采用线阵CCD的便携式光谱采集系统设计

CCD驱动及CCD预处理电路设计的研究

　　CCD的正常工作需要精确时钟的配合，选用TCD1208AP线阵CCD作为本文的光电转换器件，其需要四路时钟脉冲的驱动：SH，φ1，φ2，RS。四路脉冲的幅值为5 V，属于标准的TTL逻辑电平。在驱动设计时可以使用微处理器来实现也可以使用FPGA或者CPLD等逻辑阵列来实现。但微处理器的时钟精确度相对于逻辑阵列比较低，且存在相位不同步的问题，因此，本文设计的方案使用CPLD来实现，其芯片为Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V电平的输出能力，可以和TCD1208AP直接连接而无需其他电平转换芯片，硬件连接图如图3所示。

　　CPLD使用10 MHz的有源晶振输入，为了提高CPLD的驱动能力，使用了反相器74HC04对CPLD输出的驱动脉冲进行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驱动脉冲的高低电平与正常驱动CCD的脉冲必须是反相的。CPLD输入的时钟clk为10 MHz，通过HLD硬件编程语言实现十分频，输出1 MHz的CCD复位脉冲。

　　1．2 节讨论利用VOS与VDOS的加减运算来实现光谱

　　信号中直流电平的滤除，硬件则利用运算放大器来实现这一过程。本系统采用AD公司的AD8051运算放大器，其工作带宽最高达110MHz，较低的建立时间使得其处理高频信号的能力较强，根据基本运算放大器计算规则，得出输出信号Vout为：

　　调节R9的值则可以改变Vout的输出值，此时的Vout就是没有直流电平的物质光谱吸收信号。

　　经过处理后的物质吸收光谱信号，进入AD转换模块，在该模块可以对光谱信号中的复位脉冲进行滤除，从而得到有效的光谱信号。采用的AD转换芯片是BB公司的8 bit模拟到数字转换芯片，其采样率可以达到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其转换速率和精度满足光谱采集系统的高速和高精度的要求。ADS830需要4个时钟周期才能完成数据采样和数字信号的输出，在接收ADS830转换的数字信号时需要控制好接收数据的时刻，以便准确无误的得到需要的数据。

　　图4为使用ADS830来进行光谱数据数字化的转换电路，ANALOGIN输入则是通过AD8051后处理的不带直流电平的光谱数据。由于ADS830的输入端电压范围是1．5～3．5 V，因此，为了使得经过AD8051的光谱信号处于这一范围，需要通过调节R9的值来实现。D1～D8则是转换后的光谱信号，该信号送入微处理器进行后续处理。

　　2．2 光谱数据处理电路及液晶显示动态曲线研究

　　本文采用的微处理器是STC公司的STC89C52RC，其带有额外的P4口，使得IO口资源更加丰富，由于这款单片机的内核是基于C51的，因此其机器周期还是传统的12T模式，但是STC可以通过下载程序的模式设置来使用6T模式工作，即超频工作。本系统微处理器的时钟为24 MHz，使用6T模式工作：6个时钟周期为一个机器周期，指令周期为0．25 ns。由于其内部存储资源的限制：内存为512个字节，ROM空间为8 K。如果直接对ADS830转换后的数字信号进行处理，会导致数据的丢失，并且转换后的光谱数据的速率达到了1 MHz（周期1 ns）。基于以上两点，需要使用缓冲装置来暂存数据，以便单片机有效的对光谱数据进行处理。

　　文中采用了具有先进先出特性的异步FIFO芯片IDT7205，其内部有8 K字节的存储空间，可以有效地对光谱数据进行缓冲。RS为其复位脉冲，低电平有效，一个有效的复位需要W和R处于高电平才能完成，只有在RS有效低电平过后，W和R才能进行操作。复位后的IDT7205读写指针

　　地址相等且位于0位置。EF和FF为指示标志位，其中EF为内部空标志位，其有效的低电平说明此时IDT7205里数据已经读取完，等待写入数据，而FF则表示内部数据空间已经写满，需要尽快读出里面的数据。IDT7205复位后，这两者都处于低电平，因此在编程的时需要进行区分。

　　图5为IDT7205的硬件连接图，其中D1～D8为ADS830转换后的数字光谱信号，Q1～Q3则与STC89C52RS连接，这样单片机就有比较充足的时间和空间来处理光谱信号，并对处理后的信号进行显示。

文中设计的光谱采集系统可以使用电脑端和LCD端两种方式来实现光谱数据的显示，描绘其吸光度曲线，并得出吸收峰峰值和对应于该峰峰值的波长。电脑端的显示比较简单，通过PC机较强的数据处理能力能较好较快地显示吸光度曲线，而对于LCD19264来说，则有比较多的细节需要处理。文中采用的是带背光的LCD19264液晶来进行吸光度曲线的显示，该液晶只有192*64的分辨率，因此要进行吸光度曲线的显示，需要对光谱数据进行压缩。CCD的有效像元有2 160个，要在19264上进行显示，有两种方法：使用翻屏来实现或者使用数据压缩的方式