本文介紹了一種基于USB的光電二極管陣列數據采集系統的設計方案。本系統以DSP作為核心，光電二極管陣列的曝光時間和模擬處理電路增益程序可調，采用16位高精度高速模數轉換器完成對光電二極管陣列視頻信號的精確測量。DSP將采集到的視頻數據通過USB接口實時傳輸給上位計算機，由其來完成視頻數據的處理，顯示和存儲。
1.光電二極管
光電二極管陣列是當前光學多通道探測系統中使用最廣的探測器之一。它具有體積小，響應時間快，積分時間可變，無滯后效應，輸出噪聲低，動態范圍大，光譜響應寬等優點。為了數據處理方便，一般需將光電二極管陣列的視頻信號數字化并傳輸給計算機進行處理。但由于其視頻信息數字化以后，數據量相對較大，需要一種高速的數據傳輸方式。而USB總線傳輸速度較快，有1.5 Mbit/s.12 Mbit/ s和 480 Mbit/s 3種速度，能夠滿足光電二極管陣列數據傳輸的需要。
2.硬件設計
總體結構如圖1，虛線框內是數據采集系統，主要由以下幾部分構成：模擬處理電路，模數轉換器，數字信號處理器( DSP)，復雜可編程邏輯( CPLD),隨機存儲器(RAM)和 USB接口電路等構成。光電二極管陣列經過一段時間曝光后，在驅動電路的驅動下輸出視頻信號。視頻信號經過低噪聲模擬處理電路處理后，送到高精度高速模數轉換器進行模數轉換。DSP將轉換得到的視頻數據通過USB接口上傳到上位計算機，完成視頻數據的處理、顯示和存儲。
圖1 數據采集系統框圖
光電二極管陣列采用的是S3904系列產品。S3904是一種專門為多道光譜探測設計的自掃描光電二極管陣列。它的頻譜響應范圍為200~ 1100 nm，每個像素的大小為25 pm x 2.5mm，單元數有256.512和1024。室溫時暗電流最大為0.3 pA，最大輸出電荷量約為25pC，飽和曝光量為180 mlx s。
驅動電路是專門為其設計的低噪聲驅動電路。驅動電路將感光二極管陣列和補償二極管陣列輸出的信號，經過積分放大處理后再進行差動放大，降低瞬態干擾和暗電流噪聲。采樣保持電路對視頻信號和噪聲分別進行采樣和保持，抵消掉視頻信號中的模擬處理電路漂移和噪聲，并且在電壓保持的同時觸發多次模數轉換信號，以利于模數轉換電路的數據采集和降噪處理。驅動電路的接口時序如圖2所示。START信號用來控制視頻數據采集的開始，由驅動電路內部根據此信號生成光電二極管陣列所需的啟動信號。它可以用來控制光電二極管陣列的曝光時間，Φst信號用來通知DSP視頻信號輸出已經開始。START信號由TMS320LF2407A的TIPWM直接產生，Φst和TMS320LF2407A的XINTl引腳相連接。
圖2 驅動電路接口時序圖
模擬處理電路是一個程控增益放大器，由高速運算放大器OPA300和模擬開關74HC4051構成。因為模擬開關沒有接在放大電路的增益回路中，可將它看作運算放大器的一部分，使模擬開關的導通電阻及其溫度系數對增益的影響得以消除。此放大電路共有8個增益選擇：1.008、1.5、2、3、4、6、8和10。
圖3 模擬處理電路
DSP是系統的核心，采用的是TMS320LF2407A，它是16位定點DSP，片內具有32KB的FLASH程序存儲器，2.5KB的RAM;片上資源豐富，指令周期最小為25ns，可以提供良好的實時控制能力。CPLD用來實現DSP和外圍電路的接口設計，采用的是XC9836XL。它的系統頻率最高為178MHz，引腳到引腳的邏輯延遲為5ns。
模數轉換器采用的是ADS8401。ADS8401是一種高速逐次逼近型模數轉換器，數據輸出采用高速16位并行接口，數據線與TMS320LF2407A數據線直接連接。ADS8401的CS和RD由XC9536XL根據TMS320LF2407A的讀寫信號生成。ADS8401的CON由光電二極管陣列的驅動電路板提供。BUSY信號直接連到TMS320LF2407A的IOPC5上，Φst信號通過觸發外部中斷XINT通知DSP視頻信號開始輸出，準備采集視頻數據。ADS8401在Φst信號的驅動下開始模數轉換。TMS320LF2407A通過查詢IOPC5的狀態，來確定何時轉換完畢和讀取數據。之所以采用查詢方式，是因為視頻數據讀取的時序性較強，如不能及時讀取會導致數據丟失，單元視頻數據錯位。
USB接口芯片采用 PDIUSBDl2。它是需要外部微控制器控制的 USB接口芯片，PDIUSBDl2的端點可以被配置為4種不同的模式，分別為非同步傳輸模式、同步輸出傳輸模式、同步輸入傳輸模式和同步輸入輸出傳輸模式。PDIUSBDl2芯片提供3個端點，在非同步模式下，端點0用于控制傳輸，端點1和端點2用于普通輸入輸出。端點0和端點1的最大信息包大小為16字節，端點2為64字節。系統中PDIUSBDl2工作在非同步模式下，采用端點補柴傳輸命令信息，端點2來傳輸采集到的數據。INT引腳和TMS320LF2407A 的XINT2引腳相連，SUSPEND引腳和TMS320LF2407A的IOPB6相連。數據線跟TMS320LF2407A的低8位數據線連接，其他控制信號由XC9536XL根據TMS320LF2407A的接口信號生成。
TMS320LF2407A 與外圍電路的具體接口電路如圖4所示。XC9536XL的設計采用VHDL語言進行，采用ISE WebPACK進行編譯，采用ModelSim進行仿真調試。
圖4 DSP與外圍電路的拉口
3.軟件設計
3.1DSP軟件設計
DSP的程序主要包括數據采集處理、數據傳輸和命令傳輸。數據采集處理和命令傳輸采用中斷方式完成，而數據傳輸則由主程序和中斷程序共同來完成。主程序的流程圖如圖5所示。
圖5 DSP主程序流程圖
3.2計算機軟件設計
上位計算機負責光電二極管陣列視頻數據的處理、顯示和存儲，同時可設置采集系統的工作參數：如曝光時間、模擬電路增益。上位計算機程序采用Visual C++ 6.0編寫，采用其自帶的單文檔程序框架。程序的主要功能是基于時間中斷來完成的。
4.測試結果
光電二極管陣列采用S3904-1024，光源采用氛燈經過多色儀生成的光譜帶，數據采集系統的曝光時間分別設為50ms，100ms和200ms，各測試2h，數據采集以及傳輸均未發生錯誤。當光電二極管陣列無光照射時，曝光時間設為200ms，系統采集到的暗電流噪聲如圖6所示，可以看出它的噪聲約為300 μv 。這個噪聲主要由光電二極管陣列的暗電流噪聲和數據采集系統自身的噪聲構成，由此可見數據采集系統自身的噪聲是很低的，可以實現視頻信號的精確測量。
圖6 無光照時的視頻信號采集
總結
以上就是基于USB的光電二極管陣列數據采集系統設計方案介紹了。該數據采集系統能夠精確測量光電二極管陣列輸出的視頻信號，并將測量數據通過USB接口實時傳輸給上位計算機，目前已應用于光電二極管陣列檢測器當中，使用效果較好。
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