基于ccd的光譜信號采集電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于CCD的光譜信號采集電路，按照本發(fā)明提供的技術方案，所述基于CCD的光譜信號采集電路，包括用于光探測的線陣CCD模塊，所述線陣CCD模塊的驅動端與處理器的輸出端連接，線陣CCD模塊的輸出端依次通過電壓跟隨電路及AD轉換電路與FIFO數(shù)據(jù)緩存器連接，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器與處理器連接，處理器的輸出端還與AD轉換電路的控制端連接，處理器向AD轉換電路輸出轉換控制信號且處理器向線陣CCD模塊輸出驅動信號，以使得AD轉換電路的采樣頻率與線陣CCD模塊的采樣頻率同步一致。本發(fā)明結構緊湊，能高速采集光學系統(tǒng)投射的光信號并進行傳輸，體積小，靈敏度高，適應范圍廣，安全可靠。
【專利說明】基于CCD的光譜信號采集電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種信號采集電路，尤其是一種基于CCD的光譜信號采集電路，具體地說是用于直讀光譜儀、圖像傳感或非接觸式測量的光譜信號采集電路。
【背景技術】
[0002]CO) (charge coupled devices)是一種電荷稱合器件,作為圖像傳感器,它的基本功能是將接收到的光信號轉換成電信號，具有體積小、靈敏度高、低噪聲、動態(tài)響應范圍寬等優(yōu)點，被廣泛應用于數(shù)碼相機和全譜光譜儀等高精度的光學檢測儀器中。傳統(tǒng)的光譜儀一般較多地使用光電倍增管(PMT)作為光探測器，存在著體積大、只能單通道采集等缺點，難以滿足高靈敏度的采集使用要求。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種基于CCD的光譜信號采集電路，其結構緊湊，能高速采集光學系統(tǒng)投射的光信號并進行傳輸，體積小，靈敏度高，適應范圍廣，安全可靠。
[0004]按照本發(fā)明提供的技術方案，所述基于CCD的光譜信號采集電路，包括用于光探測的線陣CCD模塊，所述線陣CCD模塊的驅動端與處理器的輸出端連接，線陣CCD模塊的輸出端依次通過電壓跟隨電路及AD轉換電路與FIFO數(shù)據(jù)緩存器連接，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器與處理器連接，處理器的輸出端還與AD轉換電路的控制端連接，處理器向AD轉換電路輸出轉換控制信號且處理器向線陣CCD模塊輸出驅動信號，以使得AD轉換電路的采樣頻率與線陣CCD模塊的采樣頻率同步一致。
[0005]所述處理器上設有RS-485接口，處理器通過RS-485接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。所述處理器采用單片機。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
1、目前國內大部分光譜分析儀都是采用光電倍增管做光檢測器，光電倍增管體積很大，只能檢測一種元素的含量，通道數(shù)設置有限，無法實現(xiàn)全譜掃描。本發(fā)明使用線陣CCD模塊可檢測出所述CCD可識別的波長范圍內所有元素的含量，可使光譜儀實現(xiàn)全譜測量。
[0007]2、使用單片機外圍PWM接口引腳輸出CCD驅動信號和AD轉換電路的控制信號，因CCD驅動信號需嚴格的時序對應關系，且AD轉換電路的采樣頻率必須與線陣CCD模塊采集數(shù)據(jù)的時序同步。采用TI公司16位低功耗單片機MSP430通過PWM接口產生操作時序，電路簡單且靈活，能夠很好的滿足對CCD驅動和AD轉換控制的要求。
