一种抑制CCD噪声的实时数据采集装置及方法与流程

本发明涉及信号测量采集及处理领域，尤其涉及一种抑制ccd噪声的实时数据采集装置及方法。

背景技术：

拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时，有极小一部分，大约1/散射光的波长与入射光不同，其波长的改变由被测样品的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。因此拉曼光谱与生俱来的缺点就是信号极其微弱，信号极易淹没在噪声中，信噪比很低。ccd探测器是一种硅基多通道阵列探测器，可以探测紫外、可见和近红外光。由于它的高感光度特性，十分适用于分析微弱的拉曼信号，因此被广泛采用。影响ccd图像传感器输出信号的信噪比的主要噪声源是复位噪声和随机噪声。其中抑制复位噪声主流的方法是相关双采样（cds）电路，但是对于需要低读出频率的拉曼信号，单像元内复位电平和信号电平在时间上的相关系数较低，因此这种方法只能在一定程度上可以有效抑制复位噪声，而且对其他噪声无能为力。ccd图像传感器输出信号中另一种主要噪声是随机噪声，在拉曼光谱中影响也很大。硬件上对随机噪声的常规处理有低通滤波，但是由于拉曼光谱十分微弱，即使是经过低通滤波降低噪声频谱范围后，随机噪声依然对拉曼信号的信噪比有很大影响。另外软件滤波也可以有效抑制随机噪声，但是这种处理方式通常需要采集多帧信号，因此所需的时间大大增加。尤其对于需要长积分时间的弱光强光谱信号而言，时间成本大大增加。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种抑制ccd噪声的实时数据采集装置及方法，基于对单像元的复位电平多点采样，避开复位脉冲馈通电平后，对剩余的采样点做硬件加法和除法运算的数据处理方法，确保复位电平的取值更加准确，提高相关双采样的去噪效果。

一种抑制ccd噪声的实时数据采集装置，该装置包括：ccd探测器、可编程放大电路、高精度adc电路、控制逻辑电路、usb微控制器以及上位机。所述控制逻辑电路包括ccd探测器驱动模块、信号的可编程放大模块、模数转换模块、usb通信控制模块、光谱信号的硬件处理模块和光谱信号的完整帧准确采集模块。

所述ccd探测器采集拉曼光，将光信号转化为电信号。ccd探测器输入端与ccd探测器驱动模块连接，其输出端与可编程放大电路单向连接。

所述可编程放大电路对ccd探测器转化的电信号进行放大。可编程放大电路的输入端与ccd探测器和信号的可编程放大模块连接，其输出端与高精度adc电路连接。

所述高精度adc电路对放大后的电信号进行数模转换。高精度adc电路输入端连接模数转换模块和可编程放大电路，其输出端连接光谱信号的硬件处理模块。

所述ccd探测器驱动模块实现对ccd探测器的驱动控制，包括控制时钟、积分时间和制冷控制；其输入端连接usb微控制器，输出端连接光谱信号的完整帧采集模块和ccd探测器。

所述模数转换模块控制adc芯片完成信号从模拟域到数字域的转换。其输入端连接光谱信号的完整帧采集模块和usb微控制器。其输出端连接高精度adc电路。

所述光谱信号的硬件处理模块对数字域ccd帧信号进行单像元内运算处理。其输入端连接高精度adc电路和光谱信号的完整帧准确采集模块。其输出端连接usb通信控制模块。

所述光谱信号的完整帧准确采集模块产生完整帧信号的有效或无效标志。其输入端连接usb微控制器、ccd探测器驱动模块。其输出端连接信号的可编程放大模块、adc模块、光谱信号的硬件处理模块和usb通信控制模块。

所述信号的可编程放大模块调整ccd探测器的输出信号幅值。其输入端连接usb微控制器和光谱信号的完整帧准确采集模块。其输出端连接可编程放大电路。

所述usb通信控制模块输出usb微控制器在slavafifo工作模式下的控制时序。其输入端连接光谱信号的完整帧准确采集模块和光谱信号的硬件处理模块。所述usb通信控制模块与usb微控制器双向连接。

