近红外光谱仪数据采集系统的研制_陈健

1、第1期近红外光谱仪数据采集系统的研制#电子测值与仪器学报JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT.IND INSTRUMENTDOI: 10.3724/SP 11187.2012 00072近红外光谱仪数据采集系统的研制*陈健门凌振宝1陈鹏飞1王智宏1(1.吉林大学地球倍息探测仪器教育部吹点实验室长春1300262中国科学院冠庆绿色智能技术研究院吹庆401122)摘 要：根据阵列检测型近红外光谱仪对采集卡动态范围和信噪比的要求，设计和实现了以USB2 0为通信协议的16位数 据采集系统 系统采用模数转换器ADS1610.将CCD信号数字化 应用可编程逻辑技术，实现了

2、TCD1304检测器的胶动 和积分时间的256拼选择 系统的有效分辨率为15位,信噪比为58 dB,缓存容M：为4Kxi6bit,CCD积分时间30msM),5 s可编 程控制。研制的采集系统与分光系统结合，具有很好的市场价值和应用前戢。关键词：近红外光谱仪；数据采集;模数转换器;CCD中图分类号：TP216 TH833文献标识码:A国家标准学科分类代码:510 40Design of data acquisition system of NIRS instrumentCheii Jian12 Ling Zheiibao1 Chen Pengfei1 Wang Zhiliong1(1. Key

3、 Laboratory of Geo-Exploration Instnunentation. limstry of Ecucation. Jilin University, Changchun 130026. Cluna:2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology. CAS. Chonqing 401122. China)Abstract： According to the requirement of dynamic range and signal-to-noise ratio to data acquisitio

4、n for die recent progress of array-based detection NIRS instrument, a kind of data acquisition system which is based on US2.0 conimumca tions protocol is designed and unplemented Tlie system uses 工 analog-to-digital converter ADS1610 for CCD signal con version Tlie use of programmable logic device m

5、akes TCD13O4 dating and 256 kinds of integration time chosen The effec- tive resolution is 15 bit, and SNR is 58 dB. The integration tune is 30ins to 0.5s. Combined with spectrometer, the designed system has good application fbregroiuidRecords: NIRS Instrument; data acquisition; 工 analog-to-digital

6、converter: CCD (Charge Coupled Device)© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近红外光谱仪数据采集系统的研制#© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近红外光谱仪数据采集系统的研制73木文J-20U年8月收到.基金项忖：国家大学卞创新性实验项HC2007A65041);

7、古林省科技发展计划项M(20070520)1引言近红外光谱分析技术是利用反映原子和分子 特征的发射与吸收光谱进行物质的化学组成及含 量分析的物理方法，广泛的应用丁渚如地质、冶 金、石油、化工、制药丁艺、临床医学、农业、仓 品丁业、林业、纺织T.业、造纸、环保等领域，近 红外光谱按波长范闱分为短波近红外(7000- llOOnm)和长波近红外(11002800 nm),其中短波 近红外主要用丁有机物分析，长波近红外主要用 丁矿物分析。早期的近红外光谱仪主要是在UV/ VIS(紫外/可见光)仪器的领域的延伸，随着近红外 分析技术理论的成熟，仪器的性能、测试方法发牛 了很大的变化，仪器的种类也扩展很

8、多，包括滤光 片型、光栅型、傅里叶变换型、声光可调滤光器型 以及阵列检测申。瓦中阵列检测类申主要冇二极管 阵列检测器(PDA)和电荷耦合器件(CCD),长波区 域采用的是锢碑化稼的PDA,短波区域采用的是 硅基的CCDCCD的近红外光谱仪的分光系统无机械 移动部件，仪器的长期稳定性和抗干扰性能好，另 外一个待点是料描速度快，通常在1 s内町完成儿 十次甚至上百次的光谱测量，适合于在线测试和 野外测试。面对近红外光谱仪向专用化、小型化、 固态化、模块化和快速实时方向发展趋势,CCD型 近红外光诜仪在未來将得到更大的发展与应用。高性能的信号采集系统是CCD熨近红外光i普 仪必不可少的部分 目询国内

9、商品化中以USB为接口的线阵CCD信号采集系统只有I二位的分辨 率，很难满足高性能、高持度、便携式的CCD型 近红外光谱仪测试的要求针对CCD型近红外光 谱仪的广泛使用和用户的高稱度要求，设计和实 现了以USB2 0通信协议的16位CCD信号采集系 统，本作品的抬标：15位冇效数据分辨率,58dB的 信噪比,30 ms0.5 s的CCD积分时间控制,系统缓 存容量为4Kxl6bito2系统介绍数据采集系统的框图如图1所示。由5大模块 组成：时序产生模块、模拟侑号处理模块、A/D转 换模块、数据缓存模块和USB接口模块。其功能 如下。图1 CCD采集系统Fig. 1 Block diagram