[0008]3、采用FIFO數(shù)據(jù)緩存器，通過單片機硬件IO引腳輸出控制信號將AD轉換后的大量數(shù)據(jù)高速存入FIFO數(shù)據(jù)緩存器內，因使用的CXD有效像素達2048個，最大驅動頻率可達2MHz，單片機來不及直接讀取AD采樣值，由于FIFO數(shù)據(jù)緩沖器5具有雙口輸入輸出、傳送速度快和先進先出的特點，使用FIFO數(shù)據(jù)緩存器保證CCD高速采樣時的每個像素值經高速AD轉換為數(shù)字信號后均得到及時存儲，單片機可隨時讀取已存入FIFO數(shù)據(jù)緩存器的光譜采樣數(shù)據(jù)，有效地解決了數(shù)據(jù)流的緩沖。
[0009]4、使用單個CXD配置獨立的AD轉換電路和FIFO數(shù)據(jù)緩存器，并由獨立的單片機管理，電路結構緊湊，靈活性好，可設定獨立的地址，一般可根據(jù)光譜儀的設計要求在光譜儀中設置十多塊以上的模塊，提高了光譜儀的可擴展性。
[0010]5、擁有獨立的處理器I且有RS-485接口，實際使用中可根據(jù)需要由上位機程序自動調整CCD的采集時間和積分時間，以提高測量精度和改善曝光效果。
[0011]6、CCD驅動、高速AD轉換數(shù)據(jù)、FIFO數(shù)據(jù)緩存器保存數(shù)據(jù)均由單片機統(tǒng)一控制管理，各像素在每次采集的幀信號中的順序和位置可保持一致，能夠較好地滿足光譜采集系統(tǒng)對于時序的嚴格要求，確保多次測量光譜圖的重復性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結構框圖。
[0013]圖2為本發(fā)明電壓跟隨電路的電路原理圖。
[0014]圖3為本發(fā)明線陣CXD模塊的電路原理圖。
[0015]圖4為本發(fā)明AD轉換電路的電路原理圖。
[0016]附圖標記說明:1-處理器、2-電壓跟隨電路、3-線陣CXD模塊、4-AD轉換電路、5-FIF0數(shù)據(jù)緩沖器及、6-RS-485接口。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0018]如圖1所示:為了能實現(xiàn)對光學系統(tǒng)的光信號進行高速采集，提高采樣靈敏度，降低體積等，本發(fā)明包括用于光探測的線陣CCD模塊3，所述線陣CCD模塊3的驅動端與處理器I的輸出端連接，線陣CCD模塊3的輸出端依次通過電壓跟隨電路2及AD轉換電路4與FIFO (First Input First Output)數(shù)據(jù)緩存器5連接，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器5與處理器I連接，處理器I的輸出端還與AD轉換電路4的控制端連接，處理器I向AD轉換電路4輸出轉換控制信號且處理器I向線陣CCD模塊3輸出驅動信號，以使得AD轉換電路4的采樣頻率與線陣CCD模塊3的采樣頻率同步一致。
[0019]具體地，所述處理器I上設有RS-485接口 6，處理器I通過RS-485接口 6將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。所述處理器I采用單片機。本發(fā)明實施例中，處理器I采用TI的16位低功耗單片機MSP430芯片。
[0020]如圖3所示，具體實施時，線陣CXD模塊3采用索尼公司的ILX511芯片U4，ILX511芯片U4具有2048個有效單元，像素大小為14 μ m,單一 5V供電，最大操作時鐘2MHz ;在ILX511芯片U4與AD轉換電路4之間增加電壓跟隨電路2實現(xiàn)阻抗變換，考慮線陣CXD模塊3的工作頻率和單電源特性，選擇+5V單電源供電、軌對軌運放AD8041芯片U5構成電壓跟隨電路2 ；AD轉換電路4采用ADI公司12位并行模數(shù)轉換器AD9220。
