一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法
技术领域
1.本发明涉及光谱数据采集与传输领域，尤其涉及一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法。
背景技术：2.现有光谱仪如拉曼光谱仪、光纤光谱仪等多采用arm+fpga，arm+dsp，dsp+fpga等架构的多芯片方案，此类方案系统结构复杂，开发维护困难，而且多芯片之间的通信和数据传输受到多芯片之间互联引脚数量的限制，影响传输速度；目前光谱仪多采用的spi协议，为4线制单线传输；对传输速度要求不高时，此传输方式可满足要求，但对传输速度要求高时，特别要求高通量，高帧频时，受到传输格式的限制，不能满需求。另外，光谱仪在对短脉冲信号的探测时，要求ccd探测器在很短的时间内，进入工作状态(即开始积分)，才能检测到短脉冲信号；现有的ccd探测器在收到信号到进入工作状态，需要一定启动时间，不能满足需求。因此，现有技术还有待改进和提高。
技术实现要素：3.本发明要解决的技术问题是提供一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法，解决现有的光谱仪采用多芯片结构，结构复杂、传输速率低的问题。
4.本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，包括zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块；所述zynq芯片包括fpga单元和arm单元；所述fpga单元和arm单元通过axi总线连接并进行数据交互；所述fpga单元分别与ccd驱动模块和ad量化模块连接；所述ccd驱动模块驱动ccd探测器并获取ccd探测器采集的模拟量光谱数据；所述fpga单元控制ccd驱动模块；所述ad量化模块与ccd驱动模块连接将模拟量的光谱数据处理为数字量的光谱数据；所述fpga单元控制ad量化模块并获取数字量的光谱数据；所述arm单元与laser控制模块连接；所述laser控制模块控制激光器并获取激光器反馈的温度信号；所述arm单元从laser控制模块获取温度数据并控制laser控制模块。
5.进一步地，还包括usb传输模块和usb接口，所述arm单元与usb传输模块连接，所述usb传输模块通过usb接口与pc机连接；所述arm单元从通过usb传输模块从pc机获取控制命令，并将获取的光谱数据传送给pc机。
6.进一步地，还包括ccd接口和laser接口，所述ccd驱动模块通过ccd接口连接到ccd探测器；所述laser控制模块通过laser接口连接到激光器。
7.进一步地，还包括供电模块，所述供电模块给所述zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块供电。
8.本发明为解决上述技术问题而采用的另一技术方案是提供一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，包括如下步骤：步骤s1：初始化配置，所述arm单元发送初始化命令，所述fpga单元接收初始化命令更新寄存器；所述fpga进行预启动，产生预启动时序，
通过所述ccd驱动模块驱动cdd探测器，使其处于待探测状态；步骤s2：所述arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号驱动激光器工作，所述arm单元发出ccd控制信号驱动cdd探测器工作；步骤s3：所述激光器产生的激光照射在被检测物上发生散射，部分散射光发生红移，所述cdd探测器采集散射光红移后的光谱得到模拟量的光谱数据；步骤s4：所述ccd驱动模块获取模拟量的光谱数据，所述ad量化模块将模拟量的光谱数据转化为数字量的光谱数据并传输至fpga单元；步骤s5：所述fpga单元对数字量的光谱数据进行处理，并将处理后的光谱数据经axi总线传输至arm单元。
9.进一步地，所述步骤s2包括：步骤s21：所述arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号，所述laser控制模块根据laser驱动信号驱动激光器工作；步骤s22：在所述激光器响应后，所述arm单元发出ccd控制信号，所述fpga单元通过axi总线获取ccd控制信号；所述fpga单元收到ccd控制信号后，产生驱动ccd探测器的启动时序，经ccd驱动模块，生成供ccd探测器工作的时序，通过ccd接口输出到ccd探测器，所述探测器开始积分；步骤s23：所述laser控制模块接收激光器的测温电压信号，并将测温电压信号转换为温度数据发送给arm单元，所述arm单元根据温度数据通过arm单元的软核处理器通过pid调节控制激光器制冷，使得所述激光器在设定的温度范围内工作。
10.进一步地，所述步骤s4还包括：ad量化模块根据接收的采样调整指令调整模拟量的光谱数据转化为数字量的光谱数据时的采样位置；所述采样调整指令由arm单元发出经由fpga单元传输到ad量化模块。
11.进一步地，所述步骤s5中fpga单元对数字量的光谱数据进行处理包括对1至65535帧光谱数据的求和及1至65535帧范围内任意帧光谱数据的求平均。
12.进一步地，所述arm单元通过usb传输模块与pc机进行数据交互，所述arm单元从pc机获取控制命令；所述arm单元将处理后的光谱数据传输至pc机。
13.本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法，采用zynq芯片替代了fpga+arm的多芯片架构，简化结构，简化数据传输过程；采集的数据由fpga单元处理后直接由arm单元传输给pc机，无需进行中间转存，提高传输效率，实现光谱数据实时采集和高通量实时传输；通过对ccd驱动模块的预启动，实现对短脉冲信号的实时探测。
附图说明
14.图1为本发明实施例的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置示意图；
