專利名稱：全譜線陣ccd采集系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種全譜線陣CCD采集系統(tǒng)及其方法，適用于金屬材料光譜分析儀器的信號(hào)采集和傳輸。
背景技術(shù)：
CCD(charge couple device)是電荷耦合器件，它的基本功能是把接收到的光信 號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它的工作過(guò)程是電荷的產(chǎn)生，存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。線陣CCD采集系統(tǒng)是全譜光譜分析儀器的一個(gè)必不可少的核心部件。它的作用是 采集CCD轉(zhuǎn)換出來(lái)的電荷，將其轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中，讓用戶能夠方便直觀 地觀測(cè)樣品中金屬元素發(fā)射光譜的圖像，從而計(jì)算樣品中金屬元素的含量。在光譜分析儀器中，有光電管，光電倍增管，硅光管，CCD等多種光探測(cè)器。CCD作 為圖像傳感器，具有靈敏度高，噪聲低，分辨率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù) 碼相機(jī)和高精度的光電檢測(cè)領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全譜線陣CCD采集系統(tǒng)及其方法，能夠采集CCD信號(hào)， 并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中來(lái)觀測(cè)金屬元素的發(fā)射光譜。它具有良好的靈敏度，穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。本發(fā)明是基于FPGA，USB和CXD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括參數(shù)配置系統(tǒng)，CXD采集系 統(tǒng)，USB傳輸系統(tǒng)和用戶界面軟件系統(tǒng)。技術(shù)方案如下1、參數(shù)配置系統(tǒng)上位機(jī)用戶界面軟件發(fā)出配置信號(hào)，包括CXD采集次數(shù)，單次積 分時(shí)間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏置和增益。其中采集次數(shù)為CCD采集時(shí)間除以單次積分時(shí)間。配 置信號(hào)經(jīng)過(guò)USB接口，發(fā)送到USB傳輸板，再發(fā)送到采集板上。如果用戶沒(méi)有配置參數(shù)，則 按照系統(tǒng)軟件默認(rèn)值處理。2、C⑶采集系統(tǒng)用戶界面軟件發(fā)出開(kāi)始采集的信號(hào)，通過(guò)USB接口，傳輸?shù)讲杉?板上，系統(tǒng)開(kāi)始采集光信號(hào)。采集時(shí)間為用戶所給定的時(shí)間，其范圍是從最小單次積分時(shí)間 以上可調(diào)。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需求連接多片(1 20片)CCD，開(kāi)始采集后，將得到的模擬 信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，并將結(jié)果保存在采集板的控制芯片F(xiàn)PGA中。待采集結(jié)束后，將采集到 的信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。3、USB傳輸系統(tǒng)通過(guò)FPGA和用戶界面軟件的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)到采集板 以及從采集板到上位機(jī)的雙向高速(1MHZ-48MHZ)傳輸。4、用戶界面軟件系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)和采集板的通訊。在采集過(guò)程中向采集板發(fā)送 配置信號(hào)和控制命令，待采集結(jié)束后將信號(hào)從采集板中讀出，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。通過(guò)計(jì)算將 得到的信號(hào)繪制成圖像。另外，該軟件系統(tǒng)還擁有扣除背景的功能，即激發(fā)時(shí)采集到的信號(hào) 與未激發(fā)時(shí)采集到的信號(hào)相減，得到真正有效的信號(hào)，并繪制成圖像。CXD的波長(zhǎng)為150nm-1000nm的范圍內(nèi)，每片C⑶可以采集其物理范圍內(nèi)的全部元 素的含量。本系統(tǒng)用多片(1-20片)CCD同時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)全譜功能。
本發(fā)明的方法是計(jì)算機(jī)控制用戶界面軟件發(fā)出CCD單次積分時(shí)間，采集次數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器增益和偏置的參數(shù)信息，通過(guò)USB接口發(fā)送到USB傳輸板，再發(fā)送到采集板，進(jìn)行 配置；配置結(jié)束后，計(jì)算機(jī)控制用戶界面軟件發(fā)出開(kāi)始采集命令，通過(guò)USB接口傳輸?shù)讲杉?板上，系統(tǒng)開(kāi)始采集光信號(hào)，采集時(shí)間為用戶給定的時(shí)間；采集次數(shù)為采集時(shí)間除以單次積 分時(shí)間；CCD得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，保存在采集板的控制芯片 FPGA中。待采集結(jié)束后，將采集到的信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并保存成可讀寫(xiě)文 件；通過(guò)用戶界面軟件對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制成圖像。