[0021]如圖2所示，AD8401芯片U5的-1NPUT端與AD8401芯片U5的OUTPUT端連接，AD8401芯片U5的+INPUT端通過第三電阻R3與線陣CXD模塊3的輸出端連接，以形成電壓跟隨電路2。圖3中，ILX511芯片U4的VDD端與+5V電源連接，并分別與第十一電容Cll的一端及第十二電容C12的一端連接,第^ 電容Cll的另一端及第十二電容C12的另一端接地。ILX511芯片U4的VGG端通過第十三電容C13接地，ILX511的其他接地端對應接地，ILX511芯片U4的CLK端與處理器I的輸出端連接，ILX511芯片U4的輸出端與AD8401芯片U5的+INPUT端連接。
[0022]本發(fā)明實施例中，使用FIFO數(shù)據(jù)緩沖器5對線陣CCD模塊3采集輸出的信號并經AD轉換后的數(shù)據(jù)進行高速存儲，處理器I對FIFO數(shù)據(jù)緩沖器5中已存數(shù)據(jù)進行讀取和處理，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器5具有雙口輸入輸出、傳送速度快和先進先出的特點，非常適合作為數(shù)據(jù)傳送不同層級之間的緩沖。本發(fā)明實施例中，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器5采用IDT7203芯片，IDT7203芯片存取速度為50ns/次，容量大小為9bit*2048，由于本發(fā)明實施例中，AD轉換電路4采用AD9220芯片U2為12位AD，因此需要用兩片IDT7203構成字寬擴展方式與AD9220芯片U2連接。
[0023]如圖4所示，AD9220芯片U2的DVDD端通過第一電容Cl接地，AD9220芯片U2的DVSS端直接接地，AD9220芯片U2的第一 AVDD端通過第二電容C2接地，第一 AVSS端直接接地，AD9220芯片U2的第二 AVDD端通過第十電容ClO接地，第二 AVSS端直接接地，AD9220芯片U2的REFCOM端及SENSE端接地，AD9220芯片U2的VINB端與第一電阻Rl的一端連接，第一電阻Rl的另一端與第八電容C8及第九電容C9的一端連接，第八電容C8及第九電容C9的另一端接地。AD9220芯片U2的VINA端通過第二電阻R2與ADCIN端連接，AD9220芯片U2的CML端通過第四電容C4接地，AD9220芯片U2的CAPT端與第三電容C3的一端、第五電容C5的一端及第六電容C6的一端連接，AD9220芯片U2的另一端與第七電容C7的一端，第五電容C5的另一端及第六電容C6的另一端連接,第三電容C3的另一端及第七電容C7的另一端均接地。本發(fā)明實施例中，ADCIN信號為AD8401芯片U5的輸出信號。
[0024]ILX511芯片U5有3路控制信號ROG、CLK和SHSW，一路輸出信號V0UT，本發(fā)明實施例中，由處理器I的外圍PWM接口作為線陣CCD模塊3的驅動電路，其中SHSW信號控制ILX511芯片U5是否選用采樣/保持模式，ROG信號是讀出門控信號，當其和CLK構成IluS初始化關系時，ILX511芯片U5啟動輸出，并通SVot引腳將信號串行輸出至軌對軌運放AD8041芯片U5。采用了采樣/保持(S/Η)模式后，線陣CCD模塊3—次輸出周期內共有2105個信號，其中前33個信號為無效啞信號(Dummy Signal)，其后為18個暗信號(OpticalBlack),之后才為有效的2048個像素信號,之后再為6個啞信號,至此一周期輸出結束。
[0025]ILX511芯片U4輸出信號的同時AD轉換電路4接收并進行轉換，本發(fā)明實施例中，ILX511芯片U4時鐘采用IMHz頻率，因此AD9220芯片U2的時鐘必須和ILX511芯片U4頻率一致且同步，由于AD9220芯片U2的信號輸出比該信號輸入延遲3個周期，而AD9220芯片U2轉換結束后信號并行輸出至IDT7203芯片，因此，AD9220芯片U2輸出時鐘和IDT7203輸入時鐘同步且為1MHz，但比AD9220芯片U2輸入時鐘和ILX511芯片U4工作時鐘延遲3個周期。在IDT7203工作前需對其進行初始化操作，使其讀寫指針都回到初始位置。
