基于FPGA的InGaAs圖像傳感器光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏?zhàn)趶?qiáng)，薛 萌，朱亮慶，郭漢明

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

拉曼光譜作為一種無損、非接觸的快速檢測(cè)技術(shù)，因其能快速分析分子結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。傳統(tǒng)拉曼光譜儀大都以CCD 作為光電轉(zhuǎn)換器件，激發(fā)波長較短。在醫(yī)學(xué)診斷上，短激發(fā)波長的拉曼信號(hào)容易被樣品組織的熒光信號(hào)掩蓋，但I(xiàn)nGaAs 圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器件的的近紅外拉曼光譜檢測(cè)儀［1-2］能降低熒光背景，因此表現(xiàn)更為出色。

近紅外拉曼光譜檢測(cè)儀的核心是光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，技術(shù)指標(biāo)對(duì)光譜儀整體性能至關(guān)重要。隨著技術(shù)進(jìn)步，人們對(duì)該方面的研究不斷推陳出新。黃超等［3］設(shè)計(jì)了一種基于高性能精簡(jiǎn)計(jì)算機(jī)（Advanced RISC Machine，ARM）的光譜采集系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電荷耦合器件完成數(shù)據(jù)的正常采集，但僅停留在前期數(shù)據(jù)采集階段，并未進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)處理傳輸，集成度不高。Vahid 等［4］基于數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processor，DSP）設(shè)計(jì)光譜采集系統(tǒng)，利用微處理器提取有效光譜數(shù)據(jù)，但無法通過指令控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交互功能。魏科宇等［5］基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）設(shè)計(jì)光譜采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光譜的采集、傳輸與顯示，但選用單通道采樣，傳輸數(shù)據(jù)量小、采樣率較低。因此，目前迫切需要設(shè)計(jì)一套準(zhǔn)確、采樣率和集成度高的近紅外光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

為此，本文針對(duì)InGaAs 圖像傳感器設(shè)計(jì)光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以FPGA 為主控，利用Verilog 語言編寫時(shí)序驅(qū)動(dòng)In-GaAs 圖像傳感器雙通道進(jìn)行采集、ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸?shù)?，得到完整的光譜數(shù)據(jù)并顯示。首先，F(xiàn)PGA 將數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸集成在一塊主控芯片，利用Dpram 處理雙通道數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)間減半，滿足了系統(tǒng)對(duì)高集成度和采樣率的需求。通過對(duì)圖像傳感器感光面部分遮光的方式來采集光信號(hào)，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)功能良好，光譜數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確度、采樣率高，相較于傳統(tǒng)光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)用性更高。

1 采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體組成

光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)處理兩大部分組成，如圖1 所示。信號(hào)產(chǎn)生部分首先將光信號(hào)輸入In-GaAs 圖像傳感器，照射在像素陣列上，將其陣列表面上的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后像素上的電荷經(jīng)過充電放大陣列電路將信號(hào)放大，最后通過CMOS 讀取電路讀出信號(hào)電荷。FPGA 作為整個(gè)系統(tǒng)的主控，通過程序編寫系列指令控制傳感器的開啟、關(guān)閉及采集時(shí)長，驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制傳感器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的整個(gè)過程。

Fig.1 Collection system structure圖1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

InGaAs 圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)需要在信號(hào)處理部分經(jīng)過ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換才能得到數(shù)字信號(hào)，因InGaAs 圖像傳感器輸出雙通道信號(hào)的特點(diǎn)，利用FPGA 的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)了雙通道信號(hào)的奇偶穿插銜接，將信號(hào)整合為一路輸出，最終經(jīng)過串口建立通訊傳出數(shù)據(jù)［6］。

2 采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 InGaAs圖像傳感器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是以1 064 nm 為激發(fā)波長的近紅外拉曼光譜采集系統(tǒng)，在此波段下傳統(tǒng)圖像傳感器在抑制熒光背景方面效果較差，主要原因在于傳統(tǒng)圖像傳感器多以SiO2為基底［7］，帶隙能量的限制使其在1 064 nm 波段處響應(yīng)較弱，無法達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