所述usb微控制器完成上位机和控制逻辑电路之间的双向数据通信；usb微控制器与上位机和usb通信控制模块双向连接。

所述上位机安装有光谱采集软件，能够对实时数据采集装置发送控制命令。所述控制命令包括ccd制冷、积分时间设置、信号放大、信号采集命令。

一种抑制ccd噪声的实时数据采集方法，具体步骤包括：

步骤一：实时数据采集装置上电，拉曼光入射到ccd探测器，图像由光信号转化为电信号。初始化ccd探测器驱动模块输出的控制时钟频率，积分时间。初始化信号的可编程放大模块控制可编程放大芯片的放大倍数。模数转换模块的初始输出信号无效，决定单像元模数转换次数的寄存器处于缺省态。光谱信号的完整帧准确采集模块的初始输出信号无效。光谱信号的硬件处理模块的初始状态下为无效输出。usb通信控制模块的初始状态下写时钟的控制时序为无效输出。

步骤二：运用上位机中的拉曼光谱采集软件通过usb微控制器的i/o口向控制逻辑电路中的各个模块传输控制命令。具体为：调整ccd探测器驱动模块的控制参数，包括控制时钟频率、积分时间和制冷控制命令。修改可编程放大模块的信号放大倍数，并捕捉到最近一帧信号后完成放大倍数调整。对光谱信号的完整帧准确采集模块发送启动采集或停止采集命令。

步骤三：光谱信号的完整帧准确采集模块检测到usb微控制器的i/o口传输的控制命令的命令码，进而判断命令类型。若采集到的是可编程放大模块的放大命令，则根据积分时间与ccd探测器输出光谱信号的时序关系，光谱信号完整帧准确采集模块输出完整帧信号有效标志信号给可编程放大控制模块，同时可编程放大控制模块根据接收到的命令码判断当前所需放大倍数，并控制可编程放大电路完成放大。若采集到的是信号采集命令，则根据积分时间与ccd探测器输出光谱信号的时序关系，光谱信号完整帧准确采集模块输出完整帧信号有效标志信号给光谱信号的硬件处理模块，同时输出模数转换标志信号给模数转换模块，控制高精度adc电路完成模拟信号到数字信号的转换，并将数字信号输入到光谱信号的硬件处理模块中。

步骤四、首先，光谱信号的硬件处理模块收到完整帧信号有效标志信号后识别出输入数据所对应的完整帧，并确认每个输入数据在完整帧中相应的位置。然后，光谱信号的硬件处理模块对每一个完整帧进行处理，将处理后的数据通过usb通信控制模块写入usb微控制器，进一步传输给上位机。

步骤五、若光谱信号的完整帧准确采集模块收到信号停止采集命令，则输出帧信号无效标志给模数转换模块、光谱信号的硬件处理模块和usb通信控制模块。模数转换模块不产生控制时钟，则ad不工作，没有数据产生。

具体地，所述光谱信号的硬件处理模块包括加法器、除法器、减法器。加法器、除法器、减法器。加法器的输出作为除法器的输入，除法器的输出作为减法器的输入，在不同时钟下并行运行。

具体地，光谱信号的硬件处理模块对每一个完整帧进行处理的具体过程为：上电之初，光谱信号的硬件处理模块没有有效输出。接收到来自光谱信号的完整帧准确采集模块的完整帧信号有效标志信号后，高精度adc电路将输出的数字信号输入2n个16位的触发器。首先，为了避开复位脉冲馈通电平，丢掉前m个复位电平采样点，对剩余n-m个采样点求和，求平均作为像元的复位电平值，具体为：把第n+1到第2n-m个16位触发器的输出作为复位电平加法器的输入，在该像元内第n个模数转换完成的标志时钟有效后，使能加法器。对第n-m+1到第n个复位电平采样点求和，并将该加法器的输出作为复位电平除法器的输入，延迟一个模数转换时钟，使能复位电平除法器。然后，为了避开水平转移脉冲串扰电平，丢掉前l个信号电平采样点，对剩余n-l个采样点求和求平均作为该像元的信号电平值，具体为：把第1到第n-l+1个16位触发器的输出作为信号电平加法器的输入，在该像元内第2n个模数转换完成的标志时钟有效后，使能加法器，对第2n-l+1到第2n个信号电平采样点求和，并将该加法器的输出作为信号电平除法器的输入，延迟一个模数转换时钟，使能信号电平除法器。再然后，把复位电平除法器和信号电平触发器作为减法器的输入，再延迟一个模数转换时钟，使能减法器，对该像元的信号电平平均值和复位电平平均值求差得到有效信号电平。最后，将经光谱信号硬件处理模块处理得到单像元有效信号通过usb微控制器上传到上位机。

