本文介紹了一種基于USB的光電二極管陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)以DSP作為核心，光電二極管陣列的曝光時(shí)間和模擬處理電路增益程序可調(diào)，采用16位高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成對(duì)光電二極管陣列視頻信號(hào)的精確測(cè)量。DSP將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)傳輸給上位計(jì)算機(jī)，由其來(lái)完成視頻數(shù)據(jù)的處理，顯示和存儲(chǔ)。
1.光電二極管
光電二極管陣列是當(dāng)前光學(xué)多通道探測(cè)系統(tǒng)中使用最廣的探測(cè)器之一。它具有體積小，響應(yīng)時(shí)間快，積分時(shí)間可變，無(wú)滯后效應(yīng)，輸出噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大，光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)。為了數(shù)據(jù)處理方便，一般需將光電二極管陣列的視頻信號(hào)數(shù)字化并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。但由于其視頻信息數(shù)字化以后，數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，需要一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式。而USB總線(xiàn)傳輸速度較快，有1.5 Mbit/s.12 Mbit/ s和 480 Mbit/s 3種速度，能夠滿(mǎn)足光電二極管陣列數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/div>
2.硬件設(shè)計(jì)
總體結(jié)構(gòu)如圖1，虛線(xiàn)框內(nèi)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要由以下幾部分構(gòu)成：模擬處理電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理器( DSP)，復(fù)雜可編程邏輯( CPLD),隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)和 USB接口電路等構(gòu)成。光電二極管陣列經(jīng)過(guò)一段時(shí)間曝光后，在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下輸出視頻信號(hào)。視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲模擬處理電路處理后，送到高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。DSP將轉(zhuǎn)換得到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口上傳到上位計(jì)算機(jī)，完成視頻數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖
光電二極管陣列采用的是S3904系列產(chǎn)品。S3904是一種專(zhuān)門(mén)為多道光譜探測(cè)設(shè)計(jì)的自?huà)呙韫怆姸O管陣列。它的頻譜響應(yīng)范圍為200~ 1100 nm，每個(gè)像素的大小為25 pm x 2.5mm，單元數(shù)有256.512和1024。室溫時(shí)暗電流最大為0.3 pA，最大輸出電荷量約為25pC，飽和曝光量為180 mlx s。
驅(qū)動(dòng)電路是專(zhuān)門(mén)為其設(shè)計(jì)的低噪聲驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路將感光二極管陣列和補(bǔ)償二極管陣列輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)積分放大處理后再進(jìn)行差動(dòng)放大，降低瞬態(tài)干擾和暗電流噪聲。采樣保持電路對(duì)視頻信號(hào)和噪聲分別進(jìn)行采樣和保持，抵消掉視頻信號(hào)中的模擬處理電路漂移和噪聲，并且在電壓保持的同時(shí)觸發(fā)多次模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)，以利于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)采集和降噪處理。驅(qū)動(dòng)電路的接口時(shí)序如圖2所示。START信號(hào)用來(lái)控制視頻數(shù)據(jù)采集的開(kāi)始，由驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部根據(jù)此信號(hào)生成光電二極管陣列所需的啟動(dòng)信號(hào)。它可以用來(lái)控制光電二極管陣列的曝光時(shí)間，Φst信號(hào)用來(lái)通知DSP視頻信號(hào)輸出已經(jīng)開(kāi)始。START信號(hào)由TMS320LF2407A的TIPWM直接產(chǎn)生，Φst和TMS320LF2407A的XINTl引腳相連接。
圖2 驅(qū)動(dòng)電路接口時(shí)序圖
模擬處理電路是一個(gè)程控增益放大器，由高速運(yùn)算放大器OPA300和模擬開(kāi)關(guān)74HC4051構(gòu)成。因?yàn)槟M開(kāi)關(guān)沒(méi)有接在放大電路的增益回路中，可將它看作運(yùn)算放大器的一部分，使模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻及其溫度系數(shù)對(duì)增益的影響得以消除。此放大電路共有8個(gè)增益選擇：1.008、1.5、2、3、4、6、8和10。
圖3 模擬處理電路
