一种便携式光谱仪的设计

　　1　系统硬件电路设计

　　基于ARM的便携式光谱仪系统结构框图如图1所示,它主要由光学系统、ARM芯片LPC2104、CCD时序产生电路、CCD和ADC接口电路、A/D转换电路、串口接口等组成。光学系统对被测光进行分光,ARM给CCD采样头ilx511产生时序使其对光谱采样,产生模拟输出电压信号,输出的电压信号经过一接口送入ADC,ADC转换后的数字信号经由串口送入计算机进行处理并画出光谱。下面对系统的关键组成部分分别阐述。

　　1.1　被测光谱光学系统

　　仪器的光学系统由光源、反射镜、入射狭缝、光栅和CCD检测器构成,示意图如图2所示。仪器中所采用的光栅为全息衍射光栅,刻线密度为600l/mm(条每毫米)。最基本的光栅公式如下:

　　式中α、β分别为入射角和衍射角(图3), k为衍射级数,n为光栅刻线密度,λ为波长。由式(1)可知,当入射角α、衍射级数k和光栅刻线密度n固定时,不同波长光线衍射角β的正弦值与波长λ成正比关系:

　　式中a,b为常数。

　　其中CCD检测器部分采用了SONY公司生产的波谱范围为200~1100nm的2048个像素的灰度CCD图像传感器ilx511,图4是ARM7的GPIO口与ilx511的接口电路图。ARM的GPIO口对CLK、ROG严格按照ilx511给出的时序图进行编程控制,从而实现ilx511的光谱采集功能。

　　1.2　A/D转换电路

　　系统中因为CCD的动态范围是48.5dB,根据公式

　　可以计算得到ADC位数≥8. 06,所以我们选择ADC的精度必须是9位或9位以上。考虑系统升级等因素,选择12位的ADS7818作为模数转换器。在设计ADC接口电路时,要注意的是:CCD的输出对于外界的阻抗变化比较敏感,还考虑光学系统的外部干扰和噪声,我们在CCD和ADC之间设计了接口电路,用于阻抗匹配和滤波。接口电路如图5所示。先用一个跟随器隔离,防止后端器件影响CCD的输出电压值。由于CCD的输出大约<2.5V,所以接口电路设计了一个放大器,结合ADC的输入为0~5V,放大器的放大倍数为:

　　由图5可以计算ADC的输入的最高频率为:

　　2　系统软件设计

　　2.1　CCD驱动程序设计

　　连接好电路后,可以分析ilx511数据手册的时序图编程实现对ilx511的驱动。具体分析如下: CCD光电转换器需要两个外加信号,分别是CCD_ROG和CCD_CLK。CCD_ROG信号使得CCD的输出信号有效,也就是每次从CCD读取数据时,都要先给CCD_ROG一个低电平,将CCD置成输出状态。同时在CCD_CLK信号的同步作用下,将光电转换后的数据一位位地输出。ADC进行模数转换也需要两个外加信号,分别是ADC_CONV和ADC_CLK。ADC_CONV信号使ADC芯片开始进行模数转换,每次进行转换前都要给ADC_CONV一个低电平,同时转换过程和转换后的结果输出在ADC_CLK信号的同步作用下完成。我们先从CCD光电转换器读出模拟数据,所以要通过CCD_ROG给CCD一个长度为T1(T1=4000ns)的低电平,在CCD_ROG重新变为高电平后,CCD就在CCD_CLK信号的同步下输出数据。CCD每次输出的2087个模拟量分别为33个首部伪数据字段, 2048个有效数据和6个尾部伪数据字段组成。其中的2048个有效数据和首部伪数据字段的后20个数据就是我们希望得到的,所以从第14个数据到第2081个数据中的每个模拟量,我们都通过ADC_CONV给出一个低电平启动ADC,在ADC_CONV重新变为高电平后,在ADC_CLK的作用下,完成模数转换过程和数字量输出。图6为CCD时钟和控制信号发生器的程序流程图。