本发明在单像元内增加采样点，在不改变ccd输出信号频率的基础上，实时处理每一帧光谱的每一个像元信号，避开复位脉冲馈通电平后，对剩余的采样点做硬件加法和除法运算的数据处理方法，确保复位电平的取值更加准确，提高相关双采样的去噪效果，既有效抑制了噪声，又大大节约了时间，实时性好。

附图说明

图1为本发明的整体设计框图；

图2为ccd采集电路控制逻辑的时序图；

图3为光谱信号的硬件处理模块的部分信号时序图。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步阐述。

如图1所示，一种抑制ccd噪声的实时数据采集装置，该装置包括：ccd探测器、可编程放大电路、高精度adc电路、控制逻辑电路、usb微控制器以及上位机。所述控制逻辑电路包括ccd探测器驱动模块、信号的可编程放大模块、模数转换模块、usb通信控制模块、光谱信号的硬件处理模块和光谱信号的完整帧准确采集模块。

ccd探测器采集拉曼光，将光信号转化为电信号。ccd探测器输入端与ccd探测器驱动模块连接，其输出端与可编程放大电路单向连接。

可编程放大电路对ccd探测器转化的电信号进行放大。可编程放大电路的输入端与ccd探测器和信号的可编程放大模块连接，其输出端与高精度adc电路连接。

高精度adc电路对放大后的电信号进行数模转换。高精度adc电路输入端连接模数转换模块和可编程放大电路，其输出端连接光谱信号的硬件处理模块。

ccd探测器驱动模块实现对ccd探测器的驱动控制，包括控制时钟、积分时间和制冷控制。其输入端连接usb微控制器，输出端连接光谱信号的完整帧采集模块和ccd探测器。

模数转换模块控制adc芯片完成信号从模拟域到数字域的转换。其输入端连接光谱信号的完整帧采集模块和usb微控制器。其输出端连接高精度adc电路。

光谱信号的硬件处理模块对数字域ccd帧信号进行单像元内运算处理。其输入端连接高精度adc电路和光谱信号的完整帧准确采集模块。其输出端连接usb通信控制模块。

光谱信号的完整帧准确采集模块产生完整帧信号的有效或无效标志。其输入端连接usb微控制器、ccd探测器驱动模块。其输出端连接信号的可编程放大模块、adc模块、光谱信号的硬件处理模块和usb通信控制模块。

信号的可编程放大模块调整ccd探测器的输出信号幅值。其输入端连接usb微控制器和光谱信号的完整帧准确采集模块。其输出端连接可编程放大电路。

usb通信控制模块输出usb微控制器在slavafifo工作模式下的控制时序。其输入端连接光谱信号的完整帧准确采集模块和光谱信号的硬件处理模块。usb通信控制模块与usb微控制器双向连接。

所述usb微控制器完成上位机和控制逻辑电路之间的双向数据通信。usb微控制器与上位机和usb通信控制模块双向连接。

上位机安装有光谱采集软件，能够对实时数据采集装置发送控制命令。控制命令包括ccd制冷、信号放大、积分时间设置、信号采集命令。

一种抑制ccd噪声的实时数据采集方法，具体步骤包括：

步骤一：实时数据采集装置上电，拉曼光入射到ccd探测器，图像由光信号转化为电信号。初始化ccd探测器驱动模块输出的控制时钟频率，积分时间。初始化信号的可编程放大模块控制可编程放大芯片的放大倍数。模数转换模块的初始输出信号无效，决定单像元模数转换次数的寄存器处于缺省态。光谱信号的完整帧准确采集模块的初始输出信号无效。光谱信号的硬件处理模块的初始状态下为无效输出。usb通信控制模块的初始状态下写时钟的控制时序为无效输出。

