近红外光谱仪数据采集系统的研制_陈健

第26卷 第1期 · 72 ·

电子测量与仪器学报 Vol. 26 No. 1 2012年1月

JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT

DOI: 10.3724/SP.J.1187.2012.00072

近红外光谱仪数据采集系统的研制*

陈 健1,2 凌振宝1 陈鹏飞1 王智宏1

(1. 吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室 长春 130026; 2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 重庆 401122) 摘 要: 根据阵列检测型近红外光谱仪对采集卡动态范围和信噪比的要求, 设计和实现了以USB2.0为通信协议的16位数据采集系统。系统采用Δ-∑模数转换器ADS1610, 将CCD信号数字化。应用可编程逻辑技术, 实现了TCD1304检测器的驱动和积分时间的256挡选择。系统的有效分辨率为15位, 信噪比为58 dB, 缓存容量为4K×16 bit, CCD积分时间30 ms~0.5 s可编程控制。研制的采集系统与分光系统结合, 具有很好的市场价值和应用前景。

关键词: 近红外光谱仪; 数据采集; Δ-∑模数转换器; CCD

中图分类号: TP216 TH833 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 510.40

Design of data acquisition system of NIRS instrument

Chen Jian1,2 Ling Zhenbao1 Chen Pengfei1 Wang Zhihong1

(1. Key Laboratory of Geo-Exploration Instrumentation, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130026, China;

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 acquisition for the recent progress of array-based detection NIRS instrument, a kind of data acquisition system which is based on US2.0 communica-tions protocol is designed and implemented. The system uses Δ-∑ analog-to-digital converter ADS1610 for CCD signal con-version. The use of programmable logic device makes TCD1304 driving and 256 kinds of integration time chosen. The effec-tive resolution is 15 bit, and SNR is 58 dB. The integration time is 30ms to 0.5s. Combined with spectrometer, the designed system has good application foreground.

Keywords: NIRS Instrument; data acquisition; Δ-∑ analog-to-digital converter; CCD (Charge Coupled Device)

1 引 言

近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子特征的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含量分析的物理方法, 广泛的应用于诸如地质、冶金、石油、化工、制药工艺、临床医学、农业、食品工业、林业、纺织工业、造纸、环保等领域。近红外光谱按波长范围分为短波近红外(7000~ 1100nm)和长波近红外(1100~2800 nm), 其中短波近红外主要用于有机物分析, 长波近红外主要用于矿物分析。早期的近红外光谱仪主要是在UV/ VIS(紫外/可见光)仪器的领域的延伸, 随着近红外分析技术理论的成熟, 仪器的性能、测试方法发生了很大的变化, 仪器的种类也扩展很多, 包括滤光

片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤光器型以及阵列检测型。其中阵列检测类型主要有二极管阵列检测器(PDA)和电荷耦合器件(CCD), 长波区域采用的是铟砷化镓的PDA, 短波区域采用的是硅基的CCD。

基于CCD的近红外光谱仪的分光系统无机械移动部件, 仪器的长期稳定性和抗干扰性能好, 另外一个特点是扫描速度快, 通常在1 s内可完成几十次甚至上百次的光谱测量, 适合于在线测试和野外测试。面对近红外光谱仪向专用化、小型化、固态化、模块化和快速实时方向发展趋势, CCD型近红外光谱仪在未来将得到更大的发展与应用。

高性能的信号采集系统是CCD型近红外光谱仪必不可少的部分。目前国内商品化中以USB为

本文于2011年8月收到。

*基金项目: 国家大学生创新性实验项目(2007A65041); 吉林省科技发展计划项目(20070520)。

第1期 近红外光谱仪数据采集系统的研制 · 73 ·

接口的线阵CCD信号采集系统只有十二位的分辨率, 很难满足高性能、高精度、便携式的CCD型近红外光谱仪测试的要求。针对CCD型近红外光谱仪的广泛使用和用户的高精度要求, 设计和实现了以USB2.0通信协议的16位CCD信号采集系统。本作品的指标: 15位有效数据分辨率, 58dB的信噪比, 30 ms~0.5 s的CCD积分时间控制, 系统缓存容量为4K×16bit。

3 系统设计要点

3.1 模拟信号调理

模拟调理电路接收CCD输出的像元信号, 经过双-单端变换, 幅度放大, 共模电压偏置, 信号滤波等调理, 以合适的信号动态范围和频率范围传输给Δ-∑模数转换器。该部分以两个核心芯片实现, 即AD8042和THS4501。