然而，InGaAs 圖像傳感器以較小的InGaAs 為基底，能有效偵測(cè)該波段且偵測(cè)靈敏度較高。光譜系統(tǒng)選用濱松公司的InGaAs 圖像傳感器G14237-512WA，雙通道輸出512 個(gè)像素，每個(gè)像素線性陣列的排在InGaAs 光電二極管上，以電荷積分模式讀出，利用FPGA 驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制整個(gè)過程。如圖2 所示，采集分別包括信號(hào)電荷積分、信號(hào)電荷放大轉(zhuǎn)移、信號(hào)電荷讀取3個(gè)階段。

Fig.2 Complete InGaAs image sensor acquisition timing圖2 完整的InGaAs圖像傳感器采集時(shí)序

2.1.1 信號(hào)電荷積分階段

該階段為光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)光照射到傳感器上的InGaAs 光電二極管的柵極上，光子被吸收形成電子—空穴對(duì)，相當(dāng)于柵極上施加一個(gè)正向壓降，形成了電場(chǎng)，電子活動(dòng)將受到了一定的束縛，處于中間電勢(shì)的電子需要克服較大的電勢(shì)差才能離，從而形成信號(hào)電荷的積分儲(chǔ)存。圖2 中RESET 的高電平時(shí)間即為信號(hào)電荷儲(chǔ)存所需的積分時(shí)間。

2.1.2 信號(hào)電荷放大轉(zhuǎn)移階段

當(dāng)RESET 信號(hào)下降沿出現(xiàn)時(shí)，即為信號(hào)電荷放大轉(zhuǎn)移的開始階段，每一個(gè)像素的信號(hào)電荷放大后按串行方式轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，直至單個(gè)通道傳遞完256個(gè)像素。

2.1.3 信號(hào)電荷讀取階段

由圖2 可見，當(dāng)信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖，并依次讀取信號(hào)電荷。根據(jù)InGaAs 圖像傳感器的芯片手冊(cè)表明一個(gè)像素的讀取時(shí)間為1 μs，故設(shè)置CLK為1 μs，保證CLK 的上升沿在VIDEO 的高電平的時(shí)間范圍內(nèi)，當(dāng)256 個(gè)像素讀取完成后，輸出的模擬信號(hào)將進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）中取得數(shù)字信號(hào)。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

InGaAs 圖像傳感器的采樣速率為1 MB/s，為了使系統(tǒng)適應(yīng)偏高速傳輸，本文選用ADI 公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2311-16。該款A(yù)DC 信號(hào)數(shù)據(jù)吞吐速率高達(dá)5 MB/s，具有低噪聲、高速、差分輸入的特點(diǎn)，能一次傳輸16 位串行數(shù)據(jù)，電路原理圖如圖3 所示。其中，InGaAs 輸出的模擬信號(hào)經(jīng)左端的Video 端口進(jìn)入到ADC 中，經(jīng)右端的SDO端口輸出數(shù)字信號(hào)。

LTC2311-16 工作時(shí)需要外部電源供給，模擬輸入端為+5 V，數(shù)字輸入端為+1.8 V。為了在最大程度上減小電源上噪聲的干擾，在電源輸入端采用高低容值［8］匹配的方式組成濾波電路，以過濾電源的高低頻噪聲。

LTC2311-16 是一款16 位逐次逼近型ADC［9］，能在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏高速傳輸，圖像傳感器的模擬信號(hào)VIDEO 通過采樣以保持電路（Sample and Hold）輸入，而DAC 產(chǎn)生一定倍數(shù)的參考電壓，兩路信號(hào)同時(shí)進(jìn)入由運(yùn)放構(gòu)成的比較器中，進(jìn)而輸出0 或1。當(dāng)DAC 的電壓與輸入的模擬信號(hào)電壓相近時(shí)，通過串口輸出一串16 位的數(shù)字邏輯電平，即完成了一個(gè)像素的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 為FPGA 中利用SPI 協(xié)議產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)控制整個(gè)過程，時(shí)序產(chǎn)生CNV 信號(hào)，發(fā)現(xiàn)下降沿時(shí)轉(zhuǎn)換開始，即產(chǎn)生SCK 信號(hào)。SCK 信號(hào)相當(dāng)于為轉(zhuǎn)換提供了時(shí)鐘信頻率，等待16 位全部轉(zhuǎn)換結(jié)束后SCK 信號(hào)便會(huì)拉高為下一次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備，一次完整的轉(zhuǎn)換結(jié)束后將輸出SDO 信號(hào)。

