近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制_陳健

1、第1期近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制#電子測值與儀器學(xué)報JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT.IND INSTRUMENTDOI: 10.3724/SP 11187.2012 00072近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制*陳健門凌振寶1陳鵬飛1王智宏1(1.吉林大學(xué)地球倍息探測儀器教育部吹點實驗室長春1300262中國科學(xué)院冠慶綠色智能技術(shù)研究院吹慶401122)摘 要：根據(jù)陣列檢測型近紅外光譜儀對采集卡動態(tài)范圍和信噪比的要求，設(shè)計和實現(xiàn)了以USB2 0為通信協(xié)議的16位數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng) 系統(tǒng)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1610.將CCD信號數(shù)字化 應(yīng)用可編程邏輯技術(shù)，實現(xiàn)了

2、TCD1304檢測器的膠動 和積分時間的256拼選擇 系統(tǒng)的有效分辨率為15位,信噪比為58 dB,緩存容M：為4Kxi6bit,CCD積分時間30msM),5 s可編 程控制。研制的采集系統(tǒng)與分光系統(tǒng)結(jié)合，具有很好的市場價值和應(yīng)用前戢。關(guān)鍵詞：近紅外光譜儀；數(shù)據(jù)采集;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;CCD中圖分類號：TP216 TH833文獻標(biāo)識碼:A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼:510 40Design of data acquisition system of NIRS instrumentCheii Jian12 Ling Zheiibao1 Chen Pengfei1 Wang Zhiliong1(1. Key

3、 Laboratory of Geo-Exploration Instnunentation. limstry of Ecucation. Jilin University, Changchun 130026. Cluna:2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology. CAS. Chonqing 401122. China)Abstract： According to the requirement of dynamic range and signal-to-noise ratio to data acquisitio

4、n for die recent progress of array-based detection NIRS instrument, a kind of data acquisition system which is based on US2.0 conimumca tions protocol is designed and unplemented Tlie system uses 工 analog-to-digital converter ADS1610 for CCD signal con version Tlie use of programmable logic device m

5、akes TCD13O4 dating and 256 kinds of integration time chosen The effec- tive resolution is 15 bit, and SNR is 58 dB. The integration tune is 30ins to 0.5s. Combined with spectrometer, the designed system has good application fbregroiuidRecords: NIRS Instrument; data acquisition; 工 analog-to-digital

6、converter: CCD (Charge Coupled Device)© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制#© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近紅外光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制73木文J-20U年8月收到.基金項忖：國家大學(xué)卞創(chuàng)新性實驗項HC2007A65041);

7、古林省科技發(fā)展計劃項M(20070520)1引言近紅外光譜分析技術(shù)是利用反映原子和分子 特征的發(fā)射與吸收光譜進行物質(zhì)的化學(xué)組成及含 量分析的物理方法，廣泛的應(yīng)用丁渚如地質(zhì)、冶 金、石油、化工、制藥丁藝、臨床醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、倉 品丁業(yè)、林業(yè)、紡織T.業(yè)、造紙、環(huán)保等領(lǐng)域，近 紅外光譜按波長范闈分為短波近紅外(7000- llOOnm)和長波近紅外(11002800 nm),其中短波 近紅外主要用丁有機物分析，長波近紅外主要用 丁礦物分析。早期的近紅外光譜儀主要是在UV/ VIS(紫外/可見光)儀器的領(lǐng)域的延伸，隨著近紅外 分析技術(shù)理論的成熟，儀器的性能、測試方法發(fā)牛 了很大的變化，儀器的種類也擴展很

8、多，包括濾光 片型、光柵型、傅里葉變換型、聲光可調(diào)濾光器型 以及陣列檢測申。瓦中陣列檢測類申主要冇二極管 陣列檢測器(PDA)和電荷耦合器件(CCD),長波區(qū) 域采用的是錮碑化稼的PDA,短波區(qū)域采用的是 硅基的CCDCCD的近紅外光譜儀的分光系統(tǒng)無機械 移動部件，儀器的長期穩(wěn)定性和抗干擾性能好，另 外一個待點是料描速度快，通常在1 s內(nèi)町完成兒 十次甚至上百次的光譜測量，適合于在線測試和 野外測試。面對近紅外光譜儀向?qū)Ｓ没?、小型化?固態(tài)化、模塊化和快速實時方向發(fā)展趨勢,CCD型 近紅外光詵儀在未來將得到更大的發(fā)展與應(yīng)用。高性能的信號采集系統(tǒng)是CCD熨近紅外光i普 儀必不可少的部分 目詢國內(nèi)

