便携式光谱仪的CCD智能检测器设计

　　光谱仪是一种重要的光电检测仪器,应用非常广泛.与扫描单色仪加光电倍增管组成的传统光谱仪相比,CCD光谱仪具有快速多通道测量、结构固定、无需步进扫描等优点,因而成为当前主流机型[1].随着光电技术的进步,光谱仪正在朝着小型化、智能化的趋势发展[2].目前,可使用单片平场全息凹面光栅代替传统的Czerny-Turner光路,加上采用光纤传光代替机械狭缝结构,使得CCD光谱仪的光学结构更加紧凑,小型化甚至微型化的趋势更加明朗[3].一些国内外厂商推出的手持式光谱仪产品的性能已经能够与传统的台式单色仪/多色仪相媲美.通常一台光谱仪包含2个主要的单元,即光学单元和光电信号检测单元.光谱仪的小型化趋势不仅对其中的光学单元提出了新的要求,而且对光电信号检测单元也提出了更高的要求,主要表现在3个方面:(1)小型化,即要求光电检测单元尺寸小、质量轻;(2)智能化,即要求光电检测单元具备对光谱信号进行智能处理、对仪器进行智能控制的功能;(3)集成化,即要求光电检测单元为电源、CCD驱动、数据接口等各种功能模块提供集成解决方案.在已有文献和产品报道中,多种线阵/面阵CCD被应用于光谱测量.一般而言,CCD的驱动电路可以归纳为2种类型:一是基于可编程逻辑器件(CPLD/FPGA)的驱动电路[4],主要利用数字逻辑器件对高频时钟进行计数来控制各驱动波形的时序,这种方法优点在于时序控制准确,可通过重新配置CPLD的内部电路结构来修改CCD的驱动波形,但是却很难进行实时、在线的修改;二是基于单片机的驱动电路[5],通过循环执行单片机中特定的程序代码来得到特定的时序波形,可以通过修改单片机程序来达到改变CCD驱动波形的目的,但是单纯依靠单片机控制驱动时序存在一些缺点,比如需要准确分析每条指令的执行时间,并且依靠程序循环执行的方法计算量大,单片机负荷较重,不利于与数据接口等其他功能进行集成等.此外对于一个功能完整的CCD检测器而言,除了需要提供驱动波形外还需要给A/D转换器、数据缓存器等组件提供一系列的控制信号,这些信号也很难单独依靠单片机生成.

　　从以上分析可以看出单片机和CPLD之间具有很好的互补性,因此文中针对便携式光谱仪的特点提出了基于AVR单片机和CPLD的光谱仪CCD检测器设计方案.

　　1　CCD智能检测器的设计方案

　　基于东芝公司TCD1304型线阵CCD提出如图1所示的光谱仪光电检测系统设计方案.按照信号流可将该系统分为3个功能模块,即CCD驱动模块、CCD信号处理模块和数据(存储/传输)模块.

　　系统的核心是1片ATMega16L型AVR单片机,它不仅负责产生CCD驱动所需要的2个基准信号,同时还负责与上位机交互,控制CCD的数据采集和数据传输.CCD驱动模块向线阵CCD芯片提供符合时序要求的脉冲信号,并且产生其他模块需要的逻辑电平控制信.CCD信号处理模块负责对线阵CCD输出的模拟信号进行缓冲、放大、滤波,然后转换为12位数字信号.数据模块则把转换好的12位数字信号按CCD的单帧格式进行存储,并通过USB接口向上位机逐帧传输.上位机可以通过USB接口向AVR单片机发送指令控制光谱测量数据的采集,还可以发送指令实现积分时间的实时调整.整个CCD检测器各个模块用5 V直流供电,电源从USB口获得,这使得系统设计更紧凑、更简洁.下面分别介绍各模块的设计.