一種基于FPGA的快速靜態(tài)光譜復(fù)原系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程概述

0 引言

在各類(lèi)光譜測(cè)試中，對(duì)光譜數(shù)據(jù)采集的速度都有不同的要求，故提高光譜數(shù)據(jù)采集速度的技術(shù)主要有以下兩大方向：一是通過(guò)光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)，將傳統(tǒng)時(shí)間掃描改成空間成像，由此可大幅提高干涉條紋采集速度［1］；二是通過(guò)數(shù)據(jù)采集算法實(shí)現(xiàn)［2］，利用高效算法完成數(shù)據(jù)快速運(yùn)算。對(duì)于靜態(tài)干涉系統(tǒng)而言，靜態(tài)干涉條紋的采集是直接獲取圖像實(shí)現(xiàn)的，不需要機(jī)械掃描，所以大幅提高了速度。其將待測(cè)光以靜態(tài)干涉條紋的方式成像在CCD上，由此空域到頻域完成了光譜分布的計(jì)算［3-6］?？梢?jiàn)制約干涉系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的主要是系統(tǒng)硬件部分和處理算法的優(yōu)劣。

FPGA作為基于硬件編程的數(shù)據(jù)處理芯片，在眾多光譜數(shù)據(jù)處理方面具有顯著的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)［7-10］。因?yàn)镕PGA處理速度快、功耗低，所以被廣泛用于信號(hào)處理等。靜態(tài)光譜數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理耗時(shí)最多的是傅氏變換運(yùn)算部分，其包括了乘法運(yùn)算和轉(zhuǎn)移匹配處理，故使用FPGA完成可盡量保障系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時(shí)性。通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)完成對(duì)芯片資源利用率的最優(yōu)化，這樣可以在不降低運(yùn)算速度的前提下最大程度地節(jié)約成本。

為了將靜態(tài)干涉條紋的空域信息通過(guò)算法轉(zhuǎn)換為頻域信息，本文研究了適用于FPGA的干涉條紋數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)速度快、穩(wěn)定性高，具有高效性、穩(wěn)定性的特點(diǎn)［11-12］。相比之下，F(xiàn)PGA比Xilinx更快，資源利用率更高。將本系統(tǒng)與MATLAB仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，本系統(tǒng)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算效果更好、誤差更小，具有更好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)如圖1所示。首先，光學(xué)接收模塊采集入射光，經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入靜態(tài)干涉棱鏡中，產(chǎn)生靜態(tài)干涉條紋，再通過(guò)CCD傳感器完成對(duì)干涉條紋的采集。CCD的采集速度由FPGA決定，保證采集與系統(tǒng)運(yùn)算的同步性，當(dāng)干涉條紋數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA處理模塊后，完成對(duì)初始光的光譜重建。由傅氏變換關(guān)系可知，入射光的兩束分束光通過(guò)準(zhǔn)直透鏡以后被分離，從而形成干涉過(guò)程需要的兩束光，這兩束光最后匯聚到了一起，因?yàn)椴煌墓獬滩疃纬筛缮鏃l紋。FPGA對(duì)干涉條紋采集并處理，包括濾波、降噪、FFT、光譜位置標(biāo)定等，最終實(shí)現(xiàn)將頻域信息轉(zhuǎn)換成光譜信息。

FPGA的運(yùn)算速度快，適合光譜的快速計(jì)算，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)十分重要，其決定了系統(tǒng)是否能夠高效地完成數(shù)據(jù)采集與處理。FPGA的運(yùn)算數(shù)據(jù)處理部分主要對(duì)空域信息進(jìn)行解算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻域信息的計(jì)算，是提高其運(yùn)算處理能力的主要手段。FPGA的數(shù)據(jù)處理需要從控制CCD探測(cè)器開(kāi)始，對(duì)數(shù)據(jù)的高效計(jì)算包括干涉條紋采集、數(shù)據(jù)傅氏變換、光譜位置標(biāo)定等，通過(guò)以上思路完成了對(duì)FPGA硬件模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

整個(gè)光譜數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)處理區(qū)和數(shù)據(jù)顯示單元。（1）數(shù)據(jù)采集區(qū)，該區(qū)域通過(guò)驅(qū)動(dòng)控制電路使CCD探測(cè)器將干涉條紋傳輸給存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器采用雙口RAM設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速輸入與輸出，將實(shí)部與虛部分開(kāi)發(fā)送給FFT運(yùn)算器；（2）數(shù)據(jù)處理區(qū)，該區(qū)域?qū)?shù)據(jù)中實(shí)部和虛部分別進(jìn)行數(shù)據(jù)蝶形運(yùn)算，再對(duì)蝶形運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行乘法混合，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)處理能力，與雙端口RAM進(jìn)行更好的配合，采用了并行數(shù)據(jù)輸入輸出的形式完成，光譜位置的標(biāo)定通過(guò)Square root模塊實(shí)現(xiàn)，大大提升了系統(tǒng)的處理能力；（3）數(shù)據(jù)顯示單元，該單元將處理完成的數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)先設(shè)定的接口完成數(shù)據(jù)的輸出與顯示。