9、商品化中以USB為接口的線陣CCD信號采集系統(tǒng)只有I二位的分辨 率，很難滿足高性能、高持度、便攜式的CCD型 近紅外光譜儀測試的要求針對CCD型近紅外光 譜儀的廣泛使用和用戶的高稱度要求，設(shè)計和實 現(xiàn)了以USB2 0通信協(xié)議的16位CCD信號采集系 統(tǒng)，本作品的抬標(biāo)：15位冇效數(shù)據(jù)分辨率,58dB的 信噪比,30 ms0.5 s的CCD積分時間控制,系統(tǒng)緩 存容量為4Kxl6bito2系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示。由5大模塊 組成：時序產(chǎn)生模塊、模擬侑號處理模塊、A/D轉(zhuǎn) 換模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和USB接口模塊。其功能 如下。圖1 CCD采集系統(tǒng)Fig. 1 Block diagram

10、of CCD acquisition system1）時序產(chǎn)生模塊:一方面接收MCU（USB接 口芯片內(nèi)的微處理器）的控制信號后產(chǎn)住CCD（電 荷耦合器）的T作時序；另一方面產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換器 時鐘以及緩存的讀時鐘；2）模擬信號調(diào)理模塊：接收CCD的兩路信號, 用差分放大電路、正向比例放大電路處理模擬信號, 經(jīng)過差分駟動放大器產(chǎn)牛定值的共模信號，傳給 A/D轉(zhuǎn)換器；3）AD轉(zhuǎn)換模塊：將模擬信號調(diào)理模塊輸出 的信號以1 MHz的采樣率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出給 緩存模塊，本系統(tǒng)選擇16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；4）數(shù)據(jù)緩存模塊：接收來口 AD的數(shù)字信號, 臨時存儲數(shù)據(jù)并傳輸給USB接口模塊；5）USB接口模塊：以E

11、Z-USB FX2芯片為控 制核心，通過Slave FIFO（USB塊傳輸方式）作方 式，將緩存數(shù)據(jù)傳給上位機，同時接受上位機的控 制命令，啟動時序產(chǎn)生模塊工作。3系統(tǒng)設(shè)計要點3.1模擬信號調(diào)理模擬調(diào)理電路接收CCD輸出的像元信號，經(jīng) 過雙-單端變換，幅度放大，共模電斥偏置，信號 濾波等調(diào)理，以合適的信號動態(tài)范IW和頻率范ffl 傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該部分以兩個核心芯片實 現(xiàn)，即AD8042 和THS4501。軌至軌（Rail to rail）運算放大器AD8042內(nèi)部冇 兩個集成運放，其中一個用于減法電路，實現(xiàn)CCD 的雙端信號變換為單端信號，另外一個用于同相 放大，提離系統(tǒng)的信噪比AD804

12、2的-3db的頻帶寬 度是160 MHz,故其增益帶寬積BWg為160,設(shè)置 AD8042第一級放大OdB,第二級放大設(shè)辻為14 dB （5倍），則該級帶寬為24 MHz,保證娠帶信號響應(yīng) 平坦,III TCCD信號具冇一定的陡度，對放大器的 轉(zhuǎn)換速率有一定的要求。一般階躍信號的前5次諧 波決定波形，故放大器保證信號不失真，必須在 5MHz時，能不失真輸出低頻相應(yīng)的峰峰值，即默 認(rèn)為電源電壓，故該級的轉(zhuǎn)換速率必須滿足：Sr $= vom 0冏*0 = 2n/V0M 式中:Pom為電源電壓,/為5 MHz,則有SQ 31.4 7pso而AD8042的轉(zhuǎn)換速率為200 V/ys,滿足 系統(tǒng)要求。O

13、UT* =£(1-0)%(1-6 + 2名g20y 0)+w)+2jout-=模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端冇高輸入阻抗和較 大變的容抗，同時，開關(guān)電容或者采樣保持 電路會產(chǎn)牛電流尖峰，必須使用是分放大器，消除 電流尖峰，并M為梢確采樣提供低阻抗源完全差 分放大器THS4501實現(xiàn)了 送模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入匹配 和共咬電壓偏世的功能，人時和卜直接與A-IADC 的差分輸入端相連，則人屮和人吩衣達式：式中件心g+耽 則輸出信號的共検仁y和堆模 信號大小分別為：2 £ (1 - 0) - 2忌(1 - 0) _ ” Rf © 1994-2012 China Academic Journ

