基于STM32和CPLD的小型化近紫外CCD光谱仪_李学青
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动多块 CCD。
图 3 CPLD 产生时序原理
2． 2． 2 CCD 驱动和信号处理硬件电路设计 CPLD 输出的时序脉冲高电平电压为 3. 3 V，而驱动 CCD
的时序脉冲高电平需要 4 ～ 5. 5 V。因此在 CPLD 输出的脉冲 信号进入 CCD 之前，设计了一个反相放大电路。该反相放大电 路采用了 CD74HC04E 反相器，将 CPLD 输出的时序脉冲信号 反相放大，实现电平的匹配。CCD 是低功耗探测器，其输出的 电压信号电流较小，负载能力弱。为了能够驱动后面的 A / D 数 据采集电路，CCD 输出信号经过一个具有电流放大功能的射极 跟随器，提高信号负载能力。经过提高负载能力的 CCD 输出电 压信号还需要经过滤波和放大处理，提高 CCD 输出信号的信噪 比［9］。CCD 反相放大电路和信号处理电路设计如图 4 所示。
算法，实现对光谱仪的波长定标。所设计的仪器体积小、质量轻、成本低、稳定性好、操作简单，具有一定的实际推广价值。
关键词： STM32； CPLD； 近紫外光谱仪； 线阵 CCD； 嵌入式
中图分类号： TH744
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2016） 02 － 0018 － 03
Abstract： According to the problem that traditional ultraviolet spectrometers are bigger，more expensive，and longer time spending，a near ultraviolet spectrometer was studied． Based on the design principle of smaller-size spectrometer，UV enhanced liner CCD with 3 648 Pixels was chosen and this spectrometer was controlled by STM32，signal was collected by the CCD which was driven by a CPLD，then the data was stored in SD card，and the results were displayed at a LCD screen． The whole working system includes spectral module，data acquisition and processing module，A / D conversion module and processing control module based on STM32． Three pieces of liner CCD were used to realize the measurement from near ultraviolet to visible wavelengths． In order to correct，low pressure mercury lamp was used as light source，and the standards for wavelengths with the three polynomial fitting algorithm were given． The instrument has the advantages of small volume，light weight，low cost，good stability，simple operation，thus can be widely used in industry in future． Key words： STM32； CPLD； near ultraviolet spectrometer； linear CCD； embedded
基金项目： 中央高校基本科研业务费资助项目（ HUST2015049） ； 国家自 然科学基金项目（ 61464048） 收稿日期： 2015 － 05 － 11
图 1 小型化近紫外光谱仪系统结构
SＲAM［5］。STM32 接收不同按键信息来控制不同的硬件。它控 制 CPLD 产生驱动 CCD 时序，控制 A / D 转换开始和结束，控制 SD 卡存储数据和液晶屏绘图。分光模块是采用基于罗兰圆结 构的凹面光栅分光法，它涉及的光学器件少光损耗低。在信号 采集上，利用 CPLD 产生时序驱动线阵 CCD，实现光信号的采 集。CCD 输出信号经射极跟随器和放大滤波后进入 A / D 模数
为入射波长。
不同波长的复合光由光栅分成单色光，以不同的衍射角照
射到放置在罗兰圆上的 CCD 探测器的不同位置。
由于一级衍射谱比其他级次衍射谱的光强要强，对微弱光
源而言，更有利于 CCD 探测器捕捉光信号。
2． 2 信号采集与处理模块
光信号经罗兰圆分光后入射到 CCD 探测器上，CCD 正常
工作下将光信号转换成电压信号，并输出电压信号。CCD 正常
工作需要有一定 的 时 序 驱 动，而 且 它 输 出 的 电 压 信 号 负 载 小、
包含高频噪声，需要对输出信号处理。
