一种微型光谱仪控制电路及控制方法与流程

本发明涉及微型光谱检测技术领域，具体指一种可动态改变微型光谱仪对输入检测光信号的强度适应范围的控制电路与控制方法。

背景技术：

微型光谱仪是光谱测量系统中的核心部件，由于体积小，便于灵活地搭建光谱系统，广泛应用于环境监测、工业控制、化学分析、食品品质检测、材料分析、临床检验、航空航天遥感及科学教育等领域。

传统微型光谱仪的控制电路由线阵ccd、前置放大和偏置电路、cpld驱动电路、模数转换器、存储器以及处理器构成。控制电路的工作流程是，外部设备通过微型光谱仪的usb或rs232接口传输命令，控制电路中的处理器解析命令，控制cpld产生读取线阵ccd的时序，ccd输出信号经前置放大和偏置电路至模数转换器，转换的数据存入存储器中，再经处理器处理后返回至外部设备。

传统微型光谱仪的控制电路中的前置放大和偏置电路分别是由两个电位器来调节放大倍数以及偏置电压的，电位器的数值由工厂调试后固定，实际使用时是不可调的。因此，遇到的问题就是，当外部检测光信号较弱时，传统微型光谱仪的控制电路只能通过设置线阵ccd的积分时间来获取足够强度的光谱信号，而光信号越弱，积分时间需要越长，这样会造成测量时间加长。此外，当外部检测光信号较强时，前置放大器有可能在最小积分时间下都饱和，导致无法获取其光谱数据。由于偏置电路的电压固定，当线阵ccd的暗电流随环境温度变化时，前置放大电路的输出也会受到影响。

技术实现要素：

本发明的目的为克服现有技术存在的缺失和不足，提出一种可动态选择前置放大器增益以及偏置电压的控制电路与控制方法。

本发明一种微型光谱仪控制电路，由线阵ccd、增益可变的前置放大电路和可调节的直流电压偏置电路、驱动芯片、模数转换器、现场可编程门阵列(fpga)、外部控制电路、arm处理器、pc上位机以及外部光源构成。其中，arm处理器引脚与现场可编程门阵列(fpga)连接，现场可编程门阵列(fpga)产生的驱动信号经驱动芯片与线阵ccd相连；线阵ccd的输出信号经增益可变的前置放大电路进入模数转换器；模数转换器与现场可编程门阵列(fpga)相连；可调节的直流电压偏置电路与增益可变的前置放大电路相连以提供直流偏置信号；可调节的直流电压偏置电路的控制信号线与现场可编程门阵列(fpga)相连；arm处理器经usb或rs232接口与pc上位机连接；现场可编程门阵列(fpga)与外部控制电路相连；外部控制电路用于输出外部光源开通关闭的控制信号。其中运算放大器a1、a2与电阻r1、r2、r5、r6共同构成增益可变的前置放大电路；数字电位器b与电阻r3、r4构成可调节的直流电压偏置电路。线阵ccd输出信号vin经电阻r1与运算放大器a1负输入端-连接；a1正输入端+连接可调节的直流电压偏置电路，a1输出接运算放大器a2正输入端+。a1与a2的输出信号vo1、vo2分别进入模数转换器的通道1和通道2，数字电位器b控制信号通过spi接口与现场可编程门阵列(fpga)相连。

本发明一种微型光谱仪控制电路的控制方法，利用微型光谱仪上位机软件的驱动指令部分，由上位机软件来发送调节命令，现场可编程门阵列(fpga)负责自动完成增益选择以及偏置调节，其控制方法如下：

fpga通过外部控制电路关闭外部光源信号→设定压直流电压偏置电路中的数字电位器初值→fpga输出ccd驱动脉冲(最小积分时间)同时启动模数转换器通道2采样ccd输出数据→fpga内部实现采样数据逐个判断并存储最小值→计算最小值与目标值的差值→根据差值修正数字电位器的数值。实测值与目标值之间小于允许误差结束调整。

fpga通过外部控制电路打开外部光源信号→fpga输出ccd驱动脉冲(最小积分时间)同时启动模数转换器通道2采样ccd输出数据→fpga内部实现采样数据逐个判断并存储最大值→判断最大值是否达到数模转换器最大数值。如果数值未超过，则结束增益选择。如果超过，则将模数转换器通道设为通道1并重复上述过程。

