一種便攜式光譜采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了快速有效地判斷化學(xué)物質(zhì)中的微量成分，并粗略估計(jì)成分的含量，提出一種便攜式分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)該方案的光譜采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與討論。與傳統(tǒng)的分光光度計(jì)設(shè)計(jì)方案相比，該方案采用線陣CCD器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光電管來(lái)實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，易于提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度并減少系統(tǒng)體積；利用FIFO(先入先出隊(duì)列)可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)輸出設(shè)備與低速控制器的數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)可以選擇LCD液晶或者電腦端屏幕來(lái)顯示數(shù)據(jù)，并能快速地在兩種顯示方式之間進(jìn)行切換。為了直觀的在液晶上顯示采集的光譜，方案使用了插值壓縮技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)在兩種顯示方式下穩(wěn)定工作，并能實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)快速有效地顯示。
關(guān)鍵詞：線陣CCD；光譜采集；便攜式；分光光度計(jì)

    微量物質(zhì)成分及含量分析在科研、安檢等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前，微量成分分析常用的方式是使用分光光度計(jì)，其原理是利用物質(zhì)對(duì)光的吸收特性，測(cè)量其吸光度，通過(guò)吸收峰的位置估計(jì)物質(zhì)的成分，并利用峰的高度來(lái)估計(jì)成分的含量。傳統(tǒng)的分光光度計(jì)主要應(yīng)用在物質(zhì)的分析與檢測(cè)上，功能比較單一。隨著芯片集成技術(shù)的發(fā)展和光柵技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的分光光度計(jì)在功能、體積、檢測(cè)速度上發(fā)生了革命性的改變。例如，利用分光光度計(jì)來(lái)組成田野土壤監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤的物質(zhì)含量，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能有效的針對(duì)某塊區(qū)域進(jìn)行土壤的改良從而提高產(chǎn)率。
    分光光度計(jì)的核心部分是光譜采集和處理系統(tǒng)，其通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器件把經(jīng)過(guò)物質(zhì)吸收后的光譜信號(hào)采集進(jìn)來(lái)，并通過(guò)顯示器件實(shí)時(shí)顯示。傳統(tǒng)的分光光度計(jì)通常采用光電管來(lái)實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，由于光電管的體積較大，而且需要復(fù)雜的機(jī)械裝置把光譜投射到光電管上，因此傳統(tǒng)的分光光度計(jì)體積非常笨重，而且價(jià)格也十分昂貴。CCD技術(shù)的發(fā)展使得分光光度計(jì)發(fā)生了革命性的變化，由于CCD技術(shù)的易集成、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)使得分光光度計(jì)逐漸朝著微型化和便攜性方面發(fā)展。
    本文提出的分光光度計(jì)的光譜采集系統(tǒng)通過(guò)使用CCD與微處理器件的協(xié)調(diào)工作，可以用來(lái)測(cè)試可見(jiàn)光波段的吸收強(qiáng)度并能初步的估計(jì)吸收量的大小，從而為物質(zhì)分析提供參考。

1 CCD驅(qū)動(dòng)及噪聲處理技術(shù)研究
1．1 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序研究
    CCD作為光電轉(zhuǎn)換的理想器件是因?yàn)槠漭^低的噪聲、較高的轉(zhuǎn)移效率和較快的光譜響應(yīng)，其采用交替變換的脈沖來(lái)移出儲(chǔ)存在其中的光信號(hào)并以電壓輸出的方式表示。由于轉(zhuǎn)移效率較高，因此其工作頻率一般在MHz標(biāo)準(zhǔn)。本文采用的CCD器件則是最高轉(zhuǎn)移頻率在1 MHz的東芝公司生產(chǎn)的TCD1208AP線陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個(gè)基本像元組成，其中可用來(lái)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的像元只有2 160個(gè)，其他的像元用來(lái)控制噪聲和填充數(shù)據(jù)幀。TCD1208AP每個(gè)像元的尺寸為14μm×14μm，所以對(duì)色散器件的色散能力要求不是很高，同時(shí)其擁有較高的光靈敏度以及較高的工作頻率使得其光譜采集的速度非?？欤_(dá)到ns級(jí)別。利用物質(zhì)吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長(zhǎng)不同的光映射在CCD傳感器上的每個(gè)像元位置，每個(gè)像元位置對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)的光的強(qiáng)度。像元與波長(zhǎng)的關(guān)系可以通過(guò)微處理器來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，傳感器采集不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，光信號(hào)的強(qiáng)度與CCD受照射的時(shí)間(CCD的積分時(shí)間)有關(guān)，通過(guò)改變積分時(shí)間可以影響每個(gè)像元上光強(qiáng)度的大小。
    TCD1208AP正常的工作需要四路驅(qū)動(dòng)脈沖，即積分時(shí)間控制脈沖SH、像元內(nèi)光信號(hào)轉(zhuǎn)移脈沖φ1和φ2以及清除CCD像元內(nèi)剩余電荷的復(fù)位信號(hào)RS。四路驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序圖如圖1所示。