14、al Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近紅外光i許儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制 75 V . + Vout- out-=Kom由式町知，馬1、心和心、&2控制該級的差模侑 號的增益；由式(5)知,TH4501的共模輸出信號只 與共模侑號輸入信號冇關(guān)，從而平衡了在一個理 想的共模電壓點上兩個差分的輸出級，使為模數(shù) 轉(zhuǎn)換器獲得完帑的動態(tài)范闈'兩個100 pF的電容用 來消除ADC內(nèi)部開關(guān)電路引起的電流尖峰，兩個 20 Q的電阻隔離ADC的容性負(fù)載和放大器以確保 非口激，同時兩者也是ADC輸入端低通濾波器的 關(guān)鍵部件，

15、該低通濾波器截止頻率是：f = =!= 79.6 MHz (6)2tiRC 2x3.14x20Qxl00pF由式(6)可血，該截止頻率比采樣頻率60 MHZ略高, 起到抗混疊濾波和削弱噪聲的作用，3.2 CCD堅動時序及采樣時序的產(chǎn)生時序發(fā)生器主要用來產(chǎn)生CCD驅(qū)動時序和抽 取時序OCCD3S件正常匸作時必須給它提供所要求 的驅(qū)動脈«|' TCD13 04最巫要的驅(qū)動脈沖冇ICG、 SH、RS、機和02。機和02是CCD時仲信號;ICG的 作用是轉(zhuǎn)移電荷；復(fù)位脈沖RS完成對每次電荷轉(zhuǎn) 移后的復(fù)位丁作；移位脈沖SH用來控制枳分時間p -工模數(shù)轉(zhuǎn)換器以遠遠大TCCD信號的頻率對其

16、 進行采樣，冇很多信號是累贅的，故盂要對其進行 周期性抽取，保證數(shù)字化CCD信號的唯一性。時序發(fā)牛器在MAX-PLUSII集成環(huán)境下，采 丿IjVHDL語肖與電路圖混合設(shè)計和分層設(shè)計的思 想其匸作流程如下:MCU控制器首先給定枳分時 間,然后發(fā)送啟動/控制信號給時序發(fā)生器；時序 發(fā)卞器控制線陣ccd m分，并產(chǎn)住移位脈沖信號 將線陣CCD益件枳累的電荷單元依次送到輸出端 口；同時控制ADC對放大后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換; 并產(chǎn)牛緩存器的寫信號將數(shù)字廿保存；MCU控制 器收到數(shù)據(jù)采集完成信號示，從FIFO存儲益中讀 取數(shù)據(jù)傳送到上位機中進行處理=3.3、近模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊ADS1610是TI公刖推出離

17、幫度測量應(yīng)用的16 位10MSPSA-Z轉(zhuǎn)換器，和相同價位的同類產(chǎn)品相 比，擁冇無與倫比的速度與荊度。ADS1610可在 5 MHz帶寬上實現(xiàn)優(yōu)界的86 dB信噪比(SNR)以及 95 dB無寄牛動態(tài)范圍(SFDR)其紋波低T0 0002 dB 的44 MHz通頻帶可以提供寬帶信號處理，而片上 數(shù)字濾波益與SAR及管線轉(zhuǎn)換器相比則可以簡化 抗混淆需求，該器件的丁作電壓為+5 V模擬電源以 及+3.3 V數(shù)字電源。如上 -ZAD轉(zhuǎn)換器'需要進行調(diào)制、濾波處 理,ADS1610也不例外采樣頻率與奈奎斯特頻率 的比值,稱為過采樣比，用M表示。對于單級16位 遼型調(diào)制器，為了讓芯片正常T.作H

18、調(diào)制器的階 數(shù)N與采樣比冇一定的關(guān)系，即：(M + N -1)! > (M -1)! X N! X 216-1(7)ADS1610需要外部提供皋準(zhǔn)電壓，包括3種展 準(zhǔn)電源電斥，即正參考源(REFP)、負(fù)參考源GREFN) 以及共模參考基準(zhǔn)源(-MID), K中共模參考皋準(zhǔn) 源用于調(diào)制器中"采集系統(tǒng)的參考電源電壓:Vrt(f = VREFP-VREFN(8)在實際應(yīng)川中，一般取VREFP 4 VREFN為 V, VMID 2.5 V,故其參考電源電壓為3 V。由丁這 些參考源被用丁開關(guān)工作狀態(tài)中，不僅盂要提供 穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電流，還要驅(qū)動電子開關(guān)，故需要駛動 電路驅(qū)動調(diào)制益所需要的堆

