鄭思旭 黃斐 柳陽 郭漢明

摘 要：為滿足微型光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求，在選用量子效率更高的背照式面陣CCD基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于STM32F4與FPGA雙核工作模式的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用STM32F4完成主控制邏輯和DMA傳輸，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)對CCD及相關(guān)器件的驅(qū)動，運(yùn)用相關(guān)雙采樣模式對CCD輸出的模擬信號進(jìn)行采集，最終通過串口功能模塊與上位機(jī)通訊，實(shí)時(shí)顯示采集光譜。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有清空CCD內(nèi)部殘留電荷和積分時(shí)間可調(diào)（8ms-60s）的能力，采集效果良好，實(shí)用性極高。

關(guān)鍵詞：背照式CCD;STM32;FPCA;相關(guān)雙采樣

DOI： 10. 11907/rjdk.192047

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0176-04

0 引言

光譜檢測分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)和高分子材料等領(lǐng)域。隨著光譜檢測領(lǐng)域的擴(kuò)展，作為光譜分析的探測器、電荷耦合器件（ Charge-Coupled Device，CCD）以及由CCD組成的光譜采集系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)良與否會嚴(yán)重影響光譜采集效果[1]。相比常規(guī)的前照式CCD，背照式CCD避免了正面結(jié)構(gòu)的吸收損失，不易受外界干擾，工作穩(wěn)定，其峰值量子效率可達(dá)90%以上[2-3]，對光譜響應(yīng)的靈敏度高，非常適用于光譜探測等諸多領(lǐng)域[4-5]。

本文采用STM32F4和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）雙核工作模式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。相對于單獨(dú)使用STM32F4或者FPCA的單核工作模式，雙核模式可極大限度地發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)[3，67]：①采用STM32F4控制主程序邏輯和直接內(nèi)存訪問（ Direct M emorv Access，DMA），為微型光譜儀等儀器預(yù)留功能接口;②使用Verilog硬件控制描述語言（HDI）編寫FPCA控制模塊，實(shí)現(xiàn)對CCD及相關(guān)器件時(shí)序的高速、并行和精準(zhǔn)控制[8]。同時(shí)采用具有相關(guān)雙采樣（ CorrelatedDouble Sample，CDS）功能的16位精度（光譜動態(tài)范圍高達(dá)65535）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D9826，采集CCD輸出的模擬信號[9]。經(jīng)A/D9826轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過STM32F4內(nèi)置的DMA同步發(fā)送至STM32F4緩存中[10]。最終通過串口功能模塊與上位機(jī)通訊[11]，實(shí)時(shí)顯示光譜，實(shí)現(xiàn)光譜的快速采集。

本文通過采用部分遮光采集光信號的方式驗(yàn)證采集系統(tǒng)的高效性、準(zhǔn)確性與實(shí)用性，同時(shí)采用以最低積分時(shí)間采集暗噪聲的方式驗(yàn)證系統(tǒng)的噪聲抑制能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案響應(yīng)迅速，準(zhǔn)確度高，具有清空CCD內(nèi)部殘留電荷和積分時(shí)間可調(diào)（8ms-60s）的驅(qū)動能力。光譜動態(tài)范圍高達(dá)65 535，最低積分時(shí)間下的信噪比高達(dá)450db（噪聲來源僅為暗噪聲）和低至146的均方差有效值（RMSE）。該系統(tǒng)雖然以背照式CCD為例，但也能為其它型號的CCD控制技術(shù)提供參考，具有極高的實(shí)用性。

