CN103822710A

CN103822710A - 基于ccd的光谱信号采集电路

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Publication number: CN103822710A
Application number: CN201410057884.4A
Authority: CN
Inventors: 高美凤; 朱建鸿; 于力革; 杨少鹏
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: CN103822710B

Abstract

本发明涉及一种基于CCD的光谱信号采集电路，按照本发明提供的技术方案，所述基于CCD的光谱信号采集电路，包括用于光探测的线阵CCD模块，所述线阵CCD模块的驱动端与处理器的输出端连接，线阵CCD模块的输出端依次通过电压跟随电路及AD转换电路与FIFO数据缓存器连接，FIFO数据缓冲器与处理器连接，处理器的输出端还与AD转换电路的控制端连接，处理器向AD转换电路输出转换控制信号且处理器向线阵CCD模块输出驱动信号，以使得AD转换电路的采样频率与线阵CCD模块的采样频率同步一致。本发明结构紧凑，能高速采集光学系统投射的光信号并进行传输，体积小，灵敏度高，适应范围广，安全可靠。

Description

基于CCD的光谱信号采集电路

技术领域

本发明涉及一种信号采集电路，尤其是一种基于CCD的光谱信号采集电路，具体地说是用于直读光谱仪、图像传感或非接触式测量的光谱信号采集电路。

背景技术

CCD（charge coupled devices）是一种电荷耦合器件，作为图像传感器，它的基本功能是将接收到的光信号转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、低噪声、动态响应范围宽等优点，被广泛应用于数码相机和全谱光谱仪等高精度的光学检测仪器中。传统的光谱仪一般较多地使用光电倍增管（PMT）作为光探测器，存在着体积大、只能单通道采集等缺点，难以满足高灵敏度的采集使用要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于CCD的光谱信号采集电路，其结构紧凑，能高速采集光学系统投射的光信号并进行传输，体积小，灵敏度高，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述基于CCD的光谱信号采集电路，包括用于光探测的线阵CCD模块，所述线阵CCD模块的驱动端与处理器的输出端连接，线阵CCD模块的输出端依次通过电压跟随电路及AD转换电路与FIFO数据缓存器连接，FIFO数据缓冲器与处理器连接，处理器的输出端还与AD转换电路的控制端连接，处理器向AD转换电路输出转换控制信号且处理器向线阵CCD模块输出驱动信号，以使得AD转换电路的采样频率与线阵CCD模块的采样频率同步一致。

所述处理器上设有RS-485接口，处理器通过RS-485接口将采集的数据传输至上位机。所述处理器采用单片机。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、目前国内大部分光谱分析仪都是采用光电倍增管做光检测器，光电倍增管体积很大，只能检测一种元素的含量，通道数设置有限，无法实现全谱扫描。本发明使用线阵CCD模块可检测出所述CCD可识别的波长范围内所有元素的含量，可使光谱仪实现全谱测量。

2、使用单片机外围PWM接口引脚输出CCD驱动信号和AD转换电路的控制信号，因CCD驱动信号需严格的时序对应关系，且AD转换电路的采样频率必须与线阵CCD模块采集数据的时序同步。采用TI公司16位低功耗单片机MSP430通过PWM接口产生操作时序，电路简单且灵活，能够很好的满足对CCD驱动和AD转换控制的要求。

3、采用FIFO数据缓存器，通过单片机硬件IO引脚输出控制信号将AD转换后的大量数据高速存入FIFO数据缓存器内，因使用的CCD有效像素达2048个，最大驱动频率可达2MHz，单片机来不及直接读取AD采样值，由于FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，使用FIFO数据缓存器保证CCD高速采样时的每个像素值经高速AD转换为数字信号后均得到及时存储，单片机可随时读取已存入FIFO数据缓存器的光谱采样数据，有效地解决了数据流的缓冲。

4、使用单个CCD配置独立的AD转换电路和FIFO数据缓存器，并由独立的单片机管理，电路结构紧凑，灵活性好，可设定独立的地址，一般可根据光谱仪的设计要求在光谱仪中设置十多块以上的模块，提高了光谱仪的可扩展性。

5、拥有独立的处理器1且有RS-485接口，实际使用中可根据需要由上位机程序自动调整CCD的采集时间和积分时间，以提高测量精度和改善曝光效果。

6、CCD驱动、高速AD转换数据、FIFO数据缓存器保存数据均由单片机统一控制管理，各像素在每次采集的帧信号中的顺序和位置可保持一致，能够较好地满足光谱采集系统对于时序的严格要求，确保多次测量光谱图的重复性。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明电压跟随电路的电路原理图。