Fig.4 LTC2311-16 working sequence diagram圖4 LTC2311-16工作時(shí)序圖

2.3 采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本文軟件利用Altera 公司的QuartusII 軟件編寫時(shí)序控制程序，整個(gè)采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)程序功能設(shè)計(jì)頂層如圖5 所示。具體為，在系統(tǒng)指令模塊中生成5 項(xiàng)控制指令，分別用于開啟InGaAs 圖像傳感器、單次采集、連續(xù)采集、停止采集、關(guān)閉InGaAs 圖像傳感器，完成指令后將端口傳入In-GaAs 驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊通過時(shí)序控制InGaAs 圖像傳感器，包含信號(hào)端口cf_select1 與cf_select2，通過置0 或1 控制傳感器的光電轉(zhuǎn)換效率［15］，如表1所示。

Table 1 Photoelectric conversion efficiency control表1 光電轉(zhuǎn)換效率控制

Fig.5 Top design of acquisition drive timing sequence圖5 采集驅(qū)動(dòng)時(shí)序頂層設(shè)計(jì)

由圖5 可見，輸出端口的AD_sp 信號(hào)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換是否開啟，兩塊相同的LTC2311-16 時(shí)序邏輯控制模塊開始工作。在轉(zhuǎn)換過程中，pixel_Cap1、pixel_Cap2 信號(hào)為十分重要的標(biāo)志位信號(hào)，每當(dāng)一次像素轉(zhuǎn)換完成后，pixel_Cap1、pixel_Cap2 便拉高將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻pram 中與串口建立通訊［10］。

本文利用Moselsim 軟件［11］進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的時(shí)序是否符合預(yù)期要求。FPGA 產(chǎn)生InGaAs 圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)CLK_1M、RESET 信號(hào)，通過指令控制RESET 信號(hào)的高電平保持時(shí)間，以滿足不同積分時(shí)間的要求，如圖6所示。LTC2311-16 利用SPI協(xié)議［12］外接串口傳輸，由于此款A(yù)DC 轉(zhuǎn)換會(huì)延遲一個(gè)SPI 傳輸周期，即本次轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)是上一次采集的信號(hào)電荷，因此第一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)沒有任何意義。同時(shí)，因傳感器采集256 個(gè)像素需要256 us，剔除第一次后便需要257 次轉(zhuǎn)換，即257 us。兩路信號(hào)同時(shí)開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)CNV 信號(hào)為低電平，SCK 信號(hào)由高電平翻轉(zhuǎn)為頻率為25 MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，并在每次SCK 下降沿轉(zhuǎn)換一位信號(hào)數(shù)據(jù)，共16 位，故需640 ns。每次像素轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，在SCK 信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后拉高，并等待360 ns到下次轉(zhuǎn)換，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程持續(xù)256 次，直至所有像素轉(zhuǎn)換完成，輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入Dpram［13-14］模塊中進(jìn)行信號(hào)再處理。

Fig.6 InGaAs image sensor drive timing圖6 InGaAs圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序

3 Dpram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與收發(fā)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器中輸出數(shù)據(jù)傳出速率偏高速［15-16］，但串口接收的讀取速率偏低，因此需要媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換［17］，即FPGA 中的雙口隨機(jī)存儲(chǔ)器——Dpram（Dual-port random access memory）。Dpram 頂層設(shè)計(jì)中，雙通道數(shù)據(jù)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換完成后同時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM 模塊，數(shù)據(jù)在RAM 模塊中通過控制讀寫地址的方式奇偶交叉排序。然而，串口發(fā)送的數(shù)據(jù)為8 位，但經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)為16 位，因此需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次拆分，即高8 位與低8 位，具體流程如圖7所示。

Fig.7 Dpram pixel data output loop圖7 Dpram像素?cái)?shù)據(jù)輸出循環(huán)

Fig.8 Dpram data simulation圖 8 Dpram數(shù)據(jù)仿真

為了驗(yàn)證Dpram 功能模塊是否適配ADC 模塊的功能特性，利用QuartusII 軟件編寫testbench 仿真文件，給予雙通道不同的數(shù)據(jù)，以觀察串口輸出［18］數(shù)據(jù)是否符合預(yù)期要求，如圖8所示。