1 背照式CCD工作原理

背照式CCD采用Hamamatsu公司的S10420-1006-01，其有效像素為64行×2 048列，共1 31 072個(gè)。根據(jù)S10420-1006-01芯片手冊，具體時(shí)序如圖1所示。一次完整的CCD積分輸出流程需七路驅(qū)動信號，兩路垂直驅(qū)動信號PIV和P2V，四路水平驅(qū)動信號PIH、P2H、P3H和P4H，以及一路復(fù)位信號RC。同時(shí)CCD積分輸出過程分為Integration time、Vertical binning period 和Readout period三個(gè)階段：①Integration time階段。在一路垂直信號PIV和四路水平信號驅(qū)動下，CCD像素快門打開，CCD對入射光進(jìn)行曝光，同時(shí)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換;②Vertical binning period階段。在垂直信號驅(qū)動下，CCD對其內(nèi)部一列像素進(jìn)行垂直裝箱操作，即每一列64個(gè)像素存儲的信號電荷被轉(zhuǎn)移到同一像素中，等待水平轉(zhuǎn)移輸出;③Readout period階段。在水平信號和復(fù)位信號的驅(qū)動下，CCD將已垂直裝箱的信號電荷依次轉(zhuǎn)移輸出，此時(shí)A/D和DMA同步對CCD輸出的OS信號進(jìn)行采集和存儲，最后通過串口發(fā)送至上位機(jī)圖形界面，可直接觀察入射光的相對光譜強(qiáng)度。

2 光譜采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)背照式CCD時(shí)序工作原理，系統(tǒng)選用STM32F4和FPGA雙核工作模式。STM32F4主要功能是設(shè)計(jì)主程序控制器并提供DMA傳輸，為微型光譜儀等相關(guān)儀器預(yù)留功能接口[12]。FPCA為CCD和A/D9826提供精準(zhǔn)的驅(qū)動時(shí)序。

CCD的光譜采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)流程為：上位機(jī)通過串口1發(fā)送控制指令集到STM32F4，STM32F4將指令解碼，得到積分時(shí)間;而后通過串口2將積分時(shí)間發(fā)送至FPGA以驅(qū)動CCD和A/D9826。CCD輸出的OS模擬信號通過A/D9826同步采集，采集后的數(shù)據(jù)通過8個(gè)GPIO口的DMA同步發(fā)送至STM32F4緩存中;最后由串口1發(fā)送至上位機(jī)中，用C#編寫上位機(jī)圖形軟件同步顯示，繪制出相對光譜強(qiáng)度分布曲線。

2.1 CCD驅(qū)動設(shè)計(jì)

參考圖1的CCD時(shí)序圖，對CCD的時(shí)序驅(qū)動方式采用“清空模式”的驅(qū)動設(shè)計(jì)。這是因?yàn)镃CD在不進(jìn)行積分操作的等待時(shí)間內(nèi)，像素內(nèi)部有殘留電荷，該殘留電荷隨著時(shí)間變化而逐漸累積，導(dǎo)致CCD光譜再次采集時(shí)出現(xiàn)光譜信號強(qiáng)度過大的誤差[13]。

為此，設(shè)計(jì)如圖3所示的邏輯流程。CCD工作開始后，首先進(jìn)入“清空模式”，當(dāng)FPCA未接收到STM32F4傳輸?shù)姆e分時(shí)間時(shí)，CCD以最低積分時(shí)間8ms進(jìn)行積分;然后通過Vertical binning period和Readout period階段，將CCD像素里的殘留電荷輸出，此模式不進(jìn)行A/D采集和DMA傳輸，循環(huán)此操作至FPCA接收到積分。此時(shí)CCD以接收到的積分時(shí)間進(jìn)行曝光，隨后進(jìn)入Vertical binningperiod階段，然后進(jìn)入Readout period階段。Readout period階段中A/D采集和DMA傳輸同步進(jìn)行。在Readout peri-od結(jié)束后，CCD再次進(jìn)入“清空模式”，等待下一次積分指令到來。

通過使用HDL編寫FPCA模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)CCD七路驅(qū)動時(shí)序，然后通過Modelsim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證[14]，得到3個(gè)階段的時(shí)序仿真如圖4所示，由于CCD -次采集時(shí)間過長，仿真時(shí)序圖過大，不宜展示，并且Integrationtime里的PIH時(shí)序與Readout period完全一樣，因此以Vertical binning period和Readout period為例表示驅(qū)動時(shí)序間的關(guān)系。

