本發(fā)明涉及信號測量采集及處理領(lǐng)域，尤其涉及一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置及方法。

背景技術(shù)：

拉曼是一種光散射技術(shù)。激光光源的高強(qiáng)度入射光被分子散射時(shí)，有極小一部分，大約1/散射光的波長與入射光不同，其波長的改變由被測樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。因此拉曼光譜與生俱來的缺點(diǎn)就是信號極其微弱，信號極易淹沒在噪聲中，信噪比很低。ccd探測器是一種硅基多通道陣列探測器，可以探測紫外、可見和近紅外光。由于它的高感光度特性，十分適用于分析微弱的拉曼信號，因此被廣泛采用。影響ccd圖像傳感器輸出信號的信噪比的主要噪聲源是復(fù)位噪聲和隨機(jī)噪聲。其中抑制復(fù)位噪聲主流的方法是相關(guān)雙采樣（cds）電路，但是對于需要低讀出頻率的拉曼信號，單像元內(nèi)復(fù)位電平和信號電平在時(shí)間上的相關(guān)系數(shù)較低，因此這種方法只能在一定程度上可以有效抑制復(fù)位噪聲，而且對其他噪聲無能為力。ccd圖像傳感器輸出信號中另一種主要噪聲是隨機(jī)噪聲，在拉曼光譜中影響也很大。硬件上對隨機(jī)噪聲的常規(guī)處理有低通濾波，但是由于拉曼光譜十分微弱，即使是經(jīng)過低通濾波降低噪聲頻譜范圍后，隨機(jī)噪聲依然對拉曼信號的信噪比有很大影響。另外軟件濾波也可以有效抑制隨機(jī)噪聲，但是這種處理方式通常需要采集多幀信號，因此所需的時(shí)間大大增加。尤其對于需要長積分時(shí)間的弱光強(qiáng)光譜信號而言，時(shí)間成本大大增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置及方法，基于對單像元的復(fù)位電平多點(diǎn)采樣，避開復(fù)位脈沖饋通電平后，對剩余的采樣點(diǎn)做硬件加法和除法運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理方法，確保復(fù)位電平的取值更加準(zhǔn)確，提高相關(guān)雙采樣的去噪效果。

一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置包括：ccd探測器、可編程放大電路、高精度adc電路、控制邏輯電路、usb微控制器以及上位機(jī)。所述控制邏輯電路包括ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊、信號的可編程放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、usb通信控制模塊、光譜信號的硬件處理模塊和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。

所述ccd探測器采集拉曼光，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。ccd探測器輸入端與ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊連接，其輸出端與可編程放大電路單向連接。

所述可編程放大電路對ccd探測器轉(zhuǎn)化的電信號進(jìn)行放大?？删幊谭糯箅娐返妮斎攵伺cccd探測器和信號的可編程放大模塊連接，其輸出端與高精度adc電路連接。

所述高精度adc電路對放大后的電信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。高精度adc電路輸入端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和可編程放大電路，其輸出端連接光譜信號的硬件處理模塊。

所述ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對ccd探測器的驅(qū)動(dòng)控制，包括控制時(shí)鐘、積分時(shí)間和制冷控制；其輸入端連接usb微控制器，輸出端連接光譜信號的完整幀采集模塊和ccd探測器。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊控制adc芯片完成信號從模擬域到數(shù)字域的轉(zhuǎn)換。其輸入端連接光譜信號的完整幀采集模塊和usb微控制器。其輸出端連接高精度adc電路。

所述光譜信號的硬件處理模塊對數(shù)字域ccd幀信號進(jìn)行單像元內(nèi)運(yùn)算處理。其輸入端連接高精度adc電路和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。其輸出端連接usb通信控制模塊。

所述光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊產(chǎn)生完整幀信號的有效或無效標(biāo)志。其輸入端連接usb微控制器、ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊。其輸出端連接信號的可編程放大模塊、adc模塊、光譜信號的硬件處理模塊和usb通信控制模塊。

所述信號的可編程放大模塊調(diào)整ccd探測器的輸出信號幅值。其輸入端連接usb微控制器和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。其輸出端連接可編程放大電路。

所述usb通信控制模塊輸出usb微控制器在slavafifo工作模式下的控制時(shí)序。其輸入端連接光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊和光譜信號的硬件處理模塊。所述usb通信控制模塊與usb微控制器雙向連接。

所述usb微控制器完成上位機(jī)和控制邏輯電路之間的雙向數(shù)據(jù)通信；usb微控制器與上位機(jī)和usb通信控制模塊雙向連接。

所述上位機(jī)安裝有光譜采集軟件，能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送控制命令。所述控制命令包括ccd制冷、積分時(shí)間設(shè)置、信號放大、信號采集命令。