轨至轨(Rail to rail)运算放大器AD8042内部有两个集成运放, 其中一个用于减法电路, 实现CCD的双端信号变换为单端信号, 另外一个用于同相AD8042的-3db的频带宽放大, 提高系统的信噪比。

度是160 MHz, 故其增益带宽积BWG为160, 设置AD8042第一级放大0 dB, 第二级放大设置为14 dB (5倍), 则该级带宽为24 MHz, 保证基带信号响应平坦。由于CCD信号具有一定的陡度, 对放大器的转换速率有一定的要求。一般阶跃信号的前5次谐波决定波形, 故放大器保证信号不失真, 必须在5MHz时, 能不失真输出低频相应的峰峰值, 即默

2 系统介绍

数据采集系统的框图如图1所示。由5大模块组成: 时序产生模块、模拟信号处理模块、A/D转换模块、数据缓存模块和USB接口模块。其功能如下。

图1 CCD采集系统

Fig. 1 Block diagram of CCD acquisition system

1) 时序产生模块: 一方面接收MCU(USB接

认为电源电压, 故该级的转换速率必须满足:

dv

SR≥Ot=0=VOMcosωtt=0=2πfVOM (1)

dt

式中: VOM为电源电压, f为5 MHz, 则有SR≥ 31.4 V/μs。而AD8042的转换速率为200 V/μs, 满足系统要求。

Δ-∑模数转换器的输入端有高输入阻抗和较大而且可变的容抗, 同时, 开关电容或者采样保持电路会产生电流尖峰, 必须使用差分放大器, 消除电流尖峰, 并且为精确采样提供低阻抗源。完全差分放大器THS4501实现了Δ-∑模数转换器输入匹配和共模电压偏置的功能, Vout+和Vout?直接与Δ-∑ADC的差分输入端相连, 则Vout+和Vout?表达式:

VOUT+=VOUT?

Vin+(1?β)?Vin?(1?β)+2Vcomβ

(2)

2β

?V(1?β)+Vin?(1?β)+2Vcomβ=in+ (3)

2β

口芯片内的微处理器)的控制信号后产生CCD(电荷耦合器)的工作时序; 另一方面产生A/D转换器时钟以及缓存的读时钟;

2) 模拟信号调理模块: 接收CCD的两路信号, 用差分放大电路、正向比例放大电路处理模拟信号, 经过差分驱动放大器产生定值的共模信号, 传给A/D转换器;

3) A/D转换模块: 将模拟信号调理模块输出的信号以1 MHz的采样率转换成数字信号输出给缓存模块, 本系统选择16位Δ-∑模数转换器;

4) 数据缓存模块: 接收来自A/D的数字信号, 临时存储数据并传输给USB接口模块;

5) USB接口模块: 以EZ-USB FX2芯片为控制核心, 通过Slave FIFO(USB块传输方式)工作方式, 将缓存数据传给上位机, 同时接受上位机的控制命令, 启动时序产生模块工作。

式中: β=Rg/(Rg+Rf), 则输出信号的共模信号和差模信号大小分别为:

Vod=Vout??Vout+=

Rf (4) 2Vin+(1?β)?2Vin?(1?β)

=Vin+

Rg2β

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Vout++Vout?的4.4 MHz通频带可以提供宽带信号处理, 而片上

=Vcom (5) 2数字滤波器与 SAR及管线转换器相比则可以简化

由式(4)可知, Rf1、Rf2和Rg1、Rg2控制该级的差模信抗混淆需求。该器件的工作电压为+5 V模拟电源以

Voc=

号的增益; 由式(5)知, TH4501的共模输出信号只与共模信号输入信号有关, 从而平衡了在一个理想的共模电压点上两个差分的输出级, 使Δ-∑模数转换器获得完整的动态范围。两个100 pF的电容用来消除ADC内部开关电路引起的电流尖峰, 两个20 ?的电阻隔离ADC的容性负载和放大器以确保非自激, 同时两者也是ADC输入端低通滤波器的关键部件, 该低通滤波器截止频率是:

11f===79.6MHz (6)

2πRC2×3.14×20Ω×100pF由式(6)可知, 该截止频率比采样频率60 MHz略高, 起到抗混叠滤波和削弱噪声的作用。 3.2 CCD驱动时序及采样时序的产生

时序发生器主要用来产生CCD驱动时序和抽CCD器件正常工作时必须给它提供所要求取时序。

的驱动脉冲。TCD1304最重要的驱动脉冲有ICG、SH、RS、φ1和φ2。φ1和φ2是CCD时钟信号; ICG的作用是转移电荷; 复位脉冲RS完成对每次电荷转移后的复位工作; 移位脉冲SH用来控制积分时间。Δ-∑模数转换器以远远大于CCD信号的频率对其进行采样, 有很多信号是累赘的, 故需要对其进行周期性抽取, 保证数字化CCD信号的唯一性。

