基于USB的光电二极管阵列数据采集系统
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［ !］ 速度较快， 有 % Y # TLBH Z F、 ， 能 %! TLBH Z F 和 ’1" TLBH Z F 2 种 速 度
图$
数据采集系统框图
光电二极管 阵 列 采 用 的 是 *2V"’ 系 列 产 品。 *2V"’ 是 一 种 专门为多道光 谱 探 测 设 计 的 自 扫 描 光 电 二 极 管 阵 列。 它 的 频 谱响 应 范 围 为 !"" W %%"" 9J ( 每 个 像 素 的 大 小 为 !# ! J X !Y# 单 元 数 有 !#& 、 JJ， #%! 和 % "!’ 。 室 温 时 暗 电 流 最 大 为 " Y 2 C0， 最大输出电荷量约为 !#CQ， 饱和曝光量为 %1" JON ・F ( 驱动电路是专 门 为 其 设 计 的 低 噪 声 驱 动 电 路。 驱 动 电 路 将感光二极管阵 列 和 补 偿 二 极 管 阵 列 输 出 的 信 号 经 过 积 分 放 大处理后再进行差动放大， 降 低 瞬 态 干 扰 和 暗 电 流 噪 声。 采 样 保持电路对视频信号和噪声分 别 进 行 采 样 和 保 持， 抵消掉视频 信号中的模拟处理电路漂移和 噪 声， 并且在电压保持的同时触 发多次模数转换信号， 以利于模 数 转 换 电 路 的 数 据 采 集 和 降 噪 处理。驱动电路的接口时序如图 ! 所示。 *.0[. 信号用来控制 视频数据采集的开始， 由驱动电 路 内 部 根 据 此 信 号 生 成 光 电 二
光电二极管阵 列 是 当 前 光 学 多 通 道 探 测 系 统 中 使 用 最 广 的探测器之一。它具有体积小， 响 应 时 间 快， 积 分 时 间 可 变， 无 滞后效应， 输出噪声低， 动态范 围 大， 光 谱 响 应 宽 等 优 点。 为 了 数据处理方便， 一般需将光电二 极 管 阵 列 的 视 频 信 号 数 字 化 并 传输给计算机进行处理。但由于 其 视 频 信 息 数 字 化 以 后， 数据 量相对较大， 需要一种高速的数据传输 方 式。 而 )*+ 总 线 传 输
万方数据 收稿日期： !""# $ %" $ %%
收修改稿日期： !""& $ "! $ !’
极管阵列所需 的 启 动 信 号。 它 可 以 用 来 控 制 光 电 二 极 管 阵 列
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Βιβλιοθήκη Baidu
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的曝光时间。!!" 信 号 用 来 通 知 #$% 视 频 信 号 输 出 已 经 开 始。 $&’(& 信 号 由 &)$*+,-.+/,0’ 的 &1%2) 直 接 产 生， !!" 信 号 和 &)$ *+,-.+/,0’ 的 345&1 引脚相连接。
据。45& 引 脚 和 &)$*+,-.+/,0’ 的 345&+ 引 脚 相 连， $C$%F5# 引 脚 和 &)$*+,-.+/,0’ 的 46%>< 相 连。 数 据 线 跟 &)$*+,-.+/,0’ 的 低 : 位 数 据 线 连 接，其 他 控 制 信 号 由 38A9*<3- 根据 &)$*+,-.+/,0’ 的接口信号生成。 &)$*+,-.+/,0’ 与外围电 路 的 具 体 接 口 电 路 如 图 / 所 示。 采用 4$F 2HI%’8= 进行 38A9*<3- 的设计采用 G7#- 语言进行，
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传输 数据
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5
结束采集 N
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停止采样 定时器
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’() 主程序流程图
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计算机软件设计 上位计算机负责光电二极管 阵 列 视 频 数 据 的 处 理、 显示和
［ *］ 。 拟开关的 导 通 电 阻 及 其 温 度 系 数 对 增 益 的 影 响 得 以 消 除
此放大电路共有 : 个增益选择： 1 ; ,,: 、 1 ; 9、 +、 *、 /、 <、 : 和 1, 。
图#
#$% 与外围电路的拉口
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图" 模拟处理电路
软件设计 #$% 软件设计 数据传输和命令传输。 #$% 的程序主要包括数据采集处理、
［ 9］ 。 编译， 采用 )JKHE$LM 进行仿真调试
图!