10、of CCD acquisition system1）时序产生模块:一方面接收MCU（USB接 口芯片内的微处理器）的控制信号后产住CCD（电 荷耦合器）的T作时序；另一方面产生A/D转换器 时钟以及缓存的读时钟；2）模拟信号调理模块：接收CCD的两路信号, 用差分放大电路、正向比例放大电路处理模拟信号, 经过差分驷动放大器产牛定值的共模信号，传给 A/D转换器；3）AD转换模块：将模拟信号调理模块输出 的信号以1 MHz的采样率转换成数字信号输出给 缓存模块，本系统选择16位模数转换器；4）数据缓存模块：接收來口 AD的数字信号, 临时存储数据并传输给USB接口模块；5）USB接口模块：以E

11、Z-USB FX2芯片为控 制核心，通过Slave FIFO（USB块传输方式）作方 式，将缓存数据传给上位机，同时接受上位机的控 制命令，启动时序产生模块工作。3系统设计要点3.1模拟信号调理模拟调理电路接收CCD输出的像元信号，经 过双-单端变换，幅度放大，共模电斥偏置，信号 滤波等调理，以合适的信号动态范IW和频率范ffl 传输给模数转换器，该部分以两个核心芯片实 现，即AD8042 和THS4501。轨至轨（Rail to rail）运算放大器AD8042内部冇 两个集成运放，其中一个用于减法电路，实现CCD 的双端信号变换为单端信号，另外一个用于同相 放大，提离系统的信噪比AD804

12、2的-3db的频带宽 度是160 MHz,故其增益带宽积BWg为160,设置 AD8042第一级放大OdB,第二级放大设辻为14 dB （5倍），则该级带宽为24 MHz,保证娠带信号响应 平坦,III TCCD信号具冇一定的陡度，对放大器的 转换速率有一定的要求。一般阶跃信号的前5次谐 波决定波形，故放大器保证信号不失真，必须在 5MHz时，能不失真输出低频相应的峰峰值，即默 认为电源电压，故该级的转换速率必须满足：Sr $= vom 0冏*0 = 2n/V0M 式中:Pom为电源电压,/为5 MHz,则有SQ 31.4 7pso而AD8042的转换速率为200 V/ys,满足 系统要求。O

13、UT* =£(1-0)%(1-6 + 2名g20y 0)+w)+2jout-=模数转换器的输入端冇高输入阻抗和较 大变的容抗，同时，开关电容或者采样保持 电路会产牛电流尖峰，必须使用是分放大器，消除 电流尖峰，并M为梢确采样提供低阻抗源完全差 分放大器THS4501实现了 送模数转换器输入匹配 和共咬电压偏世的功能，人時和卜直接与A-IADC 的差分输入端相连，则人屮和人吩衣达式：式中件心g+耽 则输出信号的共検仁y和堆模 信号大小分别为：2 £ (1 - 0) - 2忌(1 - 0) _ ” Rf © 1994-2012 China Academic Journ

14、al Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近红外光i許仪数据采集系统的研制 75 V . + Vout- out-=Kom由式町知，马1、心和心、&2控制该级的差模侑 号的增益；由式(5)知,TH4501的共模输出信号只 与共模侑号输入信号冇关，从而平衡了在一个理 想的共模电压点上两个差分的输出级，使为模数 转换器获得完帑的动态范闱'两个100 pF的电容用 来消除ADC内部开关电路引起的电流尖峰，两个 20 Q的电阻隔离ADC的容性负载和放大器以确保 非口激，同时两者也是ADC输入端低通滤波器的 关键部件，

15、该低通滤波器截止频率是：f = =!= 79.6 MHz (6)2tiRC 2x3.14x20Qxl00pF由式(6)可血，该截止频率比采样频率60 MHZ略高, 起到抗混叠滤波和削弱噪声的作用，3.2 CCD坚动时序及采样时序的产生时序发生器主要用来产生CCD驱动时序和抽 取时序OCCD3S件正常匸作时必须给它提供所要求 的驱动脉«|' TCD13 04最巫要的驱动脉冲冇ICG、 SH、RS、机和02。机和02是CCD时仲信号;ICG的 作用是转移电荷；复位脉冲RS完成对每次电荷转 移后的复位丁作；移位脉冲SH用來控制枳分时间p -工模数转换器以远远大TCCD信号的频率对其

