早期的光電二極管陣列是利用分立的光敏二極管一次排列而成，再用引線引出正負(fù)極。這種陣列規(guī)模小，應(yīng)用不便。隨著半導(dǎo)體平面工藝和MOS工藝的成熟，在1976年實(shí)現(xiàn)了將光敏二極管陣列與移位寄存器、MOS多路開關(guān)等電路集成在同一硅片上，形成自掃描光電二極管陣列。器件的外部引線大為減少，引線數(shù)與陣列所含二極管單元數(shù)無關(guān)，陣列的各項(xiàng)性能指標(biāo)提高，使用方便。因此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)換器完成對光電二極管陣列視頻信號的精確測量。DSP將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過USB接口實(shí)時傳輸給上位計(jì)算機(jī)，由其來完成視頻數(shù)據(jù)的處理，顯示和存儲。
1.光電二極管
光電二極管陣列是當(dāng)前光學(xué)多通道探測系統(tǒng)中使用最廣的探測器之一。它具有體積小，響應(yīng)時間快，積分時間可變，無滯后效應(yīng)，輸出噪聲低，動態(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)量相對較大，需要一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式。而USB總線傳輸速度較快，有1.5Mbit/s.12Mbit/s和480Mbit/s3種速度，能夠滿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)字信號處理器(DSP)，復(fù)雜可編程邏輯(CPLD),隨機(jī)存儲器(RAM)和USB接口電路等構(gòu)成。光電二極管陣列經(jīng)過一段時間曝光后，在驅(qū)動電路的驅(qū)動下輸出視頻信號。視頻信號經(jīng)過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。
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是一種專門為多道光譜探測設(shè)計(jì)的自掃描光電二極管陣列。它的頻譜響應(yīng)范圍為200~1100nm，每個像素的大小為25pmx2.5mm，單元數(shù)有256.512和1024。室溫時暗電流最大為0.3pA，最大輸出電荷量約為25pC，飽和曝光量為180mlxs。
驅(qū)動電路是專門為其設(shè)計(jì)的低噪聲驅(qū)動電路。驅(qū)動電路將感光二極管陣列和補(bǔ)償二極管陣列輸出的信號，經(jīng)過積分放大處理后再進(jìn)行差動放大，降低瞬態(tài)干擾和暗電流噪聲。采樣保持電路對視頻信號和噪聲分別進(jìn)行采樣和保持，抵消掉視頻信號中的模擬處理電路漂移和噪聲，并且在電壓保持的同時觸發(fā)多次模數(shù)轉(zhuǎn)換信號，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)動電路的接口時序如圖2所示。START信號用來控制視頻數(shù)據(jù)采集的開始，由驅(qū)動電路內(nèi)部根據(jù)此信號生成光電二極管陣列所需的啟動信號。它可以用來控制光電二極管陣列的曝光時間，Φst信號用來通知DSP視頻信號輸出已經(jīng)開始。START信號由TMS320LF2407A的TIPWM直接產(chǎn)生，Φst和TMS320LF2407A的XINTl引腳相連接。
圖2驅(qū)動電路接口時序圖
模擬處理電路是一個程控增益放大器，由高速運(yùn)算放大器OPA300和模擬開關(guān)74HC4051構(gòu)成。因?yàn)槟M開關(guān)沒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，使模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻及其溫度系數(shù)對增益的影響得以消除。此放大電路共有8個增益選擇：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)時控制能力。CPLD用來實(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)線與TMS320LF2407A數(shù)據(jù)線直接連接。ADS8401的CS和RD由XC9536XL根據(jù)TMS320LF2407A的讀寫信號生成。ADS8401的CON由光電二極管陣列的驅(qū)動電路板提供。BUSY信號直接連到TMS320LF2407A的IOPC5上，Φst信號通過觸發(fā)外部中斷XINT通知DSP視頻信號開始輸出，準(zhǔn)備采集視頻數(shù)據(jù)。ADS8401在Φst信號的驅(qū)動下開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A通過查詢IOPC5的狀態(tài)，來確定何時轉(zhuǎn)換完畢和讀取數(shù)據(jù)。之所以采用查詢方式，是因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)讀取的時序性較強(qiáng)，如不能及時讀取會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，單元視頻數(shù)據(jù)錯位。
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)線跟TMS320LF2407A的低8位數(shù)據(jù)線連接，其他控制信號由XC9536XL根據(jù)TMS320LF2407A的接口信號生成。
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語言進(jìn)行，采用ISEWebPACK進(jìn)行編譯，采用ModelSim進(jìn)行仿真調(diào)試。
圖4DSP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完成。主程序的流程圖如圖5所示。
圖5DSP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，同時可設(shè)置采集系統(tǒng)的工作參數(shù)：如曝光時間、模擬電路增益。上位計(jì)算機(jī)程序采用VisualC++6.0編寫，采用其自帶的單文檔程序框架。程序的主要功能是基于時間中斷來完成的。
4.測試結(jié)果
光電二極管陣列采用S3904-1024，光源采用氛燈經(jīng)過多色儀生成的光譜帶，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的曝光時間分別設(shè)為50ms，100ms和200ms，各測試2h，數(shù)據(jù)采集以及傳輸均未發(fā)生錯誤。當(dāng)光電二極管陣列無光照射時，曝光時間設(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300μv。這個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)視頻信號的精確測量。
圖6無光照時的視頻信號采集
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)能夠精確測量光電二極管陣列輸出的視頻信號，并將測量數(shù)據(jù)通過USB接口實(shí)時傳輸給上位計(jì)算機(jī)，目前已應(yīng)用于光電二極管陣列檢測器當(dāng)中，使用效果較好。
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