图3为本发明线阵CCD模块的电路原理图。

图4为本发明AD转换电路的电路原理图。

附图标记说明：1-处理器、2-电压跟随电路、3-线阵CCD模块、4-AD转换电路、5-FIFO数据缓冲器及、6-RS-485接口。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能实现对光学系统的光信号进行高速采集，提高采样灵敏度，降低体积等，本发明包括用于光探测的线阵CCD模块3，所述线阵CCD模块3的驱动端与处理器1的输出端连接，线阵CCD模块3的输出端依次通过电压跟随电路2及AD转换电路4与FIFO（First Input First Output）数据缓存器5连接，FIFO数据缓冲器5与处理器1连接，处理器1的输出端还与AD转换电路4的控制端连接，处理器1向AD转换电路4输出转换控制信号且处理器1向线阵CCD模块3输出驱动信号，以使得AD转换电路4的采样频率与线阵CCD模块3的采样频率同步一致。

具体地，所述处理器1上设有RS-485接口6，处理器1通过RS-485接口6将采集的数据传输至上位机。所述处理器1采用单片机。本发明实施例中，处理器1采用TI的16位低功耗单片机MSP430芯片。

如图3所示，具体实施时，线阵CCD模块3采用索尼公司的ILX511芯片U4，ILX511芯片U4具有2048个有效单元，像素大小为14μm，单一5V供电，最大操作时钟2MHz；在ILX511芯片U4与AD转换电路4之间增加电压跟随电路2实现阻抗变换，考虑线阵CCD模块3的工作频率和单电源特性，选择+5V单电源供电、轨对轨运放AD8041芯片U5构成电压跟随电路2；AD转换电路4采用ADI公司12位并行模数转换器AD9220。

如图2所示，AD8401芯片U5的-INPUT端与AD8401芯片U5的OUTPUT端连接，AD8401芯片U5的+INPUT端通过第三电阻R3与线阵CCD模块3的输出端连接，以形成电压跟随电路2。图3中，ILX511芯片U4的VDD端与+5V电源连接，并分别与第十一电容C11的一端及第十二电容C12的一端连接，第十一电容C11的另一端及第十二电容C12的另一端接地。ILX511芯片U4的VGG端通过第十三电容C13接地，ILX511的其他接地端对应接地，ILX511芯片U4的CLK端与处理器1的输出端连接，ILX511芯片U4的输出端与AD8401芯片U5的+INPUT端连接。

本发明实施例中，使用FIFO数据缓冲器5对线阵CCD模块3采集输出的信号并经AD转换后的数据进行高速存储，处理器1对FIFO数据缓冲器5中已存数据进行读取和处理，FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，非常适合作为数据传送不同层级之间的缓冲。本发明实施例中，FIFO数据缓冲器5采用IDT7203芯片，IDT7203芯片存取速度为50ns/次，容量大小为9bit*2048，由于本发明实施例中，AD转换电路4采用AD9220芯片U2为12位AD，因此需要用两片IDT7203构成字宽扩展方式与AD9220芯片U2连接。

如图4所示，AD9220芯片U2的DVDD端通过第一电容C1接地，AD9220芯片U2的DVSS端直接接地，AD9220芯片U2的第一AVDD端通过第二电容C2接地，第一AVSS 端直接接地，AD9220芯片U2的第二AVDD端通过第十电容C10接地，第二AVSS端直接接地，AD9220芯片U2的REFCOM端及SENSE端接地，AD9220芯片U2的VINB端与第一电阻R1的一端连接，第一电阻R1的另一端与第八电容C8及第九电容C9的一端连接，第八电容C8及第九电容C9的另一端接地。AD9220芯片U2的VINA端通过第二电阻R2与ADCIN端连接，AD9220芯片U2的CML端通过第四电容C4接地，AD9220芯片U2的CAPT端与第三电容C3的一端、第五电容C5的一端及第六电容C6的一端连接，AD9220芯片U2的另一端与第七电容C7的一端，第五电容C5的另一端及第六电容C6的另一端连接，第三电容C3的另一端及第七电容C7的另一端均接地。本发明实施例中，ADCIN信号为AD8401芯片U5的输出信号。

