基于ccd的光谱信号采集电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于CCD的光谱信号采集电路，按照本实用新型提供的技术方案，所述基于CCD的光谱信号采集电路，包括用于光探测的线阵CCD模块，所述线阵CCD模块的驱动端与处理器的输出端连接，线阵CCD模块的输出端依次通过电压跟随电路及AD转换电路与FIFO数据缓存器连接，FIFO数据缓冲器与处理器连接，处理器的输出端还与AD转换电路的控制端连接，处理器向AD转换电路输出转换控制信号且处理器向线阵CCD模块输出驱动信号，以使得AD转换电路的采样频率与线阵CCD模块的采样频率同步一致。本实用新型结构紧凑，能高速采集光学系统投射的光信号并进行传输，体积小，灵敏度高，适应范围广，安全可靠。
【专利说明】基于CCD的光谱信号采集电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种信号采集电路，尤其是一种基于CCD的光谱信号采集电路，具体地说是用于直读光谱仪、图像传感或非接触式测量的光谱信号采集电路。
【背景技术】
[0002]CO) (charge coupled devices)是一种电荷稱合器件,作为图像传感器,它的基本功能是将接收到的光信号转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、低噪声、动态响应范围宽等优点，被广泛应用于数码相机和全谱光谱仪等高精度的光学检测仪器中。传统的光谱仪一般较多地使用光电倍增管(PMT)作为光探测器，存在着体积大、只能单通道采集等缺点，难以满足高灵敏度的采集使用要求。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于CCD的光谱信号采集电路，其结构紧凑，能高速采集光学系统投射的光信号并进行传输，体积小，灵敏度高，适应范围广，安全可靠。
[0004]按照本实用新型提供的技术方案，所述基于CCD的光谱信号采集电路，包括用于光探测的线阵CCD模块，所述线阵CCD模块的驱动端与处理器的输出端连接，线阵CCD模块的输出端依次通过电压跟随电路及AD转换电路与FIFO数据缓存器连接，FIFO数据缓冲器与处理器连接，处理器的输出端还与AD转换电路的控制端连接，处理器向AD转换电路输出转换控制信号且处理器向线阵CCD模块输出驱动信号，以使得AD转换电路的采样频率与线阵CCD模块的采样频率同步一致。
[0005]所述处理器上设有RS-485接口，处理器通过RS-485接口将采集的数据传输至上位机。所述处理器采用单片机。
[0006]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点:
[0007]1、目前国内大部分光谱分析仪都是采用光电倍增管做光检测器，光电倍增管体积很大，只能检测一种元素的含量，通道数设置有限，无法实现全谱扫描。本实用新型使用线阵CCD模块可检测出所述CCD可识别的波长范围内所有元素的含量，可使光谱仪实现全谱测量。
[0008]2、使用单片机外围PWM接口引脚输出CCD驱动信号和AD转换电路的控制信号，因CCD驱动信号需严格的时序对应关系，且AD转换电路的采样频率必须与线阵CCD模块采集数据的时序同步。采用TI公司16位低功耗单片机MSP430通过PWM接口产生操作时序，电路简单且灵活，能够很好的满足对CCD驱动和AD转换控制的要求。
[0009]3、采用FIFO数据缓存器，通过单片机硬件IO引脚输出控制信号将AD转换后的大量数据高速存入FIFO数据缓存器内，因使用的CXD有效像素达2048个，最大驱动频率可达2MHz，单片机来不及直接读取AD采样值，由于FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，使用FIFO数据缓存器保证CCD高速采样时的每个像素值经高速AD转换为数字信号后均得到及时存储，单片机可随时读取已存入FIFO数据缓存器的光谱采样数据，有效地解决了数据流的缓冲。
[0010]4、使用单个CXD配置独立的AD转换电路和FIFO数据缓存器，并由独立的单片机管理，电路结构紧凑，灵活性好，可设定独立的地址，一般可根据光谱仪的设计要求在光谱仪中设置十多块以上的模块，提高了光谱仪的可扩展性。
[0011 ] 5、拥有独立的处理器I且有RS-485接口，实际使用中可根据需要由上位机程序自动调整CCD的采集时间和积分时间，以提高测量精度和改善曝光效果。
[0012]6、CCD驱动、高速AD转换数据、FIFO数据缓存器保存数据均由单片机统一控制管理，各像素在每次采集的帧信号中的顺序和位置可保持一致，能够较好地满足光谱采集系统对于时序的严格要求，确保多次测量光谱图的重复性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的结构框图。