19、球參考電壓展準(zhǔn)源山 AD586提供，并且由OPA2822牀動，模擬調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的低噪聲設(shè)計是帑 個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，在數(shù)?；旌舷到y(tǒng)中供電方式 和接地處理城得尤其豆要采樣模塊盂要兩種電源, 模擬電源(5 V)和數(shù)字電源(3-3 V).在芯片的毎個 電源管腳上都并上一個電解電容和一個瓷片電容, 電解電容足防止低頻干擾，山丁感性的作用，K 高頻濾波效果不好，而瓷片電容恰好能彌補它的 缺點，兩者配合使用，達到電磁兼容的冃的 地線 方面將系統(tǒng)的地線分成2個部分：模擬信號地、數(shù) 字地 模擬地和中間數(shù)字地在電源的附近某一點 連接。3.4 USB接口數(shù)據(jù)傳輸該部分選用f CYPRESS提供的EZ-USB系

20、列 中的CY7C68013 選擇CY7C68013的SLAVE FIFO 模式I 作,FX2右內(nèi)置4K的FIFO、EP2和EP4是輸出 端點:EP6和EP8是輸人端點?？梢钥闯?，可選的最 大數(shù)據(jù)輸入量僅為2K,選用第二種模式，將端點6 設(shè)胃成512字節(jié)四ifiFIFO,每512字節(jié)為一包，采 用4包輪流向上位機傳輸數(shù)據(jù)的模式'該部分的軟件采川模塊化設(shè)計思想，即分為 主循環(huán)程序、命令字解析子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程 序、CCD信號采集子程序組成，程序示意如圖2 所示。圖2底層程序示意Fig. 2 Schematic diagram of bottom program主循環(huán)程序完成變戢的初始化及

21、空間分配、V. 作狀態(tài)標(biāo)吉的設(shè)定、中斷允許等操作一 一旦有事件 發(fā)工，主循環(huán)通過標(biāo)卷位駛動相應(yīng)子程序。如果命 令標(biāo)志位冇效，程序會解析接收緩沖區(qū)中的命令 數(shù)據(jù)，肚掃描標(biāo)志位，通過主循環(huán)程序檢測標(biāo)志位, 進入光譜知描子程序。在光譜掃描子程序中，程序 根據(jù)命令字進行數(shù)據(jù)采集或者停止掃描，在數(shù)據(jù) 采集時，如前所述,以512個字節(jié)為一包,端點6在 四巫FIFO模式下以全速批量傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā) 給上位機。4系統(tǒng)測試采集系統(tǒng)的性能測試主要包括采樣頻率、冇效 分辨率和信噪比測試。測試儀器：DS1102數(shù)字示波器（100MHz）、GY8型組合尤索光源（汞燈）、WLX型單色儀、LS-1 鹵鉤燈光源，測試方法與

22、結(jié)果：裝世的安裝如圖3所示，光 源為波長范帀為360 um2 pm的鹵軻燈或A'HG-1 型光源，單色儀采用北京光學(xué)儀器廠的WLX別單 色儀，其波長范圉是7001 100 nm,屬于短近紅外區(qū)圖3 裝生連接Fig. 3 Block diagram of equipment connection域"其中單色儀與CCD電路板構(gòu)成一個整體，島要 注童的是要求光源的位世應(yīng)與CCD在同一水平線 上，光線應(yīng)垂直入射于狹縫。1）采樣率測試：將系統(tǒng)中的CCD信號輸入端 接入模擬信號發(fā)牛器，給系統(tǒng)輸入300 kHz標(biāo)準(zhǔn)止 弦波,正弦波的信號幅值為340 m：直流偏置為 917 mVfdV經(jīng)過整

23、個系統(tǒng)，彊后用上層測控軟件 得到了采集信號的波形，經(jīng)過展開得到如圖4所示 的波形 山采樣定理可知，如果要想保證不失貞恢 復(fù)原來信號，采樣頻率必須是信號頻率的3倍(X 10*)500100015002000250030003500像索圖4 10條鹵鴿燈光譜線Fig. 4 Ten curves of tungsten halogen spectrum2）冇效分辨率測試：將系統(tǒng)中的CCD信號輸 入端接入苴流信號，該信號來源丁系統(tǒng)的基準(zhǔn)電 源電床，測量ADC變化結(jié)果，對所采集的2048個 數(shù)抿求均片差,即計算噪聲的RMS饑實際計算的 噪聲冇效fit為2,可以得到等效噪聲電平值為1 bit, 換句話說系