本發(fā)明CCD的輸出信號(hào)采用同軸電纜方式傳輸，屏蔽效果好，抗干擾能力強(qiáng)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏置和增益可調(diào)，在采集開(kāi)始前，通過(guò)配置模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。用戶界面軟件系統(tǒng)擁有扣除背景的功能，即激發(fā)時(shí)采集到的信號(hào)與未激發(fā)時(shí)采集 至_信號(hào)相減，得到真正有效的信號(hào)，并繪制成圖像。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)目前國(guó)內(nèi)光譜分析儀器都采用光電倍增管作為光信號(hào)的載體，每個(gè)光電倍增管只 能檢測(cè)一種元素的含量，由于它的體積較大，對(duì)通道數(shù)的設(shè)置具有一定的局限性，很難實(shí)現(xiàn) 全譜掃描。而每片CCD在它能識(shí)別的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以采集到其物理范圍內(nèi)所有元素的含 量，本系統(tǒng)使用多片(1-20片)CCD同時(shí)采集，且CCD的數(shù)量可以隨著用戶要求很方便的增 加或者減少，可擴(kuò)展性好。另外，它能夠?qū)崿F(xiàn)全譜掃描，儀器體積小，暗電流小，量子效率高。CCD采集時(shí)間和單次積分時(shí)間可調(diào)。單次積分時(shí)間影響CCD吸收的光強(qiáng)，太小會(huì)造 成采集強(qiáng)度過(guò)小，有效信號(hào)顯示不出來(lái)；太大可能導(dǎo)致飽和，采集數(shù)據(jù)無(wú)效，單次積分時(shí)間 可調(diào)使用戶根據(jù)具體需要進(jìn)行最佳參數(shù)設(shè)置。采集時(shí)間從設(shè)定的最小單次積分時(shí)間以上可 調(diào)，采集次數(shù)為采集時(shí)間除以單次積分時(shí)間。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏置和增益可調(diào)。通過(guò)調(diào)節(jié)偏置，使CXD的背景噪聲降低到理想值， 采集到的數(shù)據(jù)精度更高。本發(fā)明多次激發(fā)采集的圖像重現(xiàn)性好。


圖1為本發(fā)明全譜線陣CXD采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明全譜線陣CCD采集系統(tǒng)配合火花光源、光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)某金屬樣品激發(fā) 一次采集到的光譜圖像，證明其能夠采集CCD信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中來(lái)觀測(cè)金屬元素發(fā) 射光譜。圖3為本發(fā)明全譜線陣C⑶采集系統(tǒng)配合火花光源、光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)某金屬樣品連續(xù) 五次激發(fā)采集到的圖像，證明了其采集的高重現(xiàn)性。
具體實(shí)施例方式圖1 圖3為本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式
。圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)，包括參數(shù)配置系統(tǒng)、C⑶采集系統(tǒng)、USB傳輸系統(tǒng)以及用戶界 面軟件系統(tǒng)；用火花光源激發(fā)某金屬樣品，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)分光后，用本發(fā)明采集信號(hào)，繪制元 素的光譜圖。計(jì)算機(jī)控制用戶界面軟件發(fā)出CCD單次積分時(shí)間，采集次數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器增益和偏置的參數(shù)信息，通過(guò)USB接口發(fā)送到USB傳輸板，再發(fā)送到采集板，進(jìn)行配置；配置結(jié)束 后，計(jì)算機(jī)控制用戶界面軟件發(fā)出開(kāi)始采集命令，通過(guò)USB接口傳輸?shù)讲杉迳?，系統(tǒng)開(kāi)始 采集光信號(hào)，采集時(shí)間為用戶給定的時(shí)間；采集次數(shù)為采集時(shí)間除以單次積分時(shí)間；CCD得 到的模擬信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，保存在主控制芯片F(xiàn)PGA中；待采集結(jié)束后通 過(guò)USB接口將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并保存成可讀寫(xiě)文件；通過(guò)用戶界面軟件對(duì)得到 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制成圖像。圖2為本發(fā)明全譜線陣CCD采集系統(tǒng)，配合火花光源、光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)某金屬樣品激 發(fā)一次采集到的光譜圖像，證明其能夠采集CCD信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中來(lái)觀測(cè)金屬元素 發(fā)射光譜。圖3為本發(fā)明C⑶采集系統(tǒng)配合火花光源、光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)某金屬樣品連續(xù)五次激發(fā) 采集到的圖像，證明了其采集的高重現(xiàn)性。以上為全譜火花光譜儀用本發(fā)明激發(fā)金屬樣品實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。譜圖反映的分辨 率、靈敏度、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好，能夠用于分析金屬樣品。