    RS一般工作在1 MHz的速度，其脈沖的占空比為30％，φ1，φ2工作的占空比為50％，SH為CCD的積分時(shí)間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個(gè)RS周期的時(shí)間。開(kāi)始工作時(shí)，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來(lái)時(shí)能馬上建立電勢(shì)差，從而使得CCD的電荷順利轉(zhuǎn)移出去。
1．2 CCD噪聲處理技術(shù)探討
    TCD1208AP的輸出信號(hào)有VOS和VDOS，其中VOS為摻雜了噪聲的有效輸出信號(hào)，其噪聲的主要成分為RS引起的復(fù)位噪聲，VDOS為補(bǔ)償輸出端。
    CCD的輸出信號(hào)摻雜有直流電平和RS復(fù)位脈沖，因此在進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把其中的直流電平(圖示為1．08 V)和RS(1 MHz的復(fù)位脈沖)脈沖濾除。直流電平的濾除可以使用VDOS補(bǔ)償輸出，通過(guò)VOS與VDOS之間的加減運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2所示的即為濾除直流電平后的信號(hào)圖，圖中信號(hào)c為不帶直流電平而帶有復(fù)位噪聲的光譜吸收信號(hào)。有效的光譜吸收信號(hào)在復(fù)位脈沖之后，物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度體現(xiàn)在該信號(hào)的大小上。

    復(fù)位噪聲的消除是通過(guò)對(duì)模擬到數(shù)字中的采樣點(diǎn)的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)把采樣的時(shí)刻設(shè)定在有效的光譜信號(hào)區(qū)域，并把該時(shí)刻視頻信號(hào)的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理過(guò)程。而采樣的脈沖有兩種來(lái)源，一是通過(guò)引入額外的脈沖源，通過(guò)精確的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是使用CCD的復(fù)位脈沖RS來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)CCD的復(fù)位脈沖RS的脈寬區(qū)恰好位于CCD有效的光譜信號(hào)區(qū)域，因此可以用復(fù)位脈沖作為模擬到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的采樣脈沖輸入端。

2 光譜采集系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)
    光譜采集系統(tǒng)的硬件電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)吸收光譜的采集、轉(zhuǎn)換以及對(duì)轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，因此，穩(wěn)定、高精度的硬件電路是光譜采集系統(tǒng)有效精確工作的基礎(chǔ)。
2．1 CCD驅(qū)動(dòng)及CCD預(yù)處理電路設(shè)計(jì)的研究
    CCD的正常工作需要精確時(shí)鐘的配合，選用TCD1208AP線陣CCD作為本文的光電轉(zhuǎn)換器件，其需要四路時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)：SH，φ1，φ2，RS。四路脈沖的幅值為5 V，屬于標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平。在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)可以使用微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以使用FPGA或者CPLD等邏輯陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。但微處理器的時(shí)鐘精確度相對(duì)于邏輯陣列比較低，且存在相位不同步的問(wèn)題，因此，本文設(shè)計(jì)的方案使用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，其芯片為Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V電平的輸出能力，可以和TCD1208AP直接連接而無(wú)需其他電平轉(zhuǎn)換芯片，硬件連接圖如圖3所示。

    CPLD使用10 MHz的有源晶振輸入，為了提高CPLD的驅(qū)動(dòng)能力，使用了反相器74HC04對(duì)CPLD輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驅(qū)動(dòng)脈沖的高低電平與正常驅(qū)動(dòng)CCD的脈沖必須是反相的。CPLD輸入的時(shí)鐘clk為10 MHz，通過(guò)HLD硬件編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)十分頻，輸出1 MHz的CCD復(fù)位脈沖。
1．2 節(jié)討論利用VOS與VDOS的加減運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜
    信號(hào)中直流電平的濾除，硬件則利用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。本系統(tǒng)采用AD公司的AD8051運(yùn)算放大器，其工作帶寬最高達(dá)110MHz，較低的建立時(shí)間使得其處理高頻信號(hào)的能力較強(qiáng)，根據(jù)基本運(yùn)算放大器計(jì)算規(guī)則，得出輸出信號(hào)Vout為：
   