DSP是系統(tǒng)的核心，采用的是TMS320LF2407A，它是16位定點(diǎn)DSP，片內(nèi)具有32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，2.5KB的RAM;片上資源豐富，指令周期最小為25ns，可以提供良好的實(shí)時(shí)控制能力。CPLD用來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP和外圍電路的接口設(shè)計(jì)，采用的是XC9836XL。它的系統(tǒng)頻率最高為178MHz，引腳到引腳的邏輯延遲為5ns。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是ADS8401。ADS8401是一種高速逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)輸出采用高速16位并行接口，數(shù)據(jù)線(xiàn)與TMS320LF2407A數(shù)據(jù)線(xiàn)直接連接。ADS8401的CS和RD由XC9536XL根據(jù)TMS320LF2407A的讀寫(xiě)信號(hào)生成。ADS8401的CON由光電二極管陣列的驅(qū)動(dòng)電路板提供。BUSY信號(hào)直接連到TMS320LF2407A的IOPC5上，Φst信號(hào)通過(guò)觸發(fā)外部中斷XINT通知DSP視頻信號(hào)開(kāi)始輸出，準(zhǔn)備采集視頻數(shù)據(jù)。ADS8401在Φst信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A通過(guò)查詢(xún)IOPC5的狀態(tài)，來(lái)確定何時(shí)轉(zhuǎn)換完畢和讀取數(shù)據(jù)。之所以采用查詢(xún)方式，是因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)讀取的時(shí)序性較強(qiáng)，如不能及時(shí)讀取會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，單元視頻數(shù)據(jù)錯(cuò)位。
USB接口芯片采用 PDIUSBDl2。它是需要外部微控制器控制的 USB接口芯片，PDIUSBDl2的端點(diǎn)可以被配置為4種不同的模式，分別為非同步傳輸模式、同步輸出傳輸模式、同步輸入傳輸模式和同步輸入輸出傳輸模式。PDIUSBDl2芯片提供3個(gè)端點(diǎn)，在非同步模式下，端點(diǎn)0用于控制傳輸，端點(diǎn)1和端點(diǎn)2用于普通輸入輸出。端點(diǎn)0和端點(diǎn)1的最大信息包大小為16字節(jié)，端點(diǎn)2為64字節(jié)。系統(tǒng)中PDIUSBDl2工作在非同步模式下，采用端點(diǎn)補(bǔ)柴傳輸命令信息，端點(diǎn)2來(lái)傳輸采集到的數(shù)據(jù)。INT引腳和TMS320LF2407A 的XINT2引腳相連，SUSPEND引腳和TMS320LF2407A的IOPB6相連。數(shù)據(jù)線(xiàn)跟TMS320LF2407A的低8位數(shù)據(jù)線(xiàn)連接，其他控制信號(hào)由XC9536XL根據(jù)TMS320LF2407A的接口信號(hào)生成。
TMS320LF2407A 與外圍電路的具體接口電路如圖4所示。XC9536XL的設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行，采用ISE WebPACK進(jìn)行編譯，采用ModelSim進(jìn)行仿真調(diào)試。
圖4 DSP與外圍電路的拉口
3.軟件設(shè)計(jì)
3.1DSP軟件設(shè)計(jì)
DSP的程序主要包括數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)傳輸和命令傳輸。數(shù)據(jù)采集處理和命令傳輸采用中斷方式完成，而數(shù)據(jù)傳輸則由主程序和中斷程序共同來(lái)完成。主程序的流程圖如圖5所示。
圖5 DSP主程序流程圖
3.2計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)光電二極管陣列視頻數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)，同時(shí)可設(shè)置采集系統(tǒng)的工作參數(shù)：如曝光時(shí)間、模擬電路增益。上位計(jì)算機(jī)程序采用Visual C++ 6.0編寫(xiě)，采用其自帶的單文檔程序框架。程序的主要功能是基于時(shí)間中斷來(lái)完成的。
4.測(cè)試結(jié)果
光電二極管陣列采用S3904-1024，光源采用氛燈經(jīng)過(guò)多色儀生成的光譜帶，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的曝光時(shí)間分別設(shè)為50ms，100ms和200ms，各測(cè)試2h，數(shù)據(jù)采集以及傳輸均未發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)光電二極管陣列無(wú)光照射時(shí)，曝光時(shí)間設(shè)為200ms，系統(tǒng)采集到的暗電流噪聲如圖6所示，可以看出它的噪聲約為300 μv 。這個(gè)噪聲主要由光電二極管陣列的暗電流噪聲和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身的噪聲構(gòu)成，由此可見(jiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自身的噪聲是很低的，可以實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的精確測(cè)量。
圖6 無(wú)光照時(shí)的視頻信號(hào)采集
總結(jié)
以上就是基于USB的光電二極管陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹了。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠精確測(cè)量光電二極管陣列輸出的視頻信號(hào)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口實(shí)時(shí)傳輸給上位計(jì)算機(jī)，目前已應(yīng)用于光電二極管陣列檢測(cè)器當(dāng)中，使用效果較好。
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