步骤二：运用上位机中的拉曼光谱采集软件通过usb微控制器的i/o口向控制逻辑电路中的各个模块传输控制命令。具体为：调整ccd探测器驱动模块的控制参数，包括控制时钟频率、积分时间和制冷控制命令。修改可编程放大模块的信号放大倍数，并捕捉到最近一帧信号后完成放大倍数调整。对光谱信号的完整帧准确采集模块发送启动采集或停止采集命令。

步骤三：光谱信号的完整帧准确采集模块检测到usb微控制器的i/o口传输的控制命令的命令码，进而判断命令类型。若采集到的是可编程放大模块的放大命令，则根据积分时间与ccd探测器输出光谱信号的时序关系，光谱信号完整帧准确采集模块输出完整帧信号有效标志信号给可编程放大控制模块，同时可编程放大控制模块根据接收到的命令码判断当前所需放大倍数，并控制可编程放大电路完成放大。若采集到的是信号采集命令，则根据积分时间与ccd探测器输出光谱信号的时序关系，光谱信号完整帧准确采集模块输出完整帧信号有效标志信号给光谱信号的硬件处理模块，同时输出模数转换标志信号给模数转换模块，控制高精度adc电路完成模拟信号到数字信号的转换，并将数字信号输入到光谱信号的硬件处理模块中。

步骤四、，首先，光谱信号的硬件处理模块收到完整帧信号有效标志信号后识别出输入数据所对应的完整帧，并确认每个输入数据在完整帧中相应的位置。然后，光谱信号的硬件处理模块对每一个完整帧进行处理，如图2和图3所示，具体处理过程为：上电之初，光谱信号的硬件处理模块没有有效输出。接收到来自光谱信号的完整帧准确采集模块的完整帧信号有效标志信号后，高精度adc电路将输出的数字信号输入2n个16位的触发器。首先，为了避开复位脉冲馈通电平，丢掉前m个复位电平采样点，对剩余n-m个采样点求和，求平均作为像元的复位电平值，具体为：把第n+1到第2n-m个16位触发器的输出作为复位电平加法器的输入，在该像元内第n个模数转换完成的标志时钟有效后，使能加法器。对第n-m+1到第n个复位电平采样点求和，并将该加法器的输出作为复位电平除法器的输入，延迟一个模数转换时钟，使能复位电平除法器。然后，为了避开水平转移脉冲串扰电平，丢掉前l个信号电平采样点，对剩余n-l个采样点求和求平均作为该像元的信号电平值，具体为：把第1到第n-l+1个16位触发器的输出作为信号电平加法器的输入，在该像元内第2n个模数转换完成的标志时钟有效后，使能加法器，对第2n-l+1到第2n个信号电平采样点求和，并将该加法器的输出作为信号电平除法器的输入，延迟一个模数转换时钟，使能信号电平除法器。再然后，把复位电平除法器和信号电平触发器作为减法器的输入，再延迟一个模数转换时钟，使能减法器，对该像元的信号电平平均值和复位电平平均值求差得到有效信号电平。最后，将经光谱信号硬件处理模块处理得到单像元有效信号通过usb微控制器上传到上位机。然后，将处理后的数据通过usb通信控制模块写入usb微控制器，进一步传输给上位机。

步骤五、若光谱信号的完整帧准确采集模块收到信号停止采集命令，则输出帧信号无效标志给模数转换模块、光谱信号的硬件处理模块和usb通信控制模块。模数转换模块不产生控制时钟，则ad不工作，没有数据产生。

具体地，光谱信号的硬件处理模块包括加法器、除法器、减法器。加法器的输出作为除法器的输入，除法器的输出作为减法器的输入，在不同时钟下并行运行。