基于DMD的微小型近红外光谱仪FPGA嵌入式软件开发及应用.pdf

摘要

基于DMD的近红外光谱仪测量速度更、稳定性更高、易于实现光谱解析

算法，具有显著的优势。本文基于微型近红外光谱仪的技术研究背景，设计开发

了基于DMD的微小型近红外光谱仪FPGA嵌入式软件。软件以FPGA为主控单元，

以数字微镜作为控制核心，可实现光谱谱面分割，且使仪器体积大幅缩小。通过

基于FPGA的高速数据传输系统设计，实现光谱信号的高速采集。同时优化阿达

玛编码模板，应用于DMD微镜面阵，达到光谱信号的高信噪比采集。

本文首先给出了课题的研究背景，通过对微型近红外光谱仪器的相关文献的

搜集与阅读，总结了当前技术的发展及应用。同时对DMD的工作原理，及阿达

玛变换编码过程进行了相应分析，为开展后续的FPGA嵌入式软件开发和DMD模

板改进等工作提供了理论依据。

在软件设计部分，基于DMD的微小型近红外光谱仪FPGA软件采用现场可编

程门阵列（FPGA）作为主控单元，以FPGA控制模板图案数据通过24bit的并行

接口实时传输，驱动DMD选通入射光，同时进行A/D转换，实现光谱数据快速采

集。同时开发了专用上位机软件，可以输出光谱采集结果，操作简便，实用性强。

为便于上下位机指令交互，完成了相关的通信协议设计。

针对DMD镜面图案模板不适配的问题，通过分析DMD加载图案模板的工作

方式，提出了一种分组测量的阿达玛变换扫描方法，使拆分后阿达玛图案列条纹

宽度可根据需求灵活调整，解决了DMD微镜行列数不能按阶数平均分配的问题，

且一定程度上降低DMD微小尺寸镜面带来的衍射效应，同时使光谱仪拥有更灵

活的像素带宽度设置区间。测试了列扫描和阿达玛两种工作模式对噪声的抑制水

平。在弱光条件下，验证了阿达玛模式相对于列扫描模式有更高的信噪比。

最后通过实验验证了FPGA嵌入式软件可以稳定可靠的运行。然后测试了搭

载软件的光谱仪样机，结果表明其能够实现光谱稳定、高速的采集，满足了近红

外光谱仪大量、精确、实时的应用需求。再对实际样品进行光谱采集，从测量的

结果分析了列扫描和阿达玛两种工作模式的性能。实验测试说明了本文完成了基

于DMD的微小型近红外光谱仪FPGA嵌入式软件的开发工作，且实现了光谱仪的

微型化和近红外光谱的高质量、高实时性、高信噪比采集。

关键词：阿达玛变换；现场可编程门阵列；近红外光谱；数字微镜器件；信噪比

I

ABSTRACT

BasedontheDMD,thenear-infraredspectrometerexhibitsfastermeasurement

speed,higherstability,andeaseofimplementingspectralanalysisalgorithms,

presentingsignificantadvantages.Thispaper,inthecontextofthetechnicalresearch

backgroundofthemicro-near-infraredspectrometer,designsanddevelopsanFPGA

embeddedsoftwareforaDMD-basedmicro-near-infraredspectrometer.Thesoftware,

withFPGAasthemaincontrolunitandDMDasthecorecontrol,canachievespectral

surfacesegmentation,significantlyreducingtheinstrumentsvolume.Throughthe

designofahigh-speeddatatransmissionsystembasedonFPGA,high-speedspectral

signalacquisitionisrealized.Additionally,theoptimizationoftheHadamard

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