權(quán)利要求
一種全譜線陣CCD采集系統(tǒng)，包括，參數(shù)配置系統(tǒng)、CCD采集系統(tǒng)、USB傳輸系統(tǒng)以及用戶界面軟件系統(tǒng)；其特征在于參數(shù)配置系統(tǒng)上位機(jī)用戶界面軟件發(fā)出配置信號(hào)，包括CCD采集次數(shù)，單次積分時(shí)間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的偏置和增益；其中，采集次數(shù)為CCD采集時(shí)間除以單次積分時(shí)間；配置信號(hào)經(jīng)過(guò)USB接口，發(fā)送到USB傳輸板，再發(fā)送到采集板上；如果用戶沒(méi)有配置參數(shù)，則按照系統(tǒng)軟件默認(rèn)值處理；CCD采集系統(tǒng)用戶界面軟件發(fā)出開(kāi)始采集的信號(hào)，通過(guò)USB接口，傳輸?shù)讲杉迳?，系統(tǒng)開(kāi)始采集光信號(hào)；采集時(shí)間為用戶所給定的時(shí)間，其范圍是從最小單次積分時(shí)間以上可調(diào)；CCD采集系統(tǒng)包含1～20片CCD，它們同時(shí)開(kāi)始采集，采集得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，并將結(jié)果保存在采集板的控制芯片F(xiàn)PGA中。待采集結(jié)束后，將采集到的信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。USB傳輸系統(tǒng)通過(guò)FPGA和用戶界面軟件的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從計(jì)算機(jī)到采集板以及從采集板到上位機(jī)的雙向1MHZ 48MHZ傳輸；用戶界面軟件系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)和采集板的通訊；在采集過(guò)程中向采集板發(fā)送配置信號(hào)和控制命令，待采集結(jié)束后將信號(hào)從采集板中讀出，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；通過(guò)計(jì)算將得到的信號(hào)繪制成圖像；另外，該軟件系統(tǒng)還擁有扣除背景的功能，激發(fā)時(shí)采集到的信號(hào)與未激發(fā)時(shí)采集到的信號(hào)相減，得到真正有效的信號(hào)，并繪制成圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，CCD的波長(zhǎng)為150nm-1000nm的范圍內(nèi)，每 片CCD可以采集其物理范圍內(nèi)的全部元素的含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)全譜線陣CCD采集的方法，其特征在于，計(jì)算機(jī)控制用戶 界面軟件發(fā)出CCD單次積分時(shí)間，采集次數(shù)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器增益和偏置的參數(shù)信息，通過(guò)USB 接口發(fā)送到USB傳輸板，再發(fā)送到采集板，進(jìn)行配置；配置結(jié)束后，計(jì)算機(jī)控制用戶界面軟 件發(fā)出開(kāi)始采集命令，通過(guò)USB接口傳輸?shù)讲杉迳?，系統(tǒng)開(kāi)始采集光信號(hào)。采集時(shí)間為用 戶給定的時(shí)間；采集次數(shù)為采集時(shí)間除以單次積分時(shí)間；CCD得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將結(jié)果保存在采集板的控制芯片F(xiàn)PGA中。待采集結(jié)束后，將采集 到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并保存成可讀寫(xiě)文件；通過(guò)用戶界面軟件對(duì) 得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制成圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，CCD的輸出信號(hào)采用同軸電纜方式傳輸， 屏蔽效果好，抗干擾能力強(qiáng)。
全文摘要
一種全譜線陣CCD采集系統(tǒng)及其方法，金屬材料光譜分析測(cè)試領(lǐng)域。系統(tǒng)包括，參數(shù)配置系統(tǒng)、CCD采集系統(tǒng)、USB傳輸系統(tǒng)以及用戶界面軟件系統(tǒng)。用戶界面系統(tǒng)發(fā)出指令，首先配置系統(tǒng)參數(shù)，包括CCD采集次數(shù)和單次積分時(shí)間，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的增益和偏置。然后開(kāi)始采集，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。再由USB傳輸系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，通過(guò)軟件計(jì)算擬合成元素含量的圖像。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠做到多個(gè)CCD同時(shí)采集，高速傳輸；采用同軸電纜來(lái)傳輸CCD模擬信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)；對(duì)金屬材料進(jìn)行重復(fù)多次激發(fā)采集，采集結(jié)果穩(wěn)定，重現(xiàn)性高。
文檔編號(hào)G08C19/00GK101949830SQ20101027359
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者李宏偉, 楊新生, 羅劍秋, 袁良經(jīng), 趙雷, 馬一馨 申請(qǐng)人:北京納克分析儀器有限公司