JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

In this work, is provided an FPGA design and a PC software as a user interface for controlling the Raman spectrometer and sensor. The objective was to achieve over 1 MHz measurement rate in single point measurement mode and enable optional mode for multipoint measurements. Other objectives were improving resolution by changing reference clock rate quickly between measurements and generating a 3D histogram for determining Raman spectre and fluorescence lifetime of the sample.

The FPGA used for data storing is designed so that it can read 5376 bits (7-bit timing values, 256 channels, 3 different results) and form a histogram based on the results after each laser pulse. The final FPGA design uses a 150 MHz main clock, and the same frequency is used for transferring the measurement data from the sensor IC. The FPGA design allows to 1.689 MHz laser being used in single point measurement mode and correspondingly 654 kHz laser in multipoint measurement mode. The user interface is built so that it allows the measurements to be done in series so that some parameters can be changed between measurements. One main feature is the ability to change reference clock rate between the measurements which allows improving of the measurement resolution. The reference clock rate change takes approximately 10 ns which affects insignificantly to the total measurement time. The user interface has, as an additional feature, possibility to scan a sample by controlling motors that move the sample between measurements during the series.

All requirements were achieved well, and the final work enables versatile measurement possibilities for time-resolving Raman spectroscopy.

FPGA- ja käyttöliittymäsuunnittelu aikaerotteista Raman-spektroskopiaa varten

Tiivistelmä

Tämän työn tarkoituksena oli tuottaa FPGA-konfiguraatio ja suunnitella käyttöliittymä Raman-spektrometrin ja sensorin ohjaukseen. Tavoitteena oli yli 1 MHz mittaustahdin saavuttaminen yhden mittauspiteen mittaamiseen ja mahdollistaa myös useamman pisteen mittaukset. Muita tavoitteita olivat resoluution parantaminen referenssitaajuuden vaihtamisella nopeasti mittasarjojen välissä ja 3D-histogrammin generointi Raman-spektrin ja fluoresenssielinajan määritykseen.

FPGA on suunniteltu siten, että se voi lukea 5376 bittiä (7-bittisiä aika-arvoja, 256 kanavaa, 3 mittauskohdetta) jokaisen laser-pulssin jälkeen ja muodostaa datasta histogrammin. Lopullinen FPGA-konfiguraatio käyttää 150 MHz:n pääkelloa, ja samaa taajuutta käytetään myös mittausdatan siirtämiseen integroidulta sensoripiiriltä PC:lle. Maksimissaan 1,689 MHz laseria voidaan käyttää yhden mittauspisteen mittauksissa ja, kun monipisteinen mittausmoodi on käytössä, voidaan käyttää maksimissaan 654 kHz laseria. Käyttöliittymä on rakennettu siten, että mittauksia voidaan tehdä sarjassa siten, että mittausten välissä voidaan muuttaa mittausparametreja. Yksi pääominaisuksista on mahdollisuus muuttaa toista referenssikelloa mittausten välissä, mikä mahdollistaa mittauksen resoluution parantamisen. Tämä referenssikellon taajuuden vaihtuminen kestää noin 10 ns, minkä vaikutus mittauksen kokonaiskestoon on mitätön. Käyttöliittymä mahdollistaa lisäominaisuutena myös skannausmittausten tekemisen, jolloin moottoreiden avulla näytettä liikutellaan mittausten välissä.

Kaikki tavoitteet saavutettiin hyvin, ja lopullinen työ mahdollistaa monipuoliset mittaukset aikaerotteisessa Raman-spektroskopiassa.