一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法，具體步驟包括：

步驟一：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置上電，拉曼光入射到ccd探測器，圖像由光信號轉(zhuǎn)化為電信號。初始化ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊輸出的控制時(shí)鐘頻率，積分時(shí)間。初始化信號的可編程放大模塊控制可編程放大芯片的放大倍數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始輸出信號無效，決定單像元模數(shù)轉(zhuǎn)換次數(shù)的寄存器處于缺省態(tài)。光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊的初始輸出信號無效。光譜信號的硬件處理模塊的初始狀態(tài)下為無效輸出。usb通信控制模塊的初始狀態(tài)下寫時(shí)鐘的控制時(shí)序?yàn)闊o效輸出。

步驟二：運(yùn)用上位機(jī)中的拉曼光譜采集軟件通過usb微控制器的i/o口向控制邏輯電路中的各個(gè)模塊傳輸控制命令。具體為：調(diào)整ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊的控制參數(shù)，包括控制時(shí)鐘頻率、積分時(shí)間和制冷控制命令。修改可編程放大模塊的信號放大倍數(shù)，并捕捉到最近一幀信號后完成放大倍數(shù)調(diào)整。對光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊發(fā)送啟動(dòng)采集或停止采集命令。

步驟三：光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊檢測到usb微控制器的i/o口傳輸?shù)目刂泼畹拿畲a，進(jìn)而判斷命令類型。若采集到的是可編程放大模塊的放大命令，則根據(jù)積分時(shí)間與ccd探測器輸出光譜信號的時(shí)序關(guān)系，光譜信號完整幀準(zhǔn)確采集模塊輸出完整幀信號有效標(biāo)志信號給可編程放大控制模塊，同時(shí)可編程放大控制模塊根據(jù)接收到的命令碼判斷當(dāng)前所需放大倍數(shù)，并控制可編程放大電路完成放大。若采集到的是信號采集命令，則根據(jù)積分時(shí)間與ccd探測器輸出光譜信號的時(shí)序關(guān)系，光譜信號完整幀準(zhǔn)確采集模塊輸出完整幀信號有效標(biāo)志信號給光譜信號的硬件處理模塊，同時(shí)輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換標(biāo)志信號給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，控制高精度adc電路完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號輸入到光譜信號的硬件處理模塊中。

步驟四、首先，光譜信號的硬件處理模塊收到完整幀信號有效標(biāo)志信號后識別出輸入數(shù)據(jù)所對應(yīng)的完整幀，并確認(rèn)每個(gè)輸入數(shù)據(jù)在完整幀中相應(yīng)的位置。然后，光譜信號的硬件處理模塊對每一個(gè)完整幀進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過usb通信控制模塊寫入usb微控制器，進(jìn)一步傳輸給上位機(jī)。

步驟五、若光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊收到信號停止采集命令，則輸出幀信號無效標(biāo)志給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、光譜信號的硬件處理模塊和usb通信控制模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊不產(chǎn)生控制時(shí)鐘，則ad不工作，沒有數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

具體地，所述光譜信號的硬件處理模塊包括加法器、除法器、減法器。加法器、除法器、減法器。加法器的輸出作為除法器的輸入，除法器的輸出作為減法器的輸入，在不同時(shí)鐘下并行運(yùn)行。

具體地，光譜信號的硬件處理模塊對每一個(gè)完整幀進(jìn)行處理的具體過程為：上電之初，光譜信號的硬件處理模塊沒有有效輸出。接收到來自光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊的完整幀信號有效標(biāo)志信號后，高精度adc電路將輸出的數(shù)字信號輸入2n個(gè)16位的觸發(fā)器。首先，為了避開復(fù)位脈沖饋通電平，丟掉前m個(gè)復(fù)位電平采樣點(diǎn)，對剩余n-m個(gè)采樣點(diǎn)求和，求平均作為像元的復(fù)位電平值，具體為：把第n+1到第2n-m個(gè)16位觸發(fā)器的輸出作為復(fù)位電平加法器的輸入，在該像元內(nèi)第n個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志時(shí)鐘有效后，使能加法器。對第n-m+1到第n個(gè)復(fù)位電平采樣點(diǎn)求和，并將該加法器的輸出作為復(fù)位電平除法器的輸入，延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能復(fù)位電平除法器。然后，為了避開水平轉(zhuǎn)移脈沖串?dāng)_電平，丟掉前l(fā)個(gè)信號電平采樣點(diǎn)，對剩余n-l個(gè)采樣點(diǎn)求和求平均作為該像元的信號電平值，具體為：把第1到第n-l+1個(gè)16位觸發(fā)器的輸出作為信號電平加法器的輸入，在該像元內(nèi)第2n個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志時(shí)鐘有效后，使能加法器，對第2n-l+1到第2n個(gè)信號電平采樣點(diǎn)求和，并將該加法器的輸出作為信號電平除法器的輸入，延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能信號電平除法器。再然后，把復(fù)位電平除法器和信號電平觸發(fā)器作為減法器的輸入，再延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能減法器，對該像元的信號電平平均值和復(fù)位電平平均值求差得到有效信號電平。最后，將經(jīng)光譜信號硬件處理模塊處理得到單像元有效信號通過usb微控制器上傳到上位機(jī)。