    調(diào)節(jié)R9的值則可以改變Vout的輸出值，此時(shí)的Vout就是沒(méi)有直流電平的物質(zhì)光譜吸收信號(hào)。
    經(jīng)過(guò)處理后的物質(zhì)吸收光譜信號(hào)，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊，在該模塊可以對(duì)光譜信號(hào)中的復(fù)位脈沖進(jìn)行濾除，從而得到有效的光譜信號(hào)。采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是BB公司的8 bit模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其采樣率可以達(dá)到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其轉(zhuǎn)換速率和精度滿足光譜采集系統(tǒng)的高速和高精度的要求。ADS830需要4個(gè)時(shí)鐘周期才能完成數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字信號(hào)的輸出，在接收ADS830轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)時(shí)需要控制好接收數(shù)據(jù)的時(shí)刻，以便準(zhǔn)確無(wú)誤的得到需要的數(shù)據(jù)。

    圖4為使用ADS830來(lái)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換電路，ANALOGIN輸入則是通過(guò)AD8051后處理的不帶直流電平的光譜數(shù)據(jù)。由于ADS830的輸入端電壓范圍是1．5～3．5 V，因此，為了使得經(jīng)過(guò)AD8051的光譜信號(hào)處于這一范圍，需要通過(guò)調(diào)節(jié)R9的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。D1～D8則是轉(zhuǎn)換后的光譜信號(hào)，該信號(hào)送入微處理器進(jìn)行后續(xù)處理。
2．2 光譜數(shù)據(jù)處理電路及液晶顯示動(dòng)態(tài)曲線研究
    本文采用的微處理器是STC公司的STC89C52RC，其帶有額外的P4口，使得IO口資源更加豐富，由于這款單片機(jī)的內(nèi)核是基于C51的，因此其機(jī)器周期還是傳統(tǒng)的12T模式，但是STC可以通過(guò)下載程序的模式設(shè)置來(lái)使用6T模式工作，即超頻工作。本系統(tǒng)微處理器的時(shí)鐘為24 MHz，使用6T模式工作：6個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，指令周期為0．25 ns。由于其內(nèi)部存儲(chǔ)資源的限制：內(nèi)存為512個(gè)字節(jié)，ROM空間為8 K。如果直接對(duì)ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，并且轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)的速率達(dá)到了1 MHz(周期1 ns)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，需要使用緩沖裝置來(lái)暫存數(shù)據(jù)，以便單片機(jī)有效的對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
    文中采用了具有先進(jìn)先出特性的異步FIFO芯片IDT7205，其內(nèi)部有8 K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，可以有效地對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。RS為其復(fù)位脈沖，低電平有效，一個(gè)有效的復(fù)位需要W和R處于高電平才能完成，只有在RS有效低電平過(guò)后，W和R才能進(jìn)行操作。復(fù)位后的IDT7205讀寫指針
地址相等且位于0位置。EF和FF為指示標(biāo)志位，其中EF為內(nèi)部空標(biāo)志位，其有效的低電平說(shuō)明此時(shí)IDT7205里數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完，等待寫入數(shù)據(jù)，而FF則表示內(nèi)部數(shù)據(jù)空間已經(jīng)寫滿，需要盡快讀出里面的數(shù)據(jù)。IDT7205復(fù)位后，這兩者都處于低電平，因此在編程的時(shí)需要進(jìn)行區(qū)分。