15.图2为本发明实施例的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法流程图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
17.图1为本发明实施的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置示意图。
18.请参见图1，本发明实施例的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，包括zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块；
19.zynq芯片是赛灵思公司推出的一款fpga和微处理器集成在一起的soc，包括fpga单元和arm单元；fpga单元和arm单元通过axi(advanced extensible interface)总线连接
并进行数据交互；
20.fpga单元分别与ccd驱动模块和ad量化模块连接；
21.ccd驱动模块驱动ccd探测器并获取ccd探测器采集的模拟量光谱数据，ccd驱动模块通过ccd接口连接到ccd探测器；fpga单元控制ccd驱动模块；
22.ad量化模块与ccd驱动模块连接将模拟量的光谱数据处理为数字量的光谱数据；fpga单元控制ad量化模块并获取数字量的光谱数据；ad量化模块采用ad4000或ad9826芯片；
23.arm单元与laser控制模块连接；
24.laser控制模块控制激光器并获取激光器反馈的温度信号，laser控制模块通过laser接口连接到激光器；arm单元从laser控制模块获取温度数据并控制laser控制模块，其中，laser控制模块主要使用ts5a3159qdbvrq和tlv62565dbv芯片。
25.具体地，还包括usb传输模块和usb接口，arm单元与usb传输模块连接，usb传输模块通过usb接口与pc机连接；arm单元从通过usb传输模块从pc机获取控制命令，并将获取的光谱数据传送给pc机，usb传输模块主要使用usb3320c-ezk芯片。还包括供电模块，供电模块给zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块供电。
26.请同时参见图2，本发明实施例的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，包括如下步骤：
27.步骤s1：初始化配置，arm单元发送初始化命令，fpga单元接收初始化命令更新寄存器；fpga进行预启动，产生预启动时序，通过ccd驱动模块驱动cdd探测器，使其处于待探测状态，即处于待积分状态；
28.步骤s2：arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号驱动激光器工作，arm单元发出ccd控制信号驱动cdd探测器工作；具体包括：
29.步骤s21：arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号，laser控制模块根据laser驱动信号驱动激光器工作；
30.步骤s22：在激光器响应后，arm单元发出ccd控制信号，fpga单元通过axi总线获取ccd控制信号；fpga单元收到ccd控制信号后，产生驱动ccd探测器的启动时序，经ccd驱动模块，生成供ccd探测器工作的时序，通过ccd接口输出到ccd探测器，探测器开始积分；实现对短脉冲信号的实时探测。
31.arm单元可根据激光器的响应时间设置产生laser驱动信号的时刻，如激光器的响应时间为1ms,产生的laser驱动信号比产生的ccd控制信号提前1ms。
32.步骤s23：laser控制模块接收激光器的测温电压信号，并将测温电压信号转换为温度数据发送给arm单元，arm单元根据温度数据通过arm单元的软核处理器通过pid调节控制激光器制冷，使得激光器在设定的温度范围内工作。
33.设置激光器的工作温度(如25℃)后，工作温度高于设置的工作温度后，激光器的测温信号通过laser控制模块给到arm单元，通过软核处理器的pid控制给激光器制冷形成负反馈，使得激光器的工作温度始终维持在设定温度(如25
±
0.2℃)。
34.步骤s3：激光器产生的激光照射在被检测物上发生散射，部分散射光发生红移，即拉曼位移，cdd探测器采集散射光红移后的光谱得到模拟量的光谱数据；
35.步骤s4：ccd驱动模块获取模拟量的光谱数据，ad量化模块将模拟量的光谱数据转
化为数字量的光谱数据并传输至fpga单元；
36.ad量化模块根据接收的采样调整指令调整模拟量的光谱数据转化为数字量的光谱数据时的采样位置，使得光谱数据的有效像元信号的采样位置实时可调；采样调整指令由arm单元发出经由fpga单元传输到ad量化模块。
37.步骤s5：fpga单元对数字量的光谱数据进行处理，并将处理后的光谱数据经axi总线传输至arm单元。fpga单元对数字量的光谱数据进行处理包括对1至65535帧光谱数据的求和及1至65535帧范围内任意帧光谱数据的求平均。
38.axi总线的时钟为100mhz，传输数据的位宽为32bit，带宽为3.2gbps，可满足高通量传输需求。
39.优选地，arm单元通过usb传输模块与pc机进行数据交互，arm单元从pc机获取控制命令；arm单元将处理后的光谱数据传输至pc机。usb传输模块可以是usb2.0或usb3.0，其中，usb2.0高速可以达到480mbps，usb3.0可以达到5.0gbps，可满足高通量传输需求。
40.综上所述，本发明实施例的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法，采用zynq芯片替代了fpga+arm的多芯片架构，简化结构，简化数据传输过程；采集的数据由fpga单元处理后直接由arm单元传输给pc机，无需进行中间转存，提高传输效率，实现光谱数据实时采集和高通量实时传输；通过对ccd驱动模块的预启动，实现对短脉冲信号的实时探测。