2． 2． 1 CCD 探测器时序驱动
在信号采集上，选用了紫外增强型 TCD1304DG 线阵 CCD 作为探测器［7］。该探测器有 3 648 像素，灵敏度高、暗电流小、
功耗低、还具备 电 子 快 门 功 能。在 时 序 驱 动 上，采 用 可 编 程 逻
2016 年 第2 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2016 No. 2
基于 STM32 和 CPLD 的小型化近紫外 CCD 光谱仪
李学青，王双保，王林月
（ 华中科技大学光学与电子信息学院，湖北武汉 430074）
摘要： 针对传统紫外光谱仪体积大、价格昂贵、测量时间长的缺点，研制了基于 STM32 和 CPLD 的小型化近紫外光谱
Design on Smaller-size Near Ultraviolet CCD Spectrometer Based on STM32 and CPLD
LI Xue-qing，WANG Shuang-bao，WANG Lin-yue （ College of Optics and Electronic Information，Huazhong University of Science ＆ Technology ，Wuhan 430074，China）
第2 期
李学青等： 基于 STM32 和 CPLD 的小型化近紫外 CCD 光谱仪
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转换。利用 STM32 片上 12 位的 A / D 将模拟电信号转换成数 字信号，通过 DMA 实现数据快速转移。光谱数据经处理和换 算后，保存在 SD 卡中，并通过液晶屏绘出光谱图。 2 便携式近紫外光谱仪各模块设计 2． 1 光学分光模块
设计用 MAXⅡ系列的 EPM570T100C5N 作为驱动 CCD 的 核心芯片。采用 VerilogHDL 语言，在 QuartusⅡ开发平台上描 述 CCD 的驱动时序。根据 TCD1304DG 手册上 CCD 时序的要 求，需要提供 2 MHz 时钟频率信号、复位脉冲信号、帧转移信号 和 A / D 触发信号。在 CPLD 50 Hz 的系统时钟下，对它的上升 沿和下降沿分别计数。当上升沿计数器为 1 时，置高 clkr，下降 沿计数为 1 时，置高 clkd； 当上升沿和下降沿计数到 13 时，分别 置低 clkr 和 clkd； 当计数到 25 时，计数器清零，重复上面工作。
图 2 罗兰圆分光模块
光源发出的光经过透镜聚焦在狭缝上，由狭缝入射到凹面
光栅面上，在光栅 面 上 发 生 干 涉 和 衍 射，色 散 后 的 光 在 罗 兰 圆
上成像。根据光栅方程：
d（ s）
式中： d 为光栅常数； α 为入射角； φ 为衍射角； m 为衍射级数； λ
基于 STM32 和 CPLD 的小型化近紫外光谱仪的系统结构 如图 1 所示，该系统主要包括： 光学分光模块、信号采集与处理 模块、A / D 转 换 模 块 和 STM32 控 制 模 块。 该 系 统 采 用 STM32F103ＲCT6 作为主控制器，它使用了 Cortex － M3 作为内 核，工作频率达到 72 MHz，具有 256 KB 的 Flash 和 48 KB 的
仪。该仪器以 STM32 为主控制器，用 CPLD 驱动具有 3 648 像素的紫外增强型线阵 CCD 来采集光信号，采用 SD 卡存储数
据并通过液晶屏来显示测量结果。该系统主要由分光模块、信号采集与处理模块、A / D 转换模块和 STM32 控制处理模块
构成。利用多块线阵 CCD，实现了从近紫外到可见光波段的测量。采用低压汞灯作为标定光源，利用三次多项式拟合的
辑器件 CPLD。它负责产生 CCD 驱动的时钟信号、复位脉冲、帧
转移信号和触发 A / D 转换的信号，其实现原理如图 3 所示。
CPLD 50 MHz 的主时钟经分频器产生 2 MHz 的 CCD 时钟
信号 CCD_CLK，同时通过对系统时钟计数器分别得到复位脉
冲信号 CCD_ICG、帧转移信号 CCD_SH 和触发 A / D 转换信号 AD_OE［7 － 8］。由于 CPLD 能够并行工作输出，因而可以同时驱
图 4 CCD 反相放大和信号处理电路设计图
2． 3 数据转换与处理 处理后的 CCD 输出信号还需要 A / D 转换成数字信号才能
被 STM32 处理。STM32 拥有 2 个 12 位逐次逼近型的模拟数字 转换器，可测量 16 个外部信号。STM32 的 A / D 最大的转换速 率可达 1 MHz，而 TCD1304DG 最大输出为 500 kHz，完全可以满 足采集速度的要求。通过选择不同通道的采样，可实现多路信 号的采集。根据信号处理电路输出的信号电压范围为 1． 5 ～ 2． 6 V，选择参考电压 VＲEF + = 3． 3 V，VＲEF － = 0 V。STM32 中的 A / D 配有 DMA 控制器，通过 DMA 通道可以将 A / D 转换后的 数据快速传送到缓冲区中，并保存在 SD 卡里。数据转移期间 不需要 CPU 做任何干预，显著节省了 CPU 资源。A / D 将模拟 信号转换成数据后，STM32 将电压值转换成光强值，并驱动液 晶屏绘出谱图。 3 软件系统实现 3． 1 CPLD 程序设计