如圖4所示，由上到下依次表示P1-2V、P1-4H和RC驅(qū)動信號。系統(tǒng)時(shí)鐘CLK為50MHz，即一個(gè)周期1/50MHz=0.02us，在Vertical binning period內(nèi)，PIV和P2V以180。的差值進(jìn)行驅(qū)動，兩者信號驅(qū)動周期為96us，占空比50%，此時(shí)RC信號保持高電平，無效;在Readout period內(nèi)，PIH與P2H、P3H和P4H分別相差900、180。和2700，它們的信號驅(qū)動周期為24us，占空比50%，此時(shí)RC以24us的周期和25%的占空比進(jìn)行驅(qū)動。

在使用上述驅(qū)動時(shí)序驅(qū)動CCD前，光譜采集系統(tǒng)已嚴(yán)格按照S10420-1106-01芯片手冊為CCD提供各類工作電平。而后得到CCD輸出模擬信號OS，如圖5所示。觀察可知OS信號為相關(guān)信號，其中①標(biāo)注的部分為復(fù)位緩沖電平，②標(biāo)注的部分為復(fù)位電平，③標(biāo)注的部分為像素信號電平。

2.2 相關(guān)雙采樣原理及AD9826驅(qū)動設(shè)計(jì)

針對Os信號為相關(guān)信號這一特性，本文采用具有CDS功能的A/D芯片對其進(jìn)行采集。選用美國AD公司的CCD專用信號處理芯片A/D9826，該芯片擁有16位A/D轉(zhuǎn)換精度，內(nèi)部集成了相關(guān)雙采樣、可調(diào)參考電壓、多通道選擇、電壓鉗位和可配置的數(shù)字增益放大器等功能，同時(shí)該芯片的最小采樣周期為80ns，遠(yuǎn)小于OS信號一個(gè)像素的輸出周期24us，滿足采集需求。

如圖6所示，單通道CDS采樣就是在每個(gè)像素周期內(nèi)對CCD信號進(jìn)行兩次采集。采樣時(shí)鐘為CDSCLK1和CD-SCLK2，分別于時(shí)鐘下降沿處采樣復(fù)位電平和像素信號電平。由于兩次采樣的時(shí)間間隔非常小，因此此時(shí)的噪聲可以作為相關(guān)性信號。通過將兩次采樣信號相減，消除相應(yīng)噪聲，再經(jīng)過CDS增益放大器輸出，即為CCD輸出信號的有效值。因此，CDS技術(shù)可以有效消除復(fù)位噪聲，還可抑制低頻噪聲、寬帶白噪聲和1/f噪聲，顯著降低噪聲水平[15]。

2.3 DMA傳輸與串口傳輸

為保證CCD輸出的每個(gè)像素都能正確采集，采用DMA原理設(shè)計(jì)了一種傳輸方式，將A/D9826轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)同步傳輸至STM32F4的緩存中。DMA的最大特點(diǎn)是不需要CPU參與，直接實(shí)現(xiàn)儲存器（STM32F4緩存）與外設(shè)（AlD9826）之間的數(shù)據(jù)傳輸，不僅提高了CPU利用率，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速傳輸。