41.虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
技术特征：1.一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，其特征在于，包括zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块；所述zynq芯片包括fpga单元和arm单元；所述fpga单元和arm单元通过axi总线连接并进行数据交互；所述fpga单元分别与ccd驱动模块和ad量化模块连接；所述ccd驱动模块驱动ccd探测器并获取ccd探测器采集的模拟量光谱数据；所述fpga单元控制ccd驱动模块；所述ad量化模块与ccd驱动模块连接将模拟量的光谱数据处理为数字量的光谱数据；所述fpga单元控制ad量化模块并获取数字量的光谱数据；所述arm单元与laser控制模块连接；所述laser控制模块控制激光器并获取激光器反馈的温度信号；所述arm单元从laser控制模块获取温度数据并控制laser控制模块。2.如权利要求1所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，其特征在于，还包括usb传输模块和usb接口，所述arm单元与usb传输模块连接，所述usb传输模块通过usb接口与pc机连接；所述arm单元从通过usb传输模块从pc机获取控制命令，并将获取的光谱数据传送给pc机。3.如权利要求1所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，其特征在于，还包括ccd接口和laser接口，所述ccd驱动模块通过ccd接口连接到ccd探测器；所述laser控制模块通过laser接口连接到激光器。4.如权利要求1所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输装置，其特征在于，还包括供电模块，所述供电模块给所述zynq芯片、ccd驱动模块、ad量化模块和laser控制模块供电。5.一种基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，其特征在于，应用于如权利要求1-4中任意一项所述的光谱数据实时采集与传输装置，其特征在于，包括如下步骤：步骤s1：初始化配置，所述arm单元发送初始化命令，所述fpga单元接收初始化命令更新寄存器；所述fpga进行预启动，产生预启动时序，通过所述ccd驱动模块驱动cdd探测器，使其处于待探测状态；步骤s2：所述arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号驱动激光器工作，所述arm单元发出ccd控制信号驱动cdd探测器工作；步骤s3：所述激光器产生的激光照射在被检测物上发生散射，部分散射光发生红移，所述cdd探测器采集散射光红移后的光谱得到模拟量的光谱数据；步骤s4：所述ccd驱动模块获取模拟量的光谱数据，所述ad量化模块将模拟量的光谱数据转化为数字量的光谱数据并传输至fpga单元；步骤s5：所述fpga单元对数字量的光谱数据进行处理，并将处理后的光谱数据经axi总线传输至arm单元。6.如权利要求5所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，其特征在于，所述步骤s2包括：步骤s21：所述arm单元接收启动命令，发出laser驱动信号，所述laser控制模块根据laser驱动信号驱动激光器工作；
步骤s22：在所述激光器响应后，所述arm单元发出ccd控制信号，所述fpga单元通过axi总线获取ccd控制信号；所述fpga单元收到ccd控制信号后，产生驱动ccd探测器的启动时序，经ccd驱动模块，生成供ccd探测器工作的时序，通过ccd接口输出到ccd探测器，所述探测器开始积分；步骤s23：所述laser控制模块接收激光器的测温电压信号，并将测温电压信号转换为温度数据发送给arm单元，所述arm单元根据温度数据通过arm单元的软核处理器通过pid调节控制激光器制冷，使得所述激光器在设定的温度范围内工作。7.如权利要求5所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，其特征在于，所述步骤s4还包括：ad量化模块根据接收的采样调整指令调整模拟量的光谱数据转化为数字量的光谱数据时的采样位置；所述采样调整指令由arm单元发出经由fpga单元传输到ad量化模块。8.如权利要求5所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，其特征在于，所述步骤s5中fpga单元对数字量的光谱数据进行处理包括对1至65535帧光谱数据的求和及1至65535帧范围内任意帧光谱数据的求平均。9.如权利要求5所述的基于zynq的高通量光谱数据采集与传输方法，其特征在于，所述arm单元通过usb传输模块与pc机进行数据交互，所述arm单元从pc机获取控制命令；所述arm单元将处理后的光谱数据传输至pc机。
技术总结本发明公开了一种基于Zynq的高通量光谱数据采集与传输装置及方法，装置包括Zynq芯片、CCD驱动模块、AD量化模块和Laser控制模块；Zynq芯片包括通过AXI总线连接的FPGA单元和ARM单元；FPGA单元分别与CCD驱动模块和AD量化模块连接；CCD驱动模块驱动CCD探测器并获取CCD探测器采集的模拟量光谱数据；AD量化模块与CCD驱动模块连接将模拟量的光谱数据处理为数字量的光谱数据；FPGA单元控制AD量化模块并获取数字量的光谱数据；ARM单元从Laser控制模块获取温度数据并控制Laser控制模块。本发明实现光谱数据的实时采集及高通量传输，实现短脉冲信号实时探测。脉冲信号实时探测。脉冲信号实时探测。
技术研发人员：于永爱 栗银龙 徐晶晶 陈娟
受保护的技术使用者：上海如海光电科技有限公司
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