    圖5為IDT7205的硬件連接圖，其中D1～D8為ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字光譜信號(hào)，Q1～Q3則與STC89C52RS連接，這樣單片機(jī)就有比較充足的時(shí)間和空間來(lái)處理光譜信號(hào)，并對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行顯示。
    文中設(shè)計(jì)的光譜采集系統(tǒng)可以使用電腦端和LCD端兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的顯示，描繪其吸光度曲線，并得出吸收峰峰值和對(duì)應(yīng)于該峰峰值的波長(zhǎng)。電腦端的顯示比較簡(jiǎn)單，通過(guò)PC機(jī)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力能較好較快地顯示吸光度曲線，而對(duì)于LCD19264來(lái)說(shuō)，則有比較多的細(xì)節(jié)需要處理。文中采用的是帶背光的LCD19264液晶來(lái)進(jìn)行吸光度曲線的顯示，該液晶只有192*64的分辨率，因此要進(jìn)行吸光度曲線的顯示，需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。CCD的有效像元有2 160個(gè)，要在19264上進(jìn)行顯示，有兩種方法：使用翻屏來(lái)實(shí)現(xiàn)或者使用數(shù)據(jù)壓縮的方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)觀察CCD采集的光譜信號(hào)發(fā)現(xiàn)，吸收峰峰值只在一個(gè)或幾個(gè)特定的波長(zhǎng)出現(xiàn)，而其他波長(zhǎng)處的吸光度值則基本一致。因此，文中使用壓縮的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)吸光度曲線在液晶上的顯示。通過(guò)設(shè)定采樣閥值，把2 160個(gè)數(shù)據(jù)壓縮為192個(gè)字節(jié)的光譜數(shù)據(jù)，采集的機(jī)理是：對(duì)低于該閥值的光譜數(shù)據(jù)則丟棄不用，而對(duì)高于其閥值的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并比較前后兩個(gè)光譜數(shù)據(jù)的大小，若相等，則只采用其中的一個(gè)數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)到峰峰值比較大的光譜數(shù)據(jù)，則把此時(shí)采集的序號(hào)和峰值的幅度進(jìn)行存儲(chǔ)，方便在液晶上顯示峰值吸光度。
    利用LCD19264來(lái)繪制動(dòng)態(tài)曲線，需要特殊的編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。LCD19264是以字節(jié)方式寫入的，也就是一次寫入需要準(zhǔn)備8bit的數(shù)據(jù)位。動(dòng)態(tài)曲線的顯示則是以點(diǎn)(相當(dāng)于1位)的方式進(jìn)行繪制的，因此繪制動(dòng)態(tài)曲線時(shí)需要把字節(jié)與點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。19264其行是以頁(yè)來(lái)進(jìn)行操作的，而列則是按單列來(lái)操作，64列為一屏，總共3屏，在LCD19264上畫點(diǎn)，橫坐標(biāo)則是液晶的列，而縱坐標(biāo)則通過(guò)頁(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即橫坐標(biāo)有192個(gè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)有64個(gè)點(diǎn)(8頁(yè))，列與橫坐標(biāo)一致，因此不需要轉(zhuǎn)換，而縱坐標(biāo)由于和液晶的8頁(yè)對(duì)應(yīng)，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。按照液晶的結(jié)構(gòu)(圖6)從上到下依次為0頁(yè)，1頁(yè)，3頁(yè)，……，7頁(yè)。例如：要找到50對(duì)應(yīng)于哪一頁(yè)，首先需要算出50對(duì)應(yīng)于8頁(yè)中的哪一頁(yè)，50／8=6，因此50對(duì)應(yīng)于第6頁(yè)。具體在哪一位可以通過(guò)對(duì)50取8的余數(shù)，50％8=2，那么我們就可以確定50對(duì)應(yīng)于LCD19264的第6頁(yè)上的第2位，通過(guò)在該位寫入高電平，則可以把50繪制在液晶上。

3 光譜采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析
    通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路圖進(jìn)行多次調(diào)試和修改，得到了便攜式分光光度計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖(圖7)。使用了接插件把LCD19264和TCD1208AP連接于系統(tǒng)接口上，方便擴(kuò)展性能更好的器件，JTAG口和RS232口主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPLD程序、單片機(jī)程序的下載，同時(shí)RS232口還兼有上傳采集數(shù)據(jù)到PC端的功能。

    對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在液晶和PC端的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示(圖8)可以看出，繪制的光譜曲線有較明顯的差別。這是由于測(cè)量過(guò)程中，CCD中采集光譜的變化造成的，同時(shí)采集過(guò)程中光譜數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻的精確性對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定的影響。但液晶上基本可以顯示出光譜峰峰值的位置和大小，從而為物質(zhì)分析提供參考。

4 結(jié)束語(yǔ)
    對(duì)基于CCD的分光光度計(jì)光譜采集電路進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和硬件實(shí)現(xiàn)，并對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，包括噪聲消除方法以及如何利用液晶顯示器繪制動(dòng)態(tài)光譜曲線。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同接口間的速度匹配，采用了FIFO來(lái)完成光譜數(shù)據(jù)的緩沖，從而使速度較慢、內(nèi)部存儲(chǔ)空間較小的低成本單片機(jī)也能用來(lái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的光譜數(shù)據(jù)采集。通過(guò)對(duì)白色自然光進(jìn)行測(cè)試，光譜曲線具有較好的分辨度以及較快的探測(cè)速度。