驱动电路接口时序图
模拟处理电路是一个程控 增 益 放 大 器， 由高速运算放大器 6%’*,, 和模拟开关 0/78/,91 构成。因为模拟开关没有接 在 放 大电路的增益回 路 中， 可 将 它 看 作 运 算 放 大 器 的 一 部 分， 使模
!""& 年 第#期
仪 表 技 术 与 传 感 器
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基于 !"# 的光电二极管阵列数据采集系统
申 爽% ， 张庆合! ， 李 彤! ， 唐祯安%
$$%&$$） （$ ( 大连理工大学电子工程系， 辽宁 大连 辽宁 大连 $$%&’( ； ’ ( 大连依利特分析仪器有限公司，
摘要： 介绍了一种基于 )*+ 的光电二极管阵列数据采集系统的设 计 方 案。 系 统 以 ,*- 作 为 核 心， 光电二极管阵列的 曝光时间和模拟处理电路增益程序可调， 采用 %& 位高精度高速模数转换器完成对光电二极管阵列 视 频 信 号 的 精 确 测 量。 由其来完成视频数据的处理、 显示和存储。 ,*- 将采集到的视频数据通过 )*+ 接口实时传输给上位计算机， 关键词： 数字信号处理器； 光电二极管阵列 )*+； 中图分类号： .-!/’ ( ! 文献标识码： 0 文章编号： （!""&） %""! $ %1’% "# $ ""2/ $ "2
［ %］ 列的单元数从 %’ X ’% 到 !#& X !#& 、 。 %!"" X ’""
动下输出视频 信 号。 视 频 信 号 经 过 低 噪 声 模 拟 处 理 电 路 处 理 后， 送到高精度高速模 数 转 换 器 进 行 模 数 转 换。 ,*- 将 转 换 得 完成视频数据 到的视频数据通过 )*+ 接口上传到上位计 算 机， 的处理、 显示和存储。
够满足光电二极管阵列数据 传 输 的 需 要。所 以， 设计了一种基 于 )*+ 的高精度光电二极管阵列数据采集系统。 $ 硬件设计 总体结构如图 % ， 虚线框内是数据采集系统， 主要由以下几 部分构成： 模拟处理电路， 模数转换 器， 数字信号处理器 （ ,*-） ， 复杂可编程逻辑 （ Q-?,） ， 随机存储器 （ [0T） 和 )*+ 接 口 电 路 等 构成。光电二极管阵列经过一段 时 间 曝 光 后， 在驱动电路的驱
采 用 的 是 &)$*+,-.+/,0’， 它 是 1< 位 #$% 是系 统 的 核 心， 定点 #$%， 片 内 具 有 *+=> 的 .-’$7 程 序 存 储 器， + ; 9=> 的 指令周期最小为 +9 @!， 可以提供良 好 的 实 (’) ? 片上资源丰富， 时控制能力。 8%-# 用 来 实 现 #$% 和 外 围 电 路 的 接 口 设 计， 采 用的是 38A:*<3- ? 它的 系 统 频 率 最 高 为 10: )7B， 引脚到引脚 的逻辑延迟为 9 @! ? 模数转换器采用的 是 ’#$:/,1 。 ’#$:/,1 是 一 种 高 速 逐 次 逼近型模数转换器， 数据输出 采 用 高 速 1< 位 并 行 接 口， 数据线 与 &)$*+,-.+/,0’ 数 据 线 直 接 连 接。 ’#$:/,1 的 8$ 和 (# 由 38A9*<3- 根据 &)$*+,-.+/,0’ 的 读 写 信 号 生 成。 ’#$:/,1 的 865 由光电二极管阵列的驱 动 电 路 板 提 供。 >C$D 信 号 直 接 连 到 &)$*+,-.+/,0’ 的 46%89 上。!!" 信 号 通 过 触 发 外 部 中 断 准 备 采 集 视 频 数 据。 345&1 通 知 #$% 视 频 信 号 开 始 输 出， ’#$:/,1 在 !& 信号的驱动下开始模数转 换。 &)$*+,-.+/,0’ 通 过查询 46%89 的状态， 来确定何 时 转 换 完 毕 和 读 取 数 据。 之 所 以采用查询方式， 是 因 为 视 频 数 据 读 取 的 时 序 性 较 强， 如不能 及时读取会导致数据丢失， 单元视频数据错位。 C$> 接口芯片采用 %#4C$>#E+ 。 它 是 需 要 外 部 微 控 制 器 控 制的 C$> 接口芯片， %#4C$>#E+ 的 端 点 可 以 被 配 置 为 / 种 不 同 的模式， 分别为非同步传输模式、 同 步 输 出 传 输 模 式、 同步输入 传输模式和同步输入输出 传 输 模 式。 %#4C$>#E+ 芯 片 提 供 * 个 端点， 在非同步模式下， 端 点 , 用 于 控 制 传 输， 端点 1 和端点 + 用于普通输入输出。 端 点 , 和 端 点 1 的 最 大 信 息 包 大 小 为 1<