ILX511芯片U5有3路控制信号ROG、CLK和SHSW，一路输出信号VOUT，本发明实施例中，由处理器1的外围PWM接口作为线阵CCD模块3的驱动电路，其中SHSW信号控制ILX511芯片U5是否选用采样/保持模式，ROG信号是读出门控信号，当其和CLK构成11uS初始化关系时，ILX511芯片U5启动输出，并通过V_OUT引脚将信号串行输出至轨对轨运放AD8041芯片U5。采用了采样/保持(S/H)模式后，线阵CCD模块3一次输出周期内共有2105个信号，其中前33个信号为无效哑信号（Dummy Signal），其后为18个暗信号（Optical Black），之后才为有效的2048个像素信号，之后再为6个哑信号，至此一周期输出结束。

ILX511芯片U4输出信号的同时AD转换电路4接收并进行转换，本发明实施例中，ILX511芯片U4时钟采用1MHz频率，因此AD9220芯片U2的时钟必须和ILX511芯片U4频率一致且同步，由于AD9220芯片U2的信号输出比该信号输入延迟3个周期，而AD9220芯片U2转换结束后信号并行输出至IDT7203芯片，因此，AD9220芯片U2输出时钟和IDT7203输入时钟同步且为1MHz，但比AD9220芯片U2输入时钟和ILX511芯片U4工作时钟延迟3个周期。在IDT7203工作前需对其进行初始化操作，使其读写指针都回到初始位置。

目前国内大部分光谱分析仪都是采用光电倍增管做光检测器，光电倍增管体积很大，只能检测一种元素的含量，通道数设置有限，无法实现全谱扫描。本发明使用线阵CCD模块3可检测出所述CCD可识别的波长范围内所有元素的含量，可使光谱仪实现全谱测量。

使用单片机外围PWM接口引脚输出CCD驱动信号和AD转换电路4的控制信号，因CCD驱动信号需严格的时序对应关系，且AD转换电路4的采样频率必须与线阵CCD模块3采集数据的时序同步。采用TI公司16位低功耗单片机MSP430通过PWM接口产生操作时序，电路简单且灵活，能够很好的满足对CCD驱动和AD转换控制的要求。

采用FIFO数据缓存器5，通过单片机硬件IO引脚输出控制信号将AD转换后的大量数据高速存入FIFO数据缓存器5内，因使用的CCD有效像素达2048个，最大驱动频率可达2MHz，单片机来不及直接读取AD采样值，由于FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，使用FIFO数据缓存器5保证CCD高速采样时的每个像素值经高速AD转换为数字信号后均得到及时存储，单片机可随时读取已存入FIFO数据缓存器5的光谱采样数据，有效地解决了数据流的缓冲。

使用单个CCD配置独立的AD转换电路4和FIFO数据缓存器5，并由独立的单片机管理，电路结构紧凑，灵活性好，可设定独立的地址，一般可根据光谱仪的设计要求在光谱仪中设置十多块以上的模块，提高了光谱仪的可扩展性。

拥有独立的处理器1且有RS-485接口6，实际使用中可根据需要由上位机程序自动调整CCD的采集时间和积分时间，以提高测量精度和改善曝光效果。

CCD驱动、高速AD转换数据、FIFO数据缓存器5保存数据均由单片机统一控制管理，各像素在每次采集的帧信号中的顺序和位置可保持一致，能够较好地满足光谱采集系统对于时序的严格要求，确保多次测量光谱图的重复性。

Claims

1.一种基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是：包括用于光探测的线阵CCD模块（3），所述线阵CCD模块（3）的驱动端与处理器（1）的输出端连接，线阵CCD模块（3）的输出端依次通过电压跟随电路（2）及AD转换电路（4）与FIFO数据缓存器（5）连接，FIFO数据缓冲器（5）与处理器（1）连接，处理器（1）的输出端还与AD转换电路（4）的控制端连接，处理器（1）向AD转换电路（4）输出转换控制信号且处理器（1）向线阵CCD模块（3）输出驱动信号，以使得AD转换电路（4）的采样频率与线阵CCD模块（3）的采样频率同步一致。

2.根据权利要求1所述的基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是：所述处理器（1）上设有RS-485接口（6），处理器（1）通过RS-485接口（6）将采集的数据传输至上位机。

3.根据权利要求1或2所述的基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是：所述处理器（1）采用单片机。