如上所述，本发明一种微型光谱仪控制电路及方法，可动态消除线阵ccd暗电流造成的直流偏置的影响，同时扩大了微型光谱仪对输入检测光信号的强度适应范围。由于增益选择以及直流偏置调节采用fpga硬件电路实现，调节快速便捷。

附图说明

图1为本发明一种微型光谱仪控制电路的结构框图；

图2为本发明实施例电路图；

图3为本发明实施例控制方法流程框图。

编号说明

1：线阵ccd；

2：增益可变的前置放大电路；

3：可调节的直流电压偏置电路；

4：驱动芯片；

5：模数转换器；

6：现场可编程门阵列；

7：外部控制电路；

8：arm处理器；

9：pc上位机；

10：外部光源信号。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述

本发明一种微型光谱仪控制电路(如附图1、图2所示)：

由线阵ccd1，增益可变的前置放大电路2和可调节的直流电压偏置电路3，驱动芯片4，模数转换器5，现场可编程门阵列6，外部控制电路7，arm处理器8，pc上位机9及外部光源信号10以电路方式连接构成。

其中，所述现场可编程门阵列6分别与模数转换器5、arm处理器8引脚连接，与外部控制电路7连接，经控制信号线与直流电压偏置电路3连接，另一端经驱动芯片4与线阵ccd1连接。

所述线阵ccd1的输出信号经增益可变的前置放大电路2连接模数转换器5。

所述arm处理器8经usb或rs232接口与pc上位机9连接。

所述外部控制电路7与外部光源信号10连接。

所述可调节的直流电压偏置电路3与增益可变的前置放大电路2连接。

所述增益可变的前置放大电路2由运算放大器a1、运算放大器a2与电阻r1、电阻r2、电阻r5、电阻r6连接构成。

所述直流电压偏置电路3由数字电位器b与电阻r3、电阻r4连接构成。

所述线阵ccd1输出信号vin经电阻r1与运算放大器a1负输入端-连接。

运算放大器a1正输入端+连接可调节的直流电压偏置电路3，运算放大器a1输出接运算放大器a2正输入端+。

运算放大器a1与运算放大器a2的输出信号vo1、vo2分别连接模数转换器5的通道1和通道2。

数字电位器b控制信号通过spi接口与现场可编程门阵列6连接。

所述运算放大器a1、a2采用高速运放ad8031。

所述数字电位器b采用mcp41010。

本发明一种微型光谱仪控制电路控制方法(如附图3所示)：

pc上位机9通过usb或者rs232接口经过arm处理器8向fpga6发出控制指令，fpga6引脚输出关闭外部光源信号，首先选择模数转换器5的通道2，即高增益输出进行调零过程，调零完毕后，打开外部光源信号10，获取数据，并判断是否达到数模转换器5最大数值。如果数值未达到，则结束增益选择，最终增益选择为高增益输出。如果达到，则将模数转换器5通道设为通道1并重复上述过程。同样，如果通道1数值未达到数模转换器5最大数值，则选择增益为低增益输出，如果达到则反馈报错。

其控制流程如下：

步骤s1：pc上位机9发出增益选择指令，fpga6引脚输出关闭外部光源信号10并选择模数转换器5的通道2，即高增益通道。

步骤s2：设定直流电压偏置电路3中的数字电位器b初值。

步骤s3：fpga6输出ccd1驱动脉冲，线阵ccd1设置为最小积分时间，同时启动模数转换器5采样ccd1输出数据，获取线阵ccd1一次光谱数据。

步骤s4：fpga6内部实现采样数据逐个判断并存储最小值，计算最小值与目标值的差值。

步骤s5：若实测值与目标值之间小于允许误差结束调整，否则根据差值修正数字电位器b的数值，并重复步骤s3、s4、s5。

步骤s6：fpga6引脚输出通过外部控制电路7打开外部光源信号10，并输出ccd1驱动脉冲，线阵ccd1设置为最小积分时间，同时启动模数转换器5采样ccd1输出数据，获取线阵ccd1一次光谱数据。

步骤s7：fpga6内部实现采样数据逐个判断并存储最大值，判断最大值是否达到数模转换器5最大数值。

步骤s8：如果数值未达到，则结束增益选择。如果达到，则将模数转换器5通道设为通道1，即低增益通道，并重复上述过程

综上所述，本发明一种微型光谱仪控制电路及方法，具有可动态消除线阵ccd暗电流造成的直流偏置的影响，同时扩大了微型光谱仪对输入检测光信号的强度适应范围。由于增益选择以及直流偏置调节采用fpga硬件电路实现，调节快速便捷。