，集成化程度高，减少系统占用空间。本文提出了一种基于ZYNQ的微型光谱仪高速数据采集方案，它集驱动时序与信号处理于一体，搭配ILX511CCD和高速AD7621，进一步简化电路，提高集成度，实现信号的高速获取。
1 系统硬件结构
数据采集系统如图1所示。该系统主要由ZYNQ7010处理器、ILX511CCD线列探测器、前置放大电路和AD7621高速模/数转换器组成。其中，ZNYQ处理器由Xilinx公司开发，包括ARM Cortex⁃A9 MPCore （Processing System，PS）和28 nm低功耗高性能FPGA （Programmable Logic，PL）[9⁃10]。探测器选用索尼公司的ILX511CCD线列探测器，该探测器有效像素为2 048，最高时钟频率可达2 MHz。高速A/D选用AD7621，该器件是一个16位高速采样，最高采样率为3 MS/s的模/数转换器。
图1 数据采集系统结构图
整个电路采用5 V单电源供电。ILX511CCD线列探测器将光信号转换为电信号，前置放大电路对电信号进行放大处理，经过放大的电信号送入AD7621高速模/数转换器，高速模/数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号送入ZYNQ7010处理器。ILX511CCD线列探测器输出信号的调理原理图如图2所示。
图2 信号调理电路图
在ILX511CCD与AD7621之间，插入LT6202运放和LT6350单端转差分器件。ADC驱动器LT6350含有两个运算放大器和匹配的电阻器，可以从一个单端高阻抗输入产生一个差分输出。LT6202运放作为输入跟随，提高了输入阻抗，增强了输出能力。LT6350及外围器件实现了单端转差分功能，并在输入端使用电阻网络对跟随后的电压进行1∶1分压，使输入从0~4 V降到0~2 V。从而使传感器输出信号与模/数转换器匹配。
2 系统软件设计
2.1ILX511CCD及AD7621驱动时序
CCD时钟信号由ΦCLK引脚提供，ΦCLK经过分频后产生各个模块需要的脉冲，如图3所示。CCD每个像素由一个电压信号来表征，电压越小，光强越大，这样CCD每进行一次光电转换就产生2 048个有效电信号，同时CCD移位寄存器将这些电信号进行存储，如果有读信号脉冲触发，这些信号在ΦCLK时钟的驱动下，将依次输出至Vout引脚[11]。
图3 ILX511CCD时序图
AD7621的转换仅受CNVST引脚控制，当CNVST引脚变低时，A/D转换开始，直到转换结束，转换一旦开始，其他引脚信号将被忽略，如图4（a）所示。如果A/D芯片已经转换结束，且RD为低电平时，在数据线上就会有数据输出。此系统为了节省数据总线、减少布线的复杂度，仅使用了A/D的低8位数据线。当BYTESWAP为低时，A/D的低8位数据线输出低字节，当BYTESWAP为高时，A/D的高数据线输出高字节，如图4（b）所示。
2.2信号采集与显示
信号采集及数据流控制图如图5所示。分频模块将时钟源进行分频，得到ILX511CCD的CLK，此系统CLK时钟为2 MHz，当启动一次积分输出时，将ROG信号拉低，随后CCD将两次ROG之间的积分光强存入到寄存器，然后在CLK时钟拍下，将2 048信号依次输出。此时A/D的CNVST信号与时钟CLK信号同步，CCD为下降沿输出数据，A/D也为下降沿开始转换，但在下降沿到来时，CCD输出稳定数据还需要一定时间，所以将CLK信号反向后，与A/D的CNVST相连接。假定CLK连续运行几拍，这时在转换的同时，A/D的数据线上已经有上一次转换好的高位数据，采集时序模块随即通过DDR控制器将高位数据存入DDR内存中。在CLK中间需要插入一个节拍，将BYTESWAP置低，随即A/D转换后的低位数据也输出在数据线上。
采集后的一帧数据存入DDR3内存后，采集程序将新的地址传递给DDR控制器，这时如果上位机有串口指令发出，ARM控制器则将之前存好的数据通过串口发送至上位机。上位机通过MFC编程，使用串口驱动接口函数将数据读出，随后利用画图函数将CCD数据绘制在显示屏上。
3 实验结果
此系统前期仅设计了CCD数据采集系统，为了验证其数据采集系统的功能，设置不同的积分时间，然后在上位机软件上采集数据，显示的实验结果如图6，图7所示。
图4 AD7621转换与读取时钟图
图5 信号采集及数据流控制图
图6 CCD长积分时间
图7 CCD短积分时间
在图6和图7中，横轴表示的是CCD的2 048个光敏元，纵轴表示的是每个光敏元上光强的大小，范围为0~65 535。其中图6设置的积分时间较长，图7设置的积分时间较短。由两图实验结果可知，当积分时间较长时，A/D采集CCD的2 048个光敏元输出值在55 000左右，这时CCD电荷已饱和。当积分时间较短时，A/D采集CCD的2 048个光敏元输出值在30 000~40 000之间，这时CCD反映了感光面上光强的正常分布。故积分时间设置要合理，若积分时间过长，CCD信号会很强，可能超出ADC的量程，造成无法采集观看到CCD感光面上光强的正常分布。
4 结 论
实验结果表明，基于ZYNQ的微型光谱仪高速数据采集系统工作正常，能够实时采集CCD数据并在软件界面上显示。该数据采集系统有效减少了采用的处理器数量，大大简化了电路结构，使系统空间更小，但其扩展性大大提高，有助于数据的高速采集。
参考文献
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中图分类号：TN911.7⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2016）03⁃0109⁃03
doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.03.028
收稿日期：2015⁃07⁃15
基金项目：医用麻醉气体泄漏检测仪项目（TC2014GY18）
作者简介：黄超（1990—），女，山东德州人，硕士研究生。研究方向为光谱技术与成像光谱技术。
Design of ZYNQ⁃based high⁃speed data acquisition system for micro⁃spectrometer
HUANG Chao1，LU Zhan2，HE Jian1，YANG Xiuqin1
（1.Qufu Normal University，Qufu 273100，China；2.Taicang Institute of Opto⁃electronic Technology，Taicang 215400，China）
Abstract：A high⁃speed data acquisition system for micro⁃spectrometer based on ZYNQ microprocessor is introduced，in which ZYNQ7010 is taken as the core microprocessor.The high⁃speed spectral data acquisition system is composed of ILX511CCD linear detector and AD7621 high⁃speed A/D converter.The maximum sampling rate can reach up to 3 MS/s. ZYNQ7010 is integrated with the dual⁃core ARM Cortex⁃A9 MPCore processor，FPGA logic and DSP unit，which can reduce the space of the spectral data acquisition system，and has high scalability.It provides abundant resources for later spectral data processing.
Keywords：micro⁃spectrometer；ZYNQ microprocessor；data acquisition；ILX511CCD linear detector
