基于DSP的近红外光谱分析仪

　　1 引言

　　近红外光谱分析技术作为一种无损、快速检测技术正越来越多的被认同和应用。随着光学器件和计算机软硬件技术的发展, 对近红外分析仪器的可靠性与实用性都提出了新的要求, 以此为基础提出了以TMS320F2812 DSP 为核心的近红外光谱分析仪, 简化了仪器结构, 增强了仪器功能, 达到了数据的实时采集与处理, 提高了仪器的预测准确度。近红外光谱分析仪主要包括以下几部分: 光源、分光系统、探测器、温控部分、信号采集放大部分、DSP控制部分、显示打印部分与数据定标分析部分。

　　2 系统构成

　　仪器的光源系统主要由光源和光源稳定电路构成。光源系统在测量谱区要有足够的强度和非常高的信噪比, 因为光的强度和稳定性直接影响仪器的信噪比。考虑到发射光谱范围、发光强度、稳定性、价格等多方面因素, 设计选用石英卤钨灯。同时, 在灯的后侧加反射镜以提高卤钨灯的光效率。采用风扇散热。

　　检测器的作用是把光信号转变为电信号。它的性能直接影响仪器的信噪比, 应尽可能提高检测器的信号强度, 降低检测器的噪声并消除各种干扰。为了提高传输速率, 无畸变地传输光信号, 检测器不仅要和被测光信号和光学系统匹配, 还要与后续电路在特性和工作参数上相互匹配, 使系统中各元器件的工作状态均满足要求。设计选用硫化铅(PbS) 检测器。常温下, PbS 的光谱响应范围为1- 2.9μm, 当使用帕尔贴(Peltier) 致冷到- 77oC 时 , 光谱范围可以扩展到3.5μm。PbS 检测器在近红外谱区的光谱响应范围宽,灵敏度较好, 线性好, 响应较快。近红外谱区的吸收强度弱, 信息强度低, DSP 本身的分辨率( 12 位) 无法达到要求, 所以外扩一片16 位AD。以AD 为核心设计放大电路。设计采用ADS8364 作为模数转换芯片。ADS8364 是16 位、6 通道可同时采样的并行接口模数转换芯片。该芯片直接提供了片选( CS) 、时钟输入、并行数据总线的灵活接口信号, 能够非常方便地与 F2812 处理器接口。ADS8364 内部可 以采用3.3V 的缓冲, 能够与F2812 直接接口而无须电平转换。检测器的输出电信号为mv 级, 而 ADS8364 对采样信号电压的要求是- 0.3V～+5.3V 之间, 因此需要在AD 采样电路前端加入放大电路, 才可以使输入的模拟信号与AD 转换所需的信号电压相匹配。同时放大器的输入电压要和检测器的输出电压相匹配。选择前置放大器时, 为避免带入噪声应尽量选择偏置电流小, 温度漂移与共模抑制比等性能参数好的放大器, 以提高仪器的信噪比。设计采用OPA111,是一种低噪声的精密运算放大器。其输入偏置电流为1pA,温度漂移为 1mV/℃, 开环增益可达 120DB。