2 采集接口設(shè)計(jì)及仿真

為了實(shí)現(xiàn)快速獲取光頻譜信息，需要干涉條紋的采集速度大于處理速度，同時(shí)，還需要將采樣數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。可見(jiàn)，在實(shí)現(xiàn)FFT過(guò)程中，需要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊為了保障FFT運(yùn)算過(guò)程的連續(xù)性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)置為3.0 MHz（讀）和1.5 MHz（寫(xiě)）。由此可見(jiàn)，讀寫(xiě)采用異步RAM實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)深度均為10位。輸入采用“addra”和“addrb”、時(shí)鐘采用“clka”和“clkb”、數(shù)據(jù)輸出采用“doutb”實(shí)現(xiàn)。則其異步存儲(chǔ)模塊的仿真結(jié)果如圖3所示。

在光譜數(shù)據(jù)采集模塊中，采用TOSHIBA公司的TVD-2712型CCD傳感器，位深設(shè)置可選8 bit、10 bit、12 bit，位深越深對(duì)應(yīng)的光譜量化誤差越小，但是其數(shù)據(jù)總量越大，所以通過(guò)不同位深的仿真計(jì)算，可以優(yōu)化位深的選擇，從而確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換位深設(shè)置。當(dāng)處理系統(tǒng)的位深采用10 bit時(shí)，時(shí)鐘頻率為150 MHz，則CCD圖像傳感器的最高采集頻率可以達(dá)到10 MHz，由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)20分頻的系統(tǒng)分頻結(jié)構(gòu)具有較好的匹配效果。首先，利用Verilog觸發(fā)系統(tǒng)控制端，形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，然后在Modelsim6.0中仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。根據(jù)仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的時(shí)序邏輯關(guān)系與擬采用的CCD邏輯時(shí)序是一致的，系統(tǒng)構(gòu)成的讀寫(xiě)異步RAM可完成系統(tǒng)光譜數(shù)據(jù)的采集與處理，對(duì)靜態(tài)干涉條紋的采集、傳輸、處理具有高效性。

3 處理模塊設(shè)計(jì)及仿真

光譜數(shù)據(jù)處理采用Virtex 2-Pro型嵌入式處理芯片實(shí)現(xiàn)，流水線處理模式，位深選擇10 bit，F(xiàn)FT在FPGA的IP核中實(shí)現(xiàn)，輸入采用“xn_im”和“xn_re”，起始信號(hào)為“start”，輸出信號(hào)采用“xk_im”、“xk_re”、“xk_index”、“xk_index”完成實(shí)部虛部信息的輸出。運(yùn)算流程為基-2時(shí)間型。FPGA的時(shí)序關(guān)系仿真結(jié)果如圖4所示。

在該運(yùn)算器中，通過(guò)兩個(gè)輔助的RAM可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變換結(jié)果的存儲(chǔ)，利用RAM減小對(duì)提高FPGA資源使用效率，進(jìn)而提升系統(tǒng)的處理能力。系統(tǒng)由兩個(gè)硬件乘法器、四個(gè)儲(chǔ)存器完成了光譜數(shù)據(jù)的蝶形運(yùn)算與光譜位置標(biāo)定，同時(shí)，該方法還有效地提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速率，在100.0 MHz的工作基頻下，實(shí)現(xiàn)1 024點(diǎn)FFT僅需33 μs。同時(shí)，還在仿真中對(duì)不同位深數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，仿真結(jié)果表明，位深主要影響系統(tǒng)的處理速度，8 bit速度最快，12 bit速度最慢，但8 bit的反演結(jié)果波長(zhǎng)振幅降低，信噪比低；10 bit與12 bit的振幅和信噪比相近，但12 bit運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)明顯增加，為了保證反演的實(shí)時(shí)性，最終選用10 bit，在下面的實(shí)驗(yàn)中將進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

