一种基于FPGA的快速静态光谱复原系统设计流程概述.docx
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1、种基于FPGA的快速静态光谱复原系统设计流程概述O引言在各类光谱测试中,对光谱数据采集的速度都有不同的要求,故提高光谱数据采集速度的技术主要有以下两大方向:一是通过光学方法实现,将传统时间扫描改成空间成像,由此可大幅提高干涉条纹采集速度1;二是通过数据采集篁法实现2,利用高效算法完成数据快速运算。对于静态干涉系统而言,静态干涉条纹的采集是直接获取图像实现的,不需要机械扫描,所以大幅提高了速度。其将待测光以静态干涉条纹的方式成像在CCD上,由此空域到频域完成了光谱分布的计算3-6。可见制约干涉系统数据处理能力的主要是系统便性部分和处理算法的优劣。FPGA作为基于硬件编程的数据处理芯片,在众多光谱
2、数据处理方面具有显著的特点与优势7-10O因为FPGA处理速度快、功耗低,所以被广泛用于信号处理等。静态光谱数据的运算与处理耗时最多的是傅氏变换运算部分,其包括了乘法运算和转移匹配处理,故使用FPGA完成可尽量保障系统的运算实时性。通过FPGA设计完成对芯片资源利用率的最优化,这样可以在不降低运算速度的前提下最大程度地节约成本。为了将静态干涉条纹的空域信息通过算法转换为频域信息,本文研究了适用于FPGA的干涉条纹数据采集与处理系统,该系统速度快、稳定性高,具有高效性、稳定性的特点11T2。相比之下,FPGA比XiIinX更快,资源利用率更高。将本系统与MAT1与仿真结果进行对比可知,本系统光谱
3、数据计算效果更好、误差更小,具有更好的应用前景。1系统设计光谱数据采集与处理系统如图1所示。首先,光堂接收模块采集入射光,经准直后进入静态干涉棱镜中,产生静态干涉条纹,再通过CCD传感餐完成对干涉条纹的采集。CCD的采集速度由FPGA决定,保证采集与系统运算的同步性,当干涉条纹数据进入FPGA处理模块后,完成对初始光的光谱重建。由傅氏变换关系可知,入射光的两束分束光通过准直透镜以后被分离,从而形成干涉过程需要的两束光,这两束光最后汇聚到了一起,因为不同的光程差而形成干涉条纹。FPGA对干涉条纹采集并处理,包括滤波、降噪、FFT、光谱位置标定等,最终实现将频域信息转换成光谱信息。入射光图1光谱数
4、据采集与处理系统FPGA的运算速度快,适合光谱的快速计算,FPGA内部逻辑设计十分重要,其决定了系统是否能够高效地完成数据采集与处理。FPGA的运算数据处理部分主要对空域信息进行解算,从而实现对频域信息的计算,是提高其运算处理能力的主要手段。FPGA的数据处理需要从控制CCD邈避开始,对数据的高效计算包括干涉条纹采集、数据傅氏变换、光谱位置标定等,通过以上思路完成了对FPGA硬件模块结构的设计,如图2所示。图2FPGA便件结构设计整个光谱数据采集与处理系统可以分为三个部分:数据采集区、数据处理区和数据显示单元。(1)数据采集区,该区域通过驱动控制电路使CCD探测器将干涉条纹传输给存储器,存储器
5、采用双口RAM设计,以便实现数据的高速输入与输出,将实部与虚部分开发送给FFT运算器;(2)数据处理区,该区域将数据中实部和虚部分别进行数据蝶形运算,再对蝶形运算结果进行乘法混合,为了进一步提高系统处理能力,与双弥RAM进行更好的配合,采用了并行数据输入输出的形式完成,光谱位置的标定通过SqUareroot模块实现,大大提升了系统的处理能力;(3)数据显示单元,该单元将处理完成的数据通过预先设定的接口完成数据的输出与显示。2采集接口设计及仿真为了实现快速获取光频谱信息,需要干涉条纹的采集速度大于处理速度,同时,还需要将采样数据与处理数据进行匹配。可见,在实现FFT过程中,需要提高数据的传输速率
6、。在本系统中,数据处理模块为了保障FFT运算过程的连续性,系统数据传输速率设置为3.OMHz(读)和1.5MHz(写)。由此可见,读写采用异步RAM实现,数据深度均为10位。输入采用“Kdra”和“addrb”、时钟采用c1kaw和“c1kb”、数据输出采用“doutb”实现。则其异步存储模块的仿真结果如图3所示。在光谱数据采集模块中,采用TOSHIBA公司的TVD-2712型CCD传感器,位深设置可选8bit、10bit、12bit,位深越深对应的光谱量化误差越小,但是其数据总量越大,所以通过不同位深的仿真计算,可以优化位深的选择,从而确定系统数据转换位深设置。当处理系统的位深采用10bit
7、时,时钟频率为150MHz,则CCD图像传感器的最高采集频率可以达到10MHz,由此可见,设计20分频的系统分频结构具有较好的匹配效果。首先,利用VeriIOg触发系统控制端,形成驱动信号控制,然后在MOdCI迎6.0中仿真,仿真结果如图3所示。根据仿真结果可知,设计的时序逻辑关系与拟采用的CCD逻辑时序是一致的,系统构成的读写异步RAM可完成系统光谱数据的采集与处理,对静态干涉条纹的采集、传输、处理具有高效性。3处理模块设计及仿真光谱数据处理采用VirteX2-Pr。型嵌入式处理芯片实现,流水线处理模式,位深选择10bit,FFT在FPGA的IP核中实现,输入采用和“xn_re”,起始信号为
8、start”,输出信号采用xk_im、xk_re”、“xk_index”、“xk_index”完成实部虚部信息的输出。运算流程五基-2时间型。FPGA的时序关系仿真结果如图4所示。图4处理模块的仿真结果在该运算器中,通过两个辅助的RAM可以实现对变换结果的存储,利用RAM减小对提高FPGA资源使用效率,进而提升系统的处理能力。系统由两个硬件乘法器、四个储存器完成了光谱数据的蝶形运算与光谱位置标定,同时,该方法还有效地提高了系统的数据处理速率,在100.OMHZ的工作基频下,实现1024点FFT仅需33Uso同时,还在仿真中对不同位深数据进行了测试,仿真结果表明,位深主要影响系统的处理速度,8b
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