[0014]图2为本实用新型电压跟随电路的电路原理图。
[0015]图3为本实用新型线阵CXD模块的电路原理图。
[0016]图4为本实用新型AD转换电路的电路原理图。
[0017]附图标记说明:1-处理器、2-电压跟随电路、3-线阵CXD模块、4-AD转换电路、5-FIF0数据缓冲器及、6-RS-485接口。
【具体实施方式】
[0018]下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0019]如图1所示:为了能实现对光学系统的光信号进行高速采集，提高采样灵敏度，降低体积等，本实用新型包括用于光探测的线阵CCD模块3，所述线阵CCD模块3的驱动端与处理器I的输出端连接，线阵CCD模块3的输出端依次通过电压跟随电路2及AD转换电路4与FIFO (First Input First Output)数据缓存器5连接，FIFO数据缓冲器5与处理器I连接，处理器I的输出端还与AD转换电路4的控制端连接，处理器I向AD转换电路4输出转换控制信号且处理器I向线阵CCD模块3输出驱动信号，以使得AD转换电路4的采样频率与线阵CCD模块3的采样频率同步一致。
[0020]具体地，所述处理器I上设有RS-485接口 6，处理器I通过RS-485接口 6将采集的数据传输至上位机。所述处理器I采用单片机。本实用新型实施例中，处理器I采用TI的16位低功耗单片机MSP430芯片。
[0021 ] 如图3所示，具体实施时，线阵CXD模块3采用索尼公司的ILX511芯片U4，ILX511芯片U4具有2048个有效单元，像素大小为14 μ m,单一 5V供电，最大操作时钟2MHz ;在ILX511芯片U4与AD转换电路4之间增加电压跟随电路2实现阻抗变换，考虑线阵CXD模块3的工作频率和单电源特性，选择+5V单电源供电、轨对轨运放AD8041芯片U5构成电压跟随电路2 ；AD转换电路4采用ADI公司12位并行模数转换器AD9220。
[0022]如图2所示，AD8401芯片U5的-1NPUT端与AD8401芯片U5的OUTPUT端连接，AD8401芯片U5的+INPUT端通过第三电阻R3与线阵CXD模块3的输出端连接，以形成电压跟随电路2。图3中，ILX511芯片U4的VDD端与+5V电源连接，并分别与第十一电容Cll的一端及第十二电容C12的一端连接,第^ 电容Cll的另一端及第十二电容C12的另一端接地。ILX511芯片U4的VGG端通过第十三电容C13接地，ILX511的其他接地端对应接地，ILX511芯片U4的CLK端与处理器I的输出端连接，ILX511芯片U4的输出端与AD8401芯片U5的+INPUT端连接。
[0023]本实用新型实施例中，使用FIFO数据缓冲器5对线阵CCD模块3采集输出的信号并经AD转换后的数据进行高速存储，处理器I对FIFO数据缓冲器5中已存数据进行读取和处理，FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，非常适合作为数据传送不同层级之间的缓冲。本实用新型实施例中，FIFO数据缓冲器5采用IDT7203芯片，IDT7203芯片存取速度为50ns/次，容量大小为9bit*2048，由于本实用新型实施例中，AD转换电路4采用AD9220芯片U2为12位AD，因此需要用两片IDT7203构成字宽扩展方式与AD9220芯片U2连接。
[0024]如图4所示，AD9220芯片U2的DVDD端通过第一电容Cl接地，AD9220芯片U2的DVSS端直接接地，AD9220芯片U2的第一 AVDD端通过第二电容C2接地，第一 AVSS端直接接地，AD9220芯片U2的第二 AVDD端通过第十电容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端与第一电阻Rl的一端连接，第一电阻Rl的另一端与第八电容C8及第九电容C9的一端连接，第八电容C8及第九电容C9的另一端接地。AD9220芯片U2的VINA端通过第二电阻R2与ADCIN端连接，AD9220芯片U2的CML端通过第四电容C4接地，AD9220芯片U2的CAPT端与第三电容C3的一端、第五电容C5的一端及第六电容C6的一端连接，AD9220芯片U2的另一端与第七电容C7的一端，第五电容C5的另一端及第六电容C6的另一端连接,第三电容C3的另一端及第七电容C7的另一端均接地。本实用新型实施例中，ADCIN信号为AD8401芯片U5的输出信号。