圖8（a）、圖8（b）為奇偶通道輸入數(shù)據(jù)的開頭、結(jié)尾部分，給定奇通道信號(hào)a 數(shù)據(jù)從259（十六進(jìn)制0103）自減到3（十六進(jìn)制0003）；偶通道信號(hào)b 數(shù)據(jù)從65007（十六進(jìn)制FDEF）自加到65 263（十六進(jìn)制FEEF）。圖8（c）、圖8（d）為串口數(shù)據(jù)的開頭、結(jié)尾部分，串口數(shù)據(jù)以FF-D8-02-04（光譜數(shù)據(jù)初始標(biāo)志）開頭，F(xiàn)F-D9（光譜數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志）結(jié)尾，由圖8（c）可見奇通道第一個(gè)輸出的數(shù)據(jù)為258（十六進(jìn)制0102），偶通道第一個(gè)輸出的數(shù)據(jù)為65 008（十六進(jìn)制FDF0），原因是為了配合ADC 模塊剔除第一個(gè)數(shù)據(jù)，圖8（d）中奇通道最后一個(gè)數(shù)據(jù)仍為3（十六進(jìn)制0003），偶通道最后一個(gè)數(shù)據(jù)仍為65 263（十六進(jìn)制FEEF），以保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本套系統(tǒng)在實(shí)際采集中的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，首先將采集的數(shù)據(jù)利用串口發(fā)送到PC 端，利用Matlab 軟件仿真512 個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的相對(duì)光譜強(qiáng)度圖，以觀察是否滿足預(yù)期狀態(tài)。本文對(duì)InGaAs 圖像傳感器上不同感光面進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖9 所示。其中，圖9（a）、圖9（b）、圖9（c）分別針對(duì)感光面的前端部分遮光、后端部分遮光及前后端遮光，并在示波器上得到其對(duì)應(yīng)的輸出奇（video_even）、偶（video_even）通道波形。

Fig.9 InGaAs image sensor photosensitive surface shading圖9 InGaAs圖像傳感器感光面遮光

圖10 為經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后依次繪出的相對(duì)光譜強(qiáng)度圖，橫坐標(biāo)為InGaAs 圖像傳感器像素點(diǎn)數(shù)，共512 個(gè)，縱坐標(biāo)為采集時(shí)相對(duì)光譜強(qiáng)度。當(dāng)InGaAs 圖像傳感器完全曝光時(shí)，曝光部分的信號(hào)電荷達(dá)到飽和，相對(duì)光譜強(qiáng)度便為16位LTC2311-16 的精度最大值，即65 535。遮光部分因In-GaAs 圖像傳感器信號(hào)電荷讀出電路基準(zhǔn)電壓及暗電流噪聲，相對(duì)光譜強(qiáng)度在26 000 左右。根據(jù)LTC2311-16 的電壓轉(zhuǎn)換式（1）可得到電壓值約為1.6 V。

Fig.10 Spectral acquisition results of InGaAs image sensors圖10 InGaAs圖像傳感器光譜采集結(jié)果

式中：Vout表示輸出電壓；VREF表示ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓4.096 V；Ndec表示串口輸出的十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)。

由圖10 可見，越接近遮住邊緣區(qū)域的相對(duì)光譜強(qiáng)度增加越快，邊緣區(qū)域處相對(duì)光譜強(qiáng)度存在明顯激增現(xiàn)象，原因是遮光邊緣透光，使得感光面光強(qiáng)激增、光迅速飽和，導(dǎo)致相對(duì)光譜強(qiáng)度趨于最高。由此可見，整個(gè)過程體現(xiàn)了光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)的靈敏性，能將采集到信號(hào)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾V強(qiáng)度數(shù)據(jù)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文基于FPGA 的InGaAs 圖像傳感器光譜采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采集的光譜數(shù)據(jù)與光譜信號(hào)一致，并經(jīng)過串口建立通訊顯示光譜。采集系統(tǒng)利用雙通道奇偶排序輸出優(yōu)勢(shì)，提升采集效率，為近紅外拉曼光譜儀提供了可靠的采集驅(qū)動(dòng)方案。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流噪聲及像素電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)的讀出噪聲會(huì)影響工作狀態(tài)，后期將增加信號(hào)調(diào)理電路，利用算法對(duì)其進(jìn)行處理優(yōu)化，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)適用性和魯棒性。