16、 进行采样，冇很多信号是累赘的，故盂要对其进行 周期性抽取，保证数字化CCD信号的唯一性。时序发牛器在MAX-PLUSII集成环境下，采 丿IjVHDL语肖与电路图混合设计和分层设计的思 想其匸作流程如下:MCU控制器首先给定枳分时 间,然后发送启动/控制信号给时序发生器；时序 发卞器控制线阵ccd m分，并产住移位脉冲信号 将线阵CCD益件枳累的电荷单元依次送到输出端 口；同时控制ADC对放大后的信号进行模数转换; 并产牛缓存器的写信号将数字廿保存；MCU控制 器收到数据采集完成信号示，从FIFO存储益中读 取数据传送到上位机中进行处理=3.3、近模数转换器模块ADS1610是TI公刖推出离

17、帮度测量应用的16 位10MSPSA-Z转换器，和相同价位的同类产品相 比，拥冇无与伦比的速度与荊度。ADS1610可在 5 MHz带宽上实现优界的86 dB信噪比(SNR)以及 95 dB无寄牛动态范围(SFDR)其纹波低T0 0002 dB 的44 MHz通频带可以提供宽带信号处理，而片上 数字滤波益与SAR及管线转换器相比则可以简化 抗混淆需求，该器件的丁作电压为+5 V模拟电源以 及+3.3 V数字电源。如上 -ZAD转换器'需要进行调制、滤波处 理,ADS1610也不例外采样频率与奈奎斯特频率 的比值,称为过采样比，用M表示。对于单级16位 辽型调制器，为了让芯片正常T.作H

18、调制器的阶 数N与采样比冇一定的关系，即：(M + N -1)! > (M -1)! X N! X 216-1(7)ADS1610需要外部提供皋准电压，包括3种展 准电源电斥，即正参考源(REFP)、负参考源GREFN) 以及共模参考基准源(-MID), K中共模参考皋准 源用于调制器中"采集系统的参考电源电压:Vrt(f = VREFP-VREFN(8)在实际应川中，一般取VREFP 4 VREFN为 V, VMID 2.5 V,故其参考电源电压为3 V。由丁这 些参考源被用丁开关工作状态中，不仅盂要提供 稳态及暂态电流，还要驱动电子开关，故需要驶动 电路驱动调制益所需要的堆

19、球参考电压展准源山 AD586提供，并且由OPA2822牀动，模拟调理和模数转换部分的低噪声设计是帑 个系统性能的关键，在数模混合系统中供电方式 和接地处理城得尤其豆要采样模块盂要两种电源, 模拟电源(5 V)和数字电源(3-3 V).在芯片的毎个 电源管脚上都并上一个电解电容和一个瓷片电容, 电解电容足防止低频干扰，山丁感性的作用，K 高频滤波效果不好，而瓷片电容恰好能弥补它的 缺点，两者配合使用，达到电磁兼容的冃的 地线 方面将系统的地线分成2个部分：模拟信号地、数 字地 模拟地和中间数字地在电源的附近某一点 连接。3.4 USB接口数据传输该部分选用f CYPRESS提供的EZ-USB系

20、列 中的CY7C68013 选择CY7C68013的SLAVE FIFO 模式I 作,FX2右内置4K的FIFO、EP2和EP4是输出 端点:EP6和EP8是输人端点。可以看出，可选的最 大数据输入量仅为2K,选用第二种模式，将端点6 设胃成512字节四ifiFIFO,每512字节为一包，采 用4包轮流向上位机传输数据的模式'该部分的软件采川模块化设计思想，即分为 主循环程序、命令字解析子程序、数据发送子程 序、CCD信号采集子程序组成，程序示意如图2 所示。图2底层程序示意Fig. 2 Schematic diagram of bottom program主循环程序完成变戢的初始化及

21、空间分配、V. 作状态标吉的设定、中断允许等操作一 一旦有事件 发工，主循环通过标卷位驶动相应子程序。如果命 令标志位冇效，程序会解析接收缓冲区中的命令 数据，肚扫描标志位，通过主循环程序检测标志位, 进入光谱知描子程序。在光谱扫描子程序中，程序 根据命令字进行数据采集或者停止扫描，在数据 采集时，如前所述,以512个字节为一包,端点6在 四巫FIFO模式下以全速批量传输的方式将数据发 给上位机。4系统测试采集系统的性能测试主要包括采样频率、冇效 分辨率和信噪比测试。测试仪器：DS1102数字示波器（100MHz）、GY8型组合尤索光源（汞灯）、WLX型单色仪、LS-1 卤钩灯光源，测试方法与

22、结果：装世的安装如图3所示，光 源为波长范帀为360 um2 pm的卤轲灯或A'HG-1 型光源，单色仪采用北京光学仪器厂的WLX別单 色仪，其波长范圉是7001 100 nm,属于短近红外区图3 装生连接Fig. 3 Block diagram of equipment connection域"其中单色仪与CCD电路板构成一个整体，岛要 注童的是要求光源的位世应与CCD在同一水平线 上，光线应垂直入射于狭缝。1）采样率测试：将系统中的CCD信号输入端 接入模拟信号发牛器，给系统输入300 kHz标准止 弦波,正弦波的信号幅值为340 m：直流偏置为 917 mVfdV经过整