时序发生器在MAX+PLUSII集成环境下, 采用VHDL语言与电路图混合设计和分层设计的思想。其工作流程如下: MCU控制器首先给定积分时间, 然后发送启动/控制信号给时序发生器; 时序发生器控制线阵CCD积分, 并产生移位脉冲信号将线阵CCD器件积累的电荷单元依次送到输出端口; 同时控制ADC对放大后的信号进行模数转换; 并产生缓存器的写信号将数字量保存; MCU控制器收到数据采集完成信号后, 从FIFO存储器中读取数据传送到上位机中进行处理。 3.3 Δ-∑模数转换器模块

ADS1610是TI公司推出高精度测量应用的16位10MSPSΔ-Σ转换器, 和相同价位的同类产品相比, 拥有无与伦比的速度与精度。ADS1610可在 5 MHz带宽上实现优异的86 dB信噪比(SNR)以及95 dB无寄生动态范围(SFDR)。其纹波低于0.0002 dB

及+3.3 V数字电源。

如上Δ-∑型A/D转换器需要进行调制、滤波处理, ADS1610也不例外。采样频率与奈奎斯特频率的比值, 称为过采样比, 用M表示。对于单级16位Δ-∑型调制器, 为了让芯片正常工作其调制器的阶数N与采样比有一定的关系, 即:

(M+N?1)!>(M?1)!×N!×216?1 (7) ADS1610需要外部提供基准电压, 包括3种基准电源电压, 即正参考源(VREFP)、负参考源(VREFN)以及共模参考基准源(VMID), 其中共模参考基准源用于调制器中。采集系统的参考电源电压:

Vref=VREFP?VREFN (8)

在实际应用中, 一般取VREFP为4 V, VREFN为1 V, VMID为2.5 V, 故其参考电源电压为3 V。由于这些参考源被用于开关工作状态中, 不仅需要提供稳态及暂态电流, 还要驱动电子开关, 故需要驱动电路驱动调制器所需要的基准参考电压。基准源由AD586提供, 并且由OPA2822驱动。

模拟调理和模数转换部分的低噪声设计是整个系统性能的关键, 在数模混合系统中供电方式和接地处理显得尤其重要。采样模块需要两种电源, 模拟电源(5 V)和数字电源(3.3 V)。在芯片的每个电源管脚上都并上一个电解电容和一个瓷片电容, 电解电容是防止低频干扰, 由于感性的作用, 其高频滤波效果不好, 而瓷片电容恰好能弥补它的缺点, 两者配合使用, 达到电磁兼容的目的。地线方面将系统的地线分成2个部分: 模拟信号地、数字地。模拟地和中间数字地在电源的附近某一点连接。

3.4 USB接口数据传输

该部分选用了CYPRESS提供的EZ-USB系列中的CY7C68013。选择CY7C68013的SLAVE FIFO模式工作, FX2有内置4K的FIFO、EP2和EP4是输出端点, EP6和EP8是输入端点。可以看出, 可选的最大数据输入量仅为2K, 选用第二种模式, 将端点6设置成512字节四重FIFO, 每512字节为一包, 采用4包轮流向上位机传输数据的模式。

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该部分的软件采用模块化设计思想, 即分为主循环程序、命令字解析子程序、数据发送子程序、CCD信号采集子程序组成。程序示意如图2所示。

域。其中单色仪与CCD电路板构成一个整体, 需要注意的是要求光源的位置应与CCD在同一水平线上, 光线应垂直入射于狭缝。

1) 采样率测试: 将系统中的CCD信号输入端接入模拟信号发生器, 给系统输入300 kHz标准正弦波, 正弦波的信号幅值为340 mV, 直流偏置为917 mV信号经过整个系统, 最后用上层测控软件得到了采集信号的波形, 经过展开得到如图4所示的波形。由采样定理可知, 如果要想保证不失真恢复原来信号, 采样频率必须是信号频率的3倍。

图2 底层程序示意

Fig. 2 Schematic diagram of bottom program

主循环程序完成变量的初始化及空间分配、工作状态标志的设定、中断允许等操作。一旦有事件发生, 主循环通过标志位驱动相应子程序。如果命令标志位有效, 程序会解析接收缓冲区中的命令数据, 置扫描标志位, 通过主循环程序检测标志位, 进入光谱扫描子程序。在光谱扫描子程序中, 程序根据命令字进行数据采集或者停止扫描, 在数据采集时, 如前所述, 以512个字节为一包, 端点6在四重FIFO模式下以全速批量传输的方式将数据发给上位机。