采用STM32F4內(nèi)部串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。STM32F4通過串口下行接收上位機(jī)積分時(shí)間指令，上行傳輸STM32F4緩存內(nèi)的4 096組CCD光譜數(shù)據(jù)。串口實(shí)現(xiàn)以115 200的波特率進(jìn)行8位數(shù)據(jù)傳輸，具有奇偶校驗(yàn)的檢測手段，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證光譜采集系統(tǒng)的高效性、準(zhǔn)確性與實(shí)用性，采用對CCD感光面部分遮光的方式進(jìn)行檢測，通過上位機(jī)圖形界面觀察該情況下的采集結(jié)果進(jìn)行判斷。CCD曝光部分的像素電荷應(yīng)達(dá)到飽和，輸出光譜強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到16位精度的最大值65 535;CCD遮光部分的像素輸出光譜強(qiáng)度應(yīng)接近于0?？紤]到暗電流等因素對采集的干擾，光譜強(qiáng)度應(yīng)大于0。測試方法如下：使用寬度不相等的遮光黑膠布遮擋CCD感光面的不同位置，通過光譜采集系統(tǒng)采集后，在上位機(jī)圖形界面上顯示，觀測光譜數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期。

圖7為CCD信號采集實(shí)物圖，各模塊如注釋所示。通過上位機(jī)軟件可測得，在光照飽和狀態(tài)下CCD輸出的光譜強(qiáng)度接近A/D9826采樣飽和值65 535，而在無光狀態(tài)下約在100左右。

圖8為不同寬度的遮光黑膠布遮擋CCD感光面的不同位置后，CCD采集到的光譜數(shù)據(jù)。

圖中橫坐標(biāo)為CCD水平方向的像素?cái)?shù)值，縱坐標(biāo)為相對光譜強(qiáng)度，圖中的凹陷位置為CCD被遮光的區(qū)域采集得到的光譜信號，可知光譜強(qiáng)度相對較弱，其中凹陷①和②分別對應(yīng)寬膠布和窄膠布的遮光位置，而突起部分則是CCD無遮擋區(qū)域采集的光譜信號，強(qiáng)度相對較強(qiáng)，與預(yù)期設(shè)計(jì)相符。同時(shí)，由于CCD遮光區(qū)域邊緣漏光，造成采集系統(tǒng)的光譜在遮光邊緣處譜線緩慢上升或者下降的現(xiàn)象。

為驗(yàn)證光譜采集系統(tǒng)的抑制噪聲能力，在全暗環(huán)境下以最低積分時(shí)間8ms對CCD進(jìn)行積分采集操作，使用信噪比（噪聲來源僅僅為CCD暗噪音時(shí)）、均方差有效值（RMSE）評價(jià)CCD的暗噪聲水平。該實(shí)驗(yàn)實(shí)施了嚴(yán)格的避光操作以防止背景光干擾。

其中RMSE評價(jià)校準(zhǔn)計(jì)算公式如下：

式（1）中，yi是2 048個(gè)像素的真實(shí)暗噪聲值，yi為所有像素的暗噪聲平均值，n是CCD像素總數(shù)。

測試結(jié)果如圖9所示。橫坐標(biāo)為CCD水平方向的像素?cái)?shù)值，縱坐標(biāo)表示暗噪聲數(shù)值。通過計(jì)算可得8ms積分時(shí)間下的最大信噪比高達(dá)450db，RMSE低至146，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的抑制暗噪聲能力。

4 結(jié)語

綜上可知，基于STM32F4和PFGA的背照式CCD光譜采集系統(tǒng)具有良好的CCD驅(qū)動能力和較好的暗噪聲抑制能力，可以應(yīng)用在相似的CCD上，為光譜儀等器件提供可靠的光譜采集方案。同時(shí)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著CCD積分時(shí)間和環(huán)境溫度的增大，CCD暗噪聲也隨之變大，該現(xiàn)象影響了光譜采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。后期可通過算法處理、硬件電路濾波和制冷處理等方式降低暗噪聲對光譜采集系統(tǒng)的影響[16-20]。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ 61178079）

作者簡介：鄭思旭（1994-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑷跣盘枡z測、光電檢測技術(shù);黃斐 （1992-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆姍z測技術(shù)、信號處理;柳陽（1995-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆姍z測技術(shù);郭漢明（1977-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔庾V儀及光譜數(shù)據(jù)分析算法、納米光學(xué)顯微成像及檢測。本文通訊作者：郭漢明。