[0025]ILX511芯片U5有 3路控制信号ROG、CLK和SHSW，一路输出信号V0UT，本实用新型实施例中，由处理器I的外围PWM接口作为线阵CCD模块3的驱动电路，其中SHSW信号控制ILX511芯片U5是否选用采样/保持模式，ROG信号是读出门控信号，当其和CLK构成IluS初始化关系时，ILX511芯片U5启动输出，并通过Vtm引脚将信号串行输出至轨对轨运放AD8041芯片U5。采用了采样/保持(S/Η)模式后，线阵CCD模块3一次输出周期内共有2105个信号，其中前33个信号为无效哑信号(Dummy Signal )，其后为18个暗信号(OpticalBlack),之后才为有效的2048个像素信号,之后再为6个哑信号,至此一周期输出结束。
[0026]ILX511芯片U4输出信号的同时AD转换电路4接收并进行转换，本实用新型实施例中，ILX511芯片U4时钟采用IMHz频率，因此AD9220芯片U2的时钟必须和ILX511芯片U4频率一致且同步，由于AD9220芯片U2的信号输出比该信号输入延迟3个周期，而AD9220芯片U2转换结束后信号并行输出至IDT7203芯片，因此，AD9220芯片U2输出时钟和IDT7203输入时钟同步且为1MHz，但比AD9220芯片U2输入时钟和ILX511芯片U4工作时钟延迟3个周期。在IDT7203工作前需对其进行初始化操作，使其读写指针都回到初始位置。
[0027]目前国内大部分光谱分析仪都是采用光电倍增管做光检测器，光电倍增管体积很大，只能检测一种元素的含量，通道数设置有限，无法实现全谱扫描。本实用新型使用线阵CCD模块3可检测出所述CCD可识别的波长范围内所有元素的含量，可使光谱仪实现全谱测量。
[0028]使用单片机外围PWM接口引脚输出CXD驱动信号和AD转换电路4的控制信号，因CCD驱动信号需严格的时序对应关系，且AD转换电路4的采样频率必须与线阵CCD模块3采集数据的时序同步。采用TI公司16位低功耗单片机MSP430通过PWM接口产生操作时序，电路简单且灵活，能够很好的满足对CCD驱动和AD转换控制的要求。
[0029]采用FIFO数据缓存器5，通过单片机硬件IO引脚输出控制信号将AD转换后的大量数据高速存入FIFO数据缓存器5内，因使用的CXD有效像素达2048个，最大驱动频率可达2MHz，单片机来不及直接读取AD采样值，由于FIFO数据缓冲器5具有双口输入输出、传送速度快和先进先出的特点，使用FIFO数据缓存器5保证CCD高速采样时的每个像素值经高速AD转换为数字信号后均得到及时存储，单片机可随时读取已存入FIFO数据缓存器5的光谱采样数据，有效地解决了数据流的缓冲。
[0030]使用单个CXD配置独立的AD转换电路4和FIFO数据缓存器5，并由独立的单片机管理，电路结构紧凑，灵活性好，可设定独立的地址，一般可根据光谱仪的设计要求在光谱仪中设置十多块以上的模块，提高了光谱仪的可扩展性。
[0031]拥有独立的处理器I且有RS-485接口 6，实际使用中可根据需要由上位机程序自动调整CCD的采集时间和积分时间，以提高测量精度和改善曝光效果。
[0032]CCD驱动、高速AD转换数据、FIFO数据缓存器5保存数据均由单片机统一控制管理，各像素在每次采集的帧信号中的顺序和位置可保持一致，能够较好地满足光谱采集系统对于时序的严格要求，确保多次测量光谱图的重复性。
【权利要求】
1.一种基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是:包括用于光探测的线阵CCD模块(3)，所述线阵CXD模块(3)的驱动端与处理器(I)的输出端连接，线阵CXD模块(3)的输出端依次通过电压跟随电路(2)及AD转换电路(4)与FIFO数据缓存器(5)连接，FIFO数据缓冲器(5)与处理器(I)连接，处理器(I)的输出端还与AD转换电路(4)的控制端连接，处理器(I)向AD转换电路(4 )输出转换控制信号且处理器(I)向线阵CXD模块(3 )输出驱动信号，以使得AD转换电路(4)的采样频率与线阵CCD模块(3)的采样频率同步一致。
2.根据权利要求1所述的基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是:所述处理器(I)上设有RS-485接口(6)，处理器(I)通过RS-485接口(6)将采集的数据传输至上位机。
3.根据权利要求1或2所述的基于CCD的光谱信号采集电路，其特征是:所述处理器(I)采用单片机。
【文档编号】G01J3/28GK203732158SQ201420074770
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】高美凤, 朱建鸿, 于力革, 杨少鹏 申请人:江南大学