[0026]目前國內大部分光譜分析儀都是采用光電倍增管做光檢測器，光電倍增管體積很大，只能檢測一種元素的含量，通道數(shù)設置有限，無法實現(xiàn)全譜掃描。本發(fā)明使用線陣CCD模塊3可檢測出所述CCD可識別的波長范圍內所有元素的含量，可使光譜儀實現(xiàn)全譜測量。
[0027]使用單片機外圍PWM接口引腳輸出CCD驅動信號和AD轉換電路4的控制信號，因CCD驅動信號需嚴格的時序對應關系，且AD轉換電路4的采樣頻率必須與線陣CCD模塊3采集數(shù)據(jù)的時序同步。采用TI公司16位低功耗單片機MSP430通過PWM接口產生操作時序，電路簡單且靈活，能夠很好的滿足對CCD驅動和AD轉換控制的要求。
[0028]采用FIFO數(shù)據(jù)緩存器5，通過單片機硬件IO引腳輸出控制信號將AD轉換后的大量數(shù)據(jù)高速存入FIFO數(shù)據(jù)緩存器5內，因使用的CXD有效像素達2048個，最大驅動頻率可達2MHz，單片機來不及直接讀取AD采樣值，由于FIFO數(shù)據(jù)緩沖器5具有雙口輸入輸出、傳送速度快和先進先出的特點，使用FIFO數(shù)據(jù)緩存器5保證CCD高速采樣時的每個像素值經高速AD轉換為數(shù)字信號后均得到及時存儲，單片機可隨時讀取已存入FIFO數(shù)據(jù)緩存器5的光譜采樣數(shù)據(jù)，有效地解決了數(shù)據(jù)流的緩沖。
[0029]使用單個CXD配置獨立的AD轉換電路4和FIFO數(shù)據(jù)緩存器5，并由獨立的單片機管理，電路結構緊湊，靈活性好，可設定獨立的地址，一般可根據(jù)光譜儀的設計要求在光譜儀中設置十多塊以上的模塊，提高了光譜儀的可擴展性。
[0030]擁有獨立的處理器I且有RS-485接口 6，實際使用中可根據(jù)需要由上位機程序自動調整CCD的采集時間和積分時間，以提高測量精度和改善曝光效果。
[0031]CCD驅動、高速AD轉換數(shù)據(jù)、FIFO數(shù)據(jù)緩存器5保存數(shù)據(jù)均由單片機統(tǒng)一控制管理，各像素在每次采集的幀信號中的順序和位置可保持一致，能夠較好地滿足光譜采集系統(tǒng)對于時序的嚴格要求，確保多次測量光譜圖的重復性。
【權利要求】
1.一種基于CCD的光譜信號采集電路，其特征是:包括用于光探測的線陣CCD模塊(3)，所述線陣CXD模塊(3)的驅動端與處理器(I)的輸出端連接，線陣CXD模塊(3)的輸出端依次通過電壓跟隨電路(2)及AD轉換電路(4)與FIFO數(shù)據(jù)緩存器(5)連接，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)緩沖器(5)與處理器(I)連接，處理器(I)的輸出端還與AD轉換電路(4)的控制端連接，處理器(I)向AD轉換電路(4 )輸出轉換控制信號且處理器(I)向線陣CXD模塊(3 )輸出驅動信號，以使得AD轉換電路(4)的采樣頻率與線陣CCD模塊(3)的采樣頻率同步一致。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于CCD的光譜信號采集電路，其特征是:所述處理器(I)上設有RS-485接口(6)，處理器(I)通過RS-485接口(6)將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于CCD的光譜信號采集電路，其特征是:所述處理器(I)采用單片機。
【文檔編號】G01J3/28GK103822710SQ201410057884
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月20日 優(yōu)先權日:2014年2月20日
【發(fā)明者】高美鳳, 朱建鴻, 于力革, 楊少鵬 申請人:江南大學