23、个系统，彊后用上层测控软件 得到了采集信号的波形，经过展开得到如图4所示 的波形 山采样定理可知，如果要想保证不失貞恢 复原来信号，采样频率必须是信号频率的3倍(X 10*)500100015002000250030003500像索图4 10条卤鸽灯光谱线Fig. 4 Ten curves of tungsten halogen spectrum2）冇效分辨率测试：将系统中的CCD信号输 入端接入苴流信号，该信号来源丁系统的基准电 源电床，测量ADC变化结果，对所采集的2048个 数抿求均片差,即计算噪声的RMS饥实际计算的 噪声冇效fit为2,可以得到等效噪声电平值为1 bit, 换句话说系

24、统的冇效分辨率为15 bito3）信噪比测试：按图3连接好系统的整个装 置，光源选择LS1卤钩灯光源 保持光源的光照强 度不变,重复测量10次，保存每次测量的数据，用 上层软绘制图谱，得到10条几乎重合的未标定 的卤鸨灯光谱线，如图4所示，右上角是其 10587066的放大图计算10次数据的均方差，即 噪川的右效值人，再计算十次的均方值，得到信号 的有效值叫，根据信噪比的定义，代入公式（9）,求 出系统的信噪比。4）波长范围测试:将HG 1型光源对准仪器 分光系统的入射狭缝，测fiJt光强数据，根据数据© 1994-2012 China Academic Journal Electr

25、onic Publishing House. All rights reserved, 第1期近红外光i許仪数据采集系统的研制 # 匕一匕(ID的峰值対应的像索位首确定标泄点，HG-1型光源 的特征峰与CCD像素点对应的关系如表1所示。© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第1期近红外光i許仪数据采集系统的研制 77 1.91.81.71.61.51.41.31.21.1(x 1(f)1700 750 800 850 900 950 1000 1050

26、1100波长/nm图5标准光源测试光谱Fig. 5 Spectrum of standard lamp-house test图6 大豆反射测试图谱Fig. 6 Spectrum of soybean reflective test经过式(11)计算得到如图7的反射率图诜图7大豆反射率图谱Fig. 7 Reflectivity spectmm of soybean性能畚数指标信匕输入方式m靖输人系统采样方式采样保持(SHA)信号电斥输人范闱0.44V冇效分辨率15条统采样频率1MHz信噪比5SdB系统缓存容肚4Kxl6bitCCD 积介时 |h|(TCD1304)采集卡与PC存舗器之间数据传输率

27、480Mb/$表2数据采集系统性能测试结果Table 2 Performance test result for data acquisition system表1特征峰与像素关系Table 1 Relation between peak value and pixel待征波K/nm718750763772794SOO像索点59474784491110811128待征波811826842852912920像索点119513211437151619792057用上衣给出的几个峰值点进行波长定标即可, 通过拟合，得到的波长y与像素x的关系：y=0.1334x+646.2(10)根据式(10)在相邻

28、标泄点之间按线性插值进行标 定:.图5给出的足标定以后的标准光源测试光谱图, 横坐标是波长，纵坐标是相对强度。5)样品的检测：经过了系统以及仪器的调试之 后，采用反射方式得到大U样品反射的光i普 如图 6所示,最高谱线代表白板信号%中间谱线代表 样品信号K,最低谱线代表背杲侑号 环由此，测控系统的性能指标结果如表2所示, 满足短近红外光谱仪设计要求。近红外光谱分析技术是一种快速、无损、多组 分同时检测的绿色分析技术，何近红外光谱仪是 近红外光谱分析技术的基本匸具。针对近红外光谱 仪的小型化、模块化和快速实时的发展趋势，同时 兼顾辽別模数转换器快速发展，设计了以辽型 模数转换器为核心的、USB2

29、.0为通讯协议的阵列 检测型近红外光谱仪的16位数据采集卡。以上测 试结果表明，实际系统达到了预期的技术指标：右 效分辨率为15位，信噪比为58 dB, 30 ms0.5 s的 CCD积分时间控制，缓存容fit为4Kxl6bit该采 集系统与单色仪组合，进行了光谱仪的标定与样 品测试，取得了很好的结果。为我国研制口主知识 产权的便携式和在线短近红外光谱仪提供了技术 支持。参考文献：1 陆婉珍-现代近红外光谱分析技术M.2版.北京：中 国石化出版tt, 2006.LU W ZH Modern near infrared spectroscopy analytical technology M.

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