本發(fā)明在單像元內(nèi)增加采樣點(diǎn)，在不改變ccd輸出信號頻率的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)處理每一幀光譜的每一個(gè)像元信號，避開復(fù)位脈沖饋通電平后，對剩余的采樣點(diǎn)做硬件加法和除法運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理方法，確保復(fù)位電平的取值更加準(zhǔn)確，提高相關(guān)雙采樣的去噪效果，既有效抑制了噪聲，又大大節(jié)約了時(shí)間，實(shí)時(shí)性好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體設(shè)計(jì)框圖；

圖2為ccd采集電路控制邏輯的時(shí)序圖；

圖3為光譜信號的硬件處理模塊的部分信號時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步闡述。

如圖1所示，一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置包括：ccd探測器、可編程放大電路、高精度adc電路、控制邏輯電路、usb微控制器以及上位機(jī)。所述控制邏輯電路包括ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊、信號的可編程放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、usb通信控制模塊、光譜信號的硬件處理模塊和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。

ccd探測器采集拉曼光，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。ccd探測器輸入端與ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊連接，其輸出端與可編程放大電路單向連接。

可編程放大電路對ccd探測器轉(zhuǎn)化的電信號進(jìn)行放大?？删幊谭糯箅娐返妮斎攵伺cccd探測器和信號的可編程放大模塊連接，其輸出端與高精度adc電路連接。

高精度adc電路對放大后的電信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。高精度adc電路輸入端連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和可編程放大電路，其輸出端連接光譜信號的硬件處理模塊。

ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對ccd探測器的驅(qū)動(dòng)控制，包括控制時(shí)鐘、積分時(shí)間和制冷控制。其輸入端連接usb微控制器，輸出端連接光譜信號的完整幀采集模塊和ccd探測器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊控制adc芯片完成信號從模擬域到數(shù)字域的轉(zhuǎn)換。其輸入端連接光譜信號的完整幀采集模塊和usb微控制器。其輸出端連接高精度adc電路。

光譜信號的硬件處理模塊對數(shù)字域ccd幀信號進(jìn)行單像元內(nèi)運(yùn)算處理。其輸入端連接高精度adc電路和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。其輸出端連接usb通信控制模塊。

光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊產(chǎn)生完整幀信號的有效或無效標(biāo)志。其輸入端連接usb微控制器、ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊。其輸出端連接信號的可編程放大模塊、adc模塊、光譜信號的硬件處理模塊和usb通信控制模塊。

信號的可編程放大模塊調(diào)整ccd探測器的輸出信號幅值。其輸入端連接usb微控制器和光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊。其輸出端連接可編程放大電路。

usb通信控制模塊輸出usb微控制器在slavafifo工作模式下的控制時(shí)序。其輸入端連接光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊和光譜信號的硬件處理模塊。usb通信控制模塊與usb微控制器雙向連接。

所述usb微控制器完成上位機(jī)和控制邏輯電路之間的雙向數(shù)據(jù)通信。usb微控制器與上位機(jī)和usb通信控制模塊雙向連接。

上位機(jī)安裝有光譜采集軟件，能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)送控制命令?？刂泼畎╟cd制冷、信號放大、積分時(shí)間設(shè)置、信號采集命令。

一種抑制ccd噪聲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方法，具體步驟包括：

步驟一：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集裝置上電，拉曼光入射到ccd探測器，圖像由光信號轉(zhuǎn)化為電信號。初始化ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊輸出的控制時(shí)鐘頻率，積分時(shí)間。初始化信號的可編程放大模塊控制可編程放大芯片的放大倍數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始輸出信號無效，決定單像元模數(shù)轉(zhuǎn)換次數(shù)的寄存器處于缺省態(tài)。光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊的初始輸出信號無效。光譜信號的硬件處理模塊的初始狀態(tài)下為無效輸出。usb通信控制模塊的初始狀態(tài)下寫時(shí)鐘的控制時(shí)序?yàn)闊o效輸出。

