一種便攜式光譜采集系統的設計與實現

摘要：為了快速有效地判斷化學物質中的微量成分，并粗略估計成分的含量，提出一種便攜式分光光度計的設計方案，對該方案的光譜采集系統進行了設計與討論。與傳統的分光光度計設計方案相比，該方案采用線陣CCD器件代替傳統的光電管來實現光電信號的轉換，易于提高系統的運行速度并減少系統體積；利用FIFO(先入先出隊列)可以實現高速數據輸出設備與低速控制器的數據交換。本系統可以選擇LCD液晶或者電腦端屏幕來顯示數據，并能快速地在兩種顯示方式之間進行切換。為了直觀的在液晶上顯示采集的光譜，方案使用了插值壓縮技術。實驗證明，系統在兩種顯示方式下穩定工作，并能實現光譜數據快速有效地顯示。
關鍵詞：線陣CCD；光譜采集；便攜式；分光光度計

微量物質成分及含量分析在科研、安檢等領域發揮著重要的作用。目前，微量成分分析常用的方式是使用分光光度計，其原理是利用物質對光的吸收特性，測量其吸光度，通過吸收峰的位置估計物質的成分，并利用峰的高度來估計成分的含量。傳統的分光光度計主要應用在物質的分析與檢測上，功能比較單一。隨著芯片集成技術的發展和光柵技術的進步，現在的分光光度計在功能、體積、檢測速度上發生了革命性的改變。例如，利用分光光度計來組成田野土壤監測網絡，可以實時檢測土壤的物質含量，使得農業生產者能有效的針對某塊區域進行土壤的改良從而提高產率。
分光光度計的核心部分是光譜采集和處理系統，其通過光電轉換器件把經過物質吸收后的光譜信號采集進來，并通過顯示器件實時顯示。傳統的分光光度計通常采用光電管來實現這一轉換，由于光電管的體積較大，而且需要復雜的機械裝置把光譜投射到光電管上，因此傳統的分光光度計體積非常笨重，而且價格也十分昂貴。CCD技術的發展使得分光光度計發生了革命性的變化，由于CCD技術的易集成、采集速度快等優點使得分光光度計逐漸朝著微型化和便攜性方面發展。
本文提出的分光光度計的光譜采集系統通過使用CCD與微處理器件的協調工作，可以用來測試可見光波段的吸收強度并能初步的估計吸收量的大小，從而為物質分析提供參考。

1 CCD驅動及噪聲處理技術研究
1．1 CCD驅動時序研究
CCD作為光電轉換的理想器件是因為其較低的噪聲、較高的轉移效率和較快的光譜響應，其采用交替變換的脈沖來移出儲存在其中的光信號并以電壓輸出的方式表示。由于轉移效率較高，因此其工作頻率一般在MHz標準。本文采用的CCD器件則是最高轉移頻率在1 MHz的東芝公司生產的TCD1208AP線陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個基本像元組成，其中可用來進行光譜數據轉換的像元只有2 160個，其他的像元用來控制噪聲和填充數據幀。TCD1208AP每個像元的尺寸為14μm×14μm，所以對色散器件的色散能力要求不是很高，同時其擁有較高的光靈敏度以及較高的工作頻率使得其光譜采集的速度非常快，達到ns級別。利用物質吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長不同的光映射在CCD傳感器上的每個像元位置，每個像元位置對應一個波長的光的強度。像元與波長的關系可以通過微處理器來進行標定，傳感器采集不同波長的光信號，光信號的強度與CCD受照射的時間(CCD的積分時間)有關，通過改變積分時間可以影響每個像元上光強度的大小。
TCD1208AP正常的工作需要四路驅動脈沖，即積分時間控制脈沖SH、像元內光信號轉移脈沖φ1和φ2以及清除CCD像元內剩余電荷的復位信號RS。四路驅動脈沖的時序圖如圖1所示。

RS一般工作在1 MHz的速度，其脈沖的占空比為30％，φ1，φ2工作的占空比為50％，SH為CCD的積分時間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個RS周期的時間。開始工作時，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來時能馬上建立電勢差，從而使得CCD的電荷順利轉移出去。
1．2 CCD噪聲處理技術探討
TCD1208AP的輸出信號有VOS和VDOS，其中VOS為摻雜了噪聲的有效輸出信號，其噪聲的主要成分為RS引起的復位噪聲，VDOS為補償輸出端。
CCD的輸出信號摻雜有直流電平和RS復位脈沖，因此在進行模擬到數字的轉換時，必須把其中的直流電平(圖示為1．08 V)和RS(1 MHz的復位脈沖)脈沖濾除。直流電平的濾除可以使用VDOS補償輸出，通過VOS與VDOS之間的加減運算來實現。圖2所示的即為濾除直流電平后的信號圖，圖中信號c為不帶直流電平而帶有復位噪聲的光譜吸收信號。有效的光譜吸收信號在復位脈沖之后，物質對不同波長光的吸收程度體現在該信號的大小上。

復位噪聲的消除是通過對模擬到數字中的采樣點的選擇來實現。通過把采樣的時刻設定在有效的光譜信號區域，并把該時刻視頻信號的電壓值轉換為數字量，以便進行后續的信號處理過程。而采樣的脈沖有兩種來源，一是通過引入額外的脈沖源，通過精確的控制來實現；二是使用CCD的復位脈沖RS來實現，通過觀察發現CCD的復位脈沖RS的脈寬區恰好位于CCD有效的光譜信號區域，因此可以用復位脈沖作為模擬到數字信號轉換部分的采樣脈沖輸入端。

2 光譜采集系統中關鍵硬件電路設計
光譜采集系統的硬件電路主要用來實現物質吸收光譜的采集、轉換以及對轉換后的光譜數據進行適當的處理，因此，穩定、高精度的硬件電路是光譜采集系統有效精確工作的基礎。