图4 10条卤钨灯光谱线

Fig. 4 Ten curves of tungsten halogen spectrum

2) 有效分辨率测试: 将系统中的CCD信号输入端接入直流信号, 该信号来源于系统的基准电源电压, 测量ADC变化结果, 对所采集的2048个数据求均方差, 即计算噪声的RMS值。实际计算的噪声有效值为2, 可以得到等效噪声电平值为1 bit, 换句话说系统的有效分辨率为15 bit。

3) 信噪比测试: 按图3连接好系统的整个装置, 光源选择LS-1卤钨灯光源。保持光源的光照强度不变, 重复测量10次, 保存每次测量的数据, 用上层软件绘制图谱, 得到10条几乎重合的未标定的卤钨灯光谱线, 如图4所示, 右上角是其1058~1066的放大图。计算10次数据的均方差, 即噪声的有效值Vn, 再计算十次的均方值, 得到信号的有效值Vs, 根据信噪比的定义, 代入公式(9), 求出系统的信噪比。

4 系统测试

采集系统的性能测试主要包括采样频率、有效分辨率和信噪比测试。

测试仪器: DS1102数字示波器(100MHz)、GY-8型组合元素光源(汞灯)、WLX型单色仪、LS-1卤钨灯光源。

测试方法与结果: 装置的安装如图3所示, 光源为波长范围为360 nm~2 μm的卤钨灯或者HG-1型光源, 单色仪采用北京光学仪器厂的WLX型单色仪, 其波长范围是700~1 100 nm, 属于短近红外区

Rsn=10lg

PsV

=20lgs (9) PnVn

图3 装置连接

Fig. 3 Block diagram of equipment connection

4) 波长范围测试: 将HG-1型光源对准仪器分光系统的入射狭缝, 测量其光强数据, 根据数据

· 76 · 电子测量与仪器学报 第26卷

的峰值对应的像素位置确定标定点, HG-1型光源的特征峰与CCD像素点对应的关系如表1所示。

F=

Vs?Vn

(11)

Vb?Vn

表1 特征峰与像素关系

Table 1 Relation between peak value and pixel

特征波长/nm 像素点 特征波长/nm 像素点

718 750 763 772 794594 747 844 911 1081811 826 842 852 9121195 1321 1437 1516 1979

80011289202057

经过式(11)计算得到如图7的反射率图谱。

用上表给出的几个峰值点进行波长定标即可,

通过拟合, 得到的波长y与像素x的关系: y＝

0.1334x+646.2 (10) 根据式(10)在相邻标定点之间按线性插值进行标定。图5给出的是标定以后的标准光源测试光谱图, 横坐标是波长, 纵坐标是相对强度。

5)样品的检测: 经过了系统以及仪器的调试之后, 采用反射方式得到大豆样品反射的光谱。如图6所示, 最高谱线代表白板信号Vb, 中间谱线代表样品信号Vs, 最低谱线代表背景信号Vn。

图7 大豆反射率图谱

Fig. 7 Reflectivity spectrum of soybean

由此, 测控系统的性能指标结果如表2所示, 满足短近红外光谱仪设计要求。

表2 数据采集系统性能测试结果

Table 2 Performance test result for data acquisition system

性能参数

信号输入方式 系统采样方式 信号电压输入范围 有效分辨率 系统采样频率 信噪比

系统缓存容量

CCD积分时间(TCD1304)

采集卡与PC 存储器之间数据传输率

指标 单端输入 采样保持(SHA) 0.4~4V 15 1MHz 58dB 4K×16bit 30ms~0.5s 480Mb/s

图5 标准光源测试光谱

Fig. 5 Spectrum of standard lamp-house test

5 结 语

近红外光谱分析技术是一种快速、无损、多组分同时检测的绿色分析技术, 而近红外光谱仪是近红外光谱分析技术的基本工具。针对近红外光谱仪的小型化、模块化和快速实时的发展趋势, 同时兼顾Δ-∑型模数转换器快速发展, 设计了以Δ-∑型模数转换器为核心的、USB2.0为通讯协议的阵列检测型近红外光谱仪的16位数据采集卡。以上测试结果表明, 实际系统达到了预期的技术指标: 有

效分辨率为15位, 信噪比为58 dB, 30 ms~0.5 s的CCD积分时间控制, 缓存容量为4 K×16 bit。该采集系统与单色仪组合, 进行了光谱仪的标定与样

图6 大豆反射测试图谱

Fig. 6 Spectrum of soybean reflective test