CN203732158U - 基于ccd的光谱信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
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***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。
Description
技术领域
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
CCD(charge coupled devices)是一种电荷耦合器件,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
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***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。
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。
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。
本实用新型与现有技术相比,具有如下优点:
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。
2、使用单片机***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。
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CCD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。
4、使用单个CCD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。
5、拥有独立的处理器1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。
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***对于时序的严格要求,确保多次测量光谱图的重复性。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图。
图2为本实用新型电压跟随电路的电路原理图。
图3为本实用新型线阵CCD模块的电路原理图。
图4为本实用新型AD转换电路的电路原理图。
附图标记说明:1-处理器、2-电压跟随电路、3-线阵CCD模块、4-AD转换电路、5-FIFO数据缓冲器及、6-RS-485接口。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示:为了能实现对光学***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1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1连接,处理器1的输出端还与AD转换电路4的控制端连接,处理器1向AD转换电路4输出转换控制信号且处理器1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。
具体地,所述处理器1上设有RS-485接口6,处理器1通过RS-485接口6将采集的数据传输至上位机。所述处理器1采用单片机。本实用新型实施例中,处理器1采用TI的16位低功耗单片机MSP430芯片。
如图3所示,具体实施时,线阵CCD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14μm,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CCD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。
如图2所示,AD8401芯片U5的-INPUT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CCD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C11的一端及第十二电容C12的一端连接,第十一电容C11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1的输出端连接,ILX511芯片U4的输出端与AD8401芯片U5的+INPUT端连接。
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1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。
如图4所示,AD9220芯片U2的DVDD端通过第一电容C1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C10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R1的一端连接,第一电阻R1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。
ILX511芯片U5有3路控制信号ROG、CLK和SHSW,一路输出信号VOUT,本实用新型实施例中,由处理器1的***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11uS初始化关系时,ILX511芯片U5启动输出,并通过VOUT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/H)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(Optical Black),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。
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1MHz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。
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。
使用单片机***PWM接口引脚输出CCD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。
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CCD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。
使用单个CCD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。
拥有独立的处理器1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。
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***对于时序的严格要求,确保多次测量光谱图的重复性。
Claims (3)
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CCD模块(3)的驱动端与处理器(1)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数据缓存器(5)连接,FIFO数据缓冲器(5)与处理器(1)连接,处理器(1)的输出端还与AD转换电路(4)的控制端连接,处理器(1)向AD转换电路(4)输出转换控制信号且处理器(1)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。
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(1)上设有RS-485接口(6),处理器(1)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(1)采用单片机。
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CN201420074770.6U CN203732158U (zh) | 2014-02-20 | 2014-02-20 | 基于ccd的光谱信号采集电路 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN103822710A (zh) * | 2014-02-20 | 2014-05-28 | 江南大学 | 基于ccd的光谱信号采集电路 |
CN104236712A (zh) * | 2014-09-30 | 2014-12-24 | 江南大学 | 双路高速线阵ccd数据采集电路 |
CN105116799A (zh) * | 2015-08-06 | 2015-12-02 | 北京韦加航通科技有限责任公司 | 一种远程控制开关及控制方法 |
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- 2014-02-20 CN CN201420074770.6U patent/CN203732158U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
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