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［ /］ 。系统中 %#4C$>#E+ 工 作 在 非 同 步 模 字节， 端点 + 为 </ 字节
数据采集处理和命令传输采用 中 断 方 式 完 成， 而数据传输则由 主程序和中断程序共同来完成。主程序的流程图如图 9 所示。
开始
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系统初始化
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允许采集 N
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5
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启动采样 定时器
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采样结束 N
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数据采集系统框图
光电二极管 阵 列 采 用 的 是 *2V"’ 系 列 产 品。 *2V"’ 是 一 种 专门为多道光 谱 探 测 设 计 的 自 扫 描 光 电 二 极 管 阵 列。 它 的 频 谱响 应 范 围 为 !"" W %%"" 9J ( 每 个 像 素 的 大 小 为 !# ! J X !Y# 单 元 数 有 !#& 、 JJ， #%! 和 % "!’ 。 室 温 时 暗 电 流 最 大 为 " Y 2 C0， 最大输出电荷量约为 !#CQ， 饱和曝光量为 %1" JON ・F ( 驱动电路是专 门 为 其 设 计 的 低 噪 声 驱 动 电 路。 驱 动 电 路 将感光二极管阵 列 和 补 偿 二 极 管 阵 列 输 出 的 信 号 经 过 积 分 放 大处理后再进行差动放大， 降 低 瞬 态 干 扰 和 暗 电 流 噪 声。 采 样 保持电路对视频信号和噪声分 别 进 行 采 样 和 保 持， 抵消掉视频 信号中的模拟处理电路漂移和 噪 声， 并且在电压保持的同时触 发多次模数转换信号， 以利于模 数 转 换 电 路 的 数 据 采 集 和 降 噪 处理。驱动电路的接口时序如图 ! 所示。 *.0[. 信号用来控制 视频数据采集的开始， 由驱动电 路 内 部 根 据 此 信 号 生 成 光 电 二
光电二极管阵 列 是 当 前 光 学 多 通 道 探 测 系 统 中 使 用 最 广 的探测器之一。它具有体积小， 响 应 时 间 快， 积 分 时 间 可 变， 无 滞后效应， 输出噪声低， 动态范 围 大， 光 谱 响 应 宽 等 优 点。 为 了 数据处理方便， 一般需将光电二 极 管 阵 列 的 视 频 信 号 数 字 化 并 传输给计算机进行处理。但由于 其 视 频 信 息 数 字 化 以 后， 数据 量相对较大， 需要一种高速的数据传输 方 式。 而 )*+ 总 线 传 输
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模拟处理电路是一个程控 增 益 放 大 器， 由高速运算放大器 6%’*,, 和模拟开关 0/78/,91 构成。因为模拟开关没有接 在 放 大电路的增益回 路 中， 可 将 它 看 作 运 算 放 大 器 的 一 部 分， 使模
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摘要： 介绍了一种基于 )*+ 的光电二极管阵列数据采集系统的设 计 方 案。 系 统 以 ,*- 作 为 核 心， 光电二极管阵列的 曝光时间和模拟处理电路增益程序可调， 采用 %& 位高精度高速模数转换器完成对光电二极管阵列 视 频 信 号 的 精 确 测 量。 由其来完成视频数据的处理、 显示和存储。 ,*- 将采集到的视频数据通过 )*+ 接口实时传输给上位计算机， 关键词： 数字信号处理器； 光电二极管阵列 )*+； 中图分类号： .-!/’ ( ! 文献标识码： 0 文章编号： （!""&） %""! $ %1’% "# $ ""2/ $ "2
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