步驟二：運(yùn)用上位機(jī)中的拉曼光譜采集軟件通過usb微控制器的i/o口向控制邏輯電路中的各個(gè)模塊傳輸控制命令。具體為：調(diào)整ccd探測器驅(qū)動(dòng)模塊的控制參數(shù)，包括控制時(shí)鐘頻率、積分時(shí)間和制冷控制命令。修改可編程放大模塊的信號放大倍數(shù)，并捕捉到最近一幀信號后完成放大倍數(shù)調(diào)整。對光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊發(fā)送啟動(dòng)采集或停止采集命令。

步驟三：光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊檢測到usb微控制器的i/o口傳輸?shù)目刂泼畹拿畲a，進(jìn)而判斷命令類型。若采集到的是可編程放大模塊的放大命令，則根據(jù)積分時(shí)間與ccd探測器輸出光譜信號的時(shí)序關(guān)系，光譜信號完整幀準(zhǔn)確采集模塊輸出完整幀信號有效標(biāo)志信號給可編程放大控制模塊，同時(shí)可編程放大控制模塊根據(jù)接收到的命令碼判斷當(dāng)前所需放大倍數(shù)，并控制可編程放大電路完成放大。若采集到的是信號采集命令，則根據(jù)積分時(shí)間與ccd探測器輸出光譜信號的時(shí)序關(guān)系，光譜信號完整幀準(zhǔn)確采集模塊輸出完整幀信號有效標(biāo)志信號給光譜信號的硬件處理模塊，同時(shí)輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換標(biāo)志信號給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，控制高精度adc電路完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號輸入到光譜信號的硬件處理模塊中。

步驟四、，首先，光譜信號的硬件處理模塊收到完整幀信號有效標(biāo)志信號后識別出輸入數(shù)據(jù)所對應(yīng)的完整幀，并確認(rèn)每個(gè)輸入數(shù)據(jù)在完整幀中相應(yīng)的位置。然后，光譜信號的硬件處理模塊對每一個(gè)完整幀進(jìn)行處理，如圖2和圖3所示，具體處理過程為：上電之初，光譜信號的硬件處理模塊沒有有效輸出。接收到來自光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊的完整幀信號有效標(biāo)志信號后，高精度adc電路將輸出的數(shù)字信號輸入2n個(gè)16位的觸發(fā)器。首先，為了避開復(fù)位脈沖饋通電平，丟掉前m個(gè)復(fù)位電平采樣點(diǎn)，對剩余n-m個(gè)采樣點(diǎn)求和，求平均作為像元的復(fù)位電平值，具體為：把第n+1到第2n-m個(gè)16位觸發(fā)器的輸出作為復(fù)位電平加法器的輸入，在該像元內(nèi)第n個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志時(shí)鐘有效后，使能加法器。對第n-m+1到第n個(gè)復(fù)位電平采樣點(diǎn)求和，并將該加法器的輸出作為復(fù)位電平除法器的輸入，延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能復(fù)位電平除法器。然后，為了避開水平轉(zhuǎn)移脈沖串?dāng)_電平，丟掉前l(fā)個(gè)信號電平采樣點(diǎn)，對剩余n-l個(gè)采樣點(diǎn)求和求平均作為該像元的信號電平值，具體為：把第1到第n-l+1個(gè)16位觸發(fā)器的輸出作為信號電平加法器的輸入，在該像元內(nèi)第2n個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志時(shí)鐘有效后，使能加法器，對第2n-l+1到第2n個(gè)信號電平采樣點(diǎn)求和，并將該加法器的輸出作為信號電平除法器的輸入，延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能信號電平除法器。再然后，把復(fù)位電平除法器和信號電平觸發(fā)器作為減法器的輸入，再延遲一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，使能減法器，對該像元的信號電平平均值和復(fù)位電平平均值求差得到有效信號電平。最后，將經(jīng)光譜信號硬件處理模塊處理得到單像元有效信號通過usb微控制器上傳到上位機(jī)。然后，將處理后的數(shù)據(jù)通過usb通信控制模塊寫入usb微控制器，進(jìn)一步傳輸給上位機(jī)。

步驟五、若光譜信號的完整幀準(zhǔn)確采集模塊收到信號停止采集命令，則輸出幀信號無效標(biāo)志給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、光譜信號的硬件處理模塊和usb通信控制模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊不產(chǎn)生控制時(shí)鐘，則ad不工作，沒有數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

具體地，光譜信號的硬件處理模塊包括加法器、除法器、減法器。加法器的輸出作為除法器的輸入，除法器的輸出作為減法器的輸入，在不同時(shí)鐘下并行運(yùn)行。