整個(gè)系統(tǒng)由激光光源、CCD傳感器、干涉棱鏡、高速數(shù)據(jù)采集卡、FPGA開(kāi)發(fā)板組成，計(jì)算機(jī)完成在片編譯及仿真分析；激光器的中心波長(zhǎng)是980 nm，提供穩(wěn)定的待測(cè)激光；干涉棱鏡采用兩個(gè)直角棱鏡的組合，其中一個(gè)存在等效斜契角0.10°；示波器采集控制信號(hào)；TVD2712型CCD傳感器采集靜態(tài)干涉條紋，該CCD的光譜范圍為320～1 100 nm，單個(gè)像元尺寸為8 μm×8 μm。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.2 位深對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在仿真分析后，通過(guò)構(gòu)建硬件測(cè)試系統(tǒng)完成對(duì)中心波長(zhǎng)980 nm激光的光譜復(fù)原。在測(cè)試前，設(shè)定了合適的位深格式數(shù)據(jù)，再實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的位深是調(diào)試后選定的，針對(duì)8 bit、10 bit和12 bit的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，不同位深測(cè)試得到的中心波長(zhǎng)處振幅不同，實(shí)現(xiàn)時(shí)間不同，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

位深檔位不同時(shí)，從8 bit調(diào)整為12 bit時(shí)，經(jīng)傅氏變換后的中心波長(zhǎng)處主峰振幅不斷增大，信噪比更高，但變化過(guò)程逐漸趨緩；當(dāng)位深增大時(shí)，測(cè)試得到的中心波長(zhǎng)位置不變，半寬也沒(méi)有明顯變化；同時(shí)，當(dāng)位深增大時(shí)，運(yùn)算時(shí)間卻明顯提升，系統(tǒng)總體運(yùn)算時(shí)間從約1 200個(gè)機(jī)器周期增至5 200個(gè)機(jī)器周期?？梢?jiàn)，單純通過(guò)提高位深不會(huì)改變中心波長(zhǎng)位置和半寬，但其可以使光譜振幅得到提高，從而提升信噪比。但代價(jià)是系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間進(jìn)一步增長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理。所以位深的設(shè)置需要綜合考慮，系統(tǒng)最終采用10 bit的位深，同時(shí)保證系統(tǒng)一定的信噪比和處理速度。

4.3 頻譜對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在位深測(cè)試完成的基礎(chǔ)上，分別對(duì)兩種不同處理方式同時(shí)針對(duì)980 nm進(jìn)行對(duì)比分析，分析系統(tǒng)光譜復(fù)原處理效果，與傳統(tǒng)的MATLAB軟件光譜反演方法進(jìn)行對(duì)比。系統(tǒng)獲得的靜態(tài)干涉條紋如圖7（a）所示，通過(guò)FPGA復(fù)原得到的實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)如圖7（b）所示，通過(guò)MATLAB復(fù)原得到的實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)如圖7（c）所示。

如圖7所示，圖7（a）表示由干涉棱鏡獲得的靜態(tài)干涉條紋，該干涉條紋由FPGA采集并傳輸?shù)讲杉?，再通過(guò)傳輸接口完成與電腦的數(shù)據(jù)交互。圖7（b）和圖7（c）是對(duì)同一組光譜數(shù)據(jù)的復(fù)原結(jié)果，F(xiàn)PGA與MATLAB的光譜反演中心波長(zhǎng)位置相同，誤差小于0.2 nm；但FPGA獲得的振幅峰峰值要略優(yōu)于MATLAB，因?yàn)槠浏B加效果更為明顯；FPGA獲得的數(shù)據(jù)噪聲均值不如MATLAB的測(cè)試數(shù)據(jù)；10 bit位深條件下FPGA的整個(gè)數(shù)據(jù)處理周期為55 μs，而MATLAB的整個(gè)數(shù)據(jù)處理周期為610 μs，可見(jiàn)，采用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)處理算法上光譜反演效果基本一致，而在處理速度上得到了大幅提高，說(shuō)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

針對(duì)干涉條紋數(shù)據(jù)處理中處理效果與處理速度之間的矛盾問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的快速靜態(tài)光譜復(fù)原系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了FPGA的采集與處理硬件模塊，通過(guò)FPGA實(shí)時(shí)控制CCD傳感器快速獲取干涉條紋，再經(jīng)處理模塊完成蝶形運(yùn)算與光譜位置標(biāo)定等。通過(guò)對(duì)采集、處理部分的設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)時(shí)序邏輯關(guān)系結(jié)果驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。在對(duì)比了不同位深對(duì)系統(tǒng)復(fù)原效果的基礎(chǔ)上，選擇了10 bit的工作模式，并與MATLAB測(cè)試數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證了本系統(tǒng)的精度與特性，說(shuō)明其具有較好的應(yīng)用前景。

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