24、統(tǒng)的冇效分辨率為15 bito3）信噪比測試：按圖3連接好系統(tǒng)的整個裝 置，光源選擇LS1鹵鉤燈光源 保持光源的光照強 度不變,重復(fù)測量10次，保存每次測量的數(shù)據(jù)，用 上層軟繪制圖譜，得到10條幾乎重合的未標(biāo)定 的鹵鴇燈光譜線，如圖4所示，右上角是其 10587066的放大圖計算10次數(shù)據(jù)的均方差，即 噪川的右效值人，再計算十次的均方值，得到信號 的有效值叫，根據(jù)信噪比的定義，代入公式（9）,求 出系統(tǒng)的信噪比。4）波長范圍測試:將HG 1型光源對準(zhǔn)儀器 分光系統(tǒng)的入射狹縫，測fiJt光強數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)© 1994-2012 China Academic Journal Electr

25、onic Publishing House. All rights reserved, 第1期近紅外光i許儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制 # 匕一匕(ID的峰值対應(yīng)的像索位首確定標(biāo)泄點，HG-1型光源 的特征峰與CCD像素點對應(yīng)的關(guān)系如表1所示。© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近紅外光i許儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制 77 1.91.81.71.61.51.41.31.21.1(x 1(f)1700 750 800 850 900 950 1000 1050

26、1100波長/nm圖5標(biāo)準(zhǔn)光源測試光譜Fig. 5 Spectrum of standard lamp-house test圖6 大豆反射測試圖譜Fig. 6 Spectrum of soybean reflective test經(jīng)過式(11)計算得到如圖7的反射率圖詵圖7大豆反射率圖譜Fig. 7 Reflectivity spectmm of soybean性能畚數(shù)指標(biāo)信匕輸入方式m靖輸人系統(tǒng)采樣方式采樣保持(SHA)信號電斥輸人范闈0.44V冇效分辨率15條統(tǒng)采樣頻率1MHz信噪比5SdB系統(tǒng)緩存容肚4Kxl6bitCCD 積介時 |h|(TCD1304)采集卡與PC存舗器之間數(shù)據(jù)傳輸率

27、480Mb/$表2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能測試結(jié)果Table 2 Performance test result for data acquisition system表1特征峰與像素關(guān)系Table 1 Relation between peak value and pixel待征波K/nm718750763772794SOO像索點59474784491110811128待征波811826842852912920像索點119513211437151619792057用上衣給出的幾個峰值點進行波長定標(biāo)即可, 通過擬合，得到的波長y與像素x的關(guān)系：y=0.1334x+646.2(10)根據(jù)式(10)在相鄰

28、標(biāo)泄點之間按線性插值進行標(biāo) 定:.圖5給出的足標(biāo)定以后的標(biāo)準(zhǔn)光源測試光譜圖, 橫坐標(biāo)是波長，縱坐標(biāo)是相對強度。5)樣品的檢測：經(jīng)過了系統(tǒng)以及儀器的調(diào)試之 后，采用反射方式得到大U樣品反射的光i普 如圖 6所示,最高譜線代表白板信號%中間譜線代表 樣品信號K,最低譜線代表背杲侑號 環(huán)由此，測控系統(tǒng)的性能指標(biāo)結(jié)果如表2所示, 滿足短近紅外光譜儀設(shè)計要求。近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、無損、多組 分同時檢測的綠色分析技術(shù)，何近紅外光譜儀是 近紅外光譜分析技術(shù)的基本匸具。針對近紅外光譜 儀的小型化、模塊化和快速實時的發(fā)展趨勢，同時 兼顧遼別模數(shù)轉(zhuǎn)換器快速發(fā)展，設(shè)計了以遼型 模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心的、USB2

29、.0為通訊協(xié)議的陣列 檢測型近紅外光譜儀的16位數(shù)據(jù)采集卡。以上測 試結(jié)果表明，實際系統(tǒng)達到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)：右 效分辨率為15位，信噪比為58 dB, 30 ms0.5 s的 CCD積分時間控制，緩存容fit為4Kxl6bit該采 集系統(tǒng)與單色儀組合，進行了光譜儀的標(biāo)定與樣 品測試，取得了很好的結(jié)果。為我國研制口主知識 產(chǎn)權(quán)的便攜式和在線短近紅外光譜儀提供了技術(shù) 支持。參考文獻：1 陸婉珍-現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)M.2版.北京：中 國石化出版tt, 2006.LU W ZH Modern near infrared spectroscopy analytical technology M.

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