THS1206在多路紅外光譜儀中的應(yīng)用

【摘要】針對多路紅外光譜儀的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以4片THS1206為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的多路采集系統(tǒng)。本文詳細(xì)的介紹了THS1206的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制寄存器設(shè)置及軟、硬件設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明，THS1206可以很好地滿足多路紅外光譜儀的速度與精度要求。

【關(guān)鍵詞】THS1206;紅外光譜儀;模/數(shù)轉(zhuǎn)換

Application of THS1206 in Multichannel Infrared Spectrometer

Li Zhe

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Abstract：According to the characteristics of multichannel infrared spectrometer，a multichannel acquiring system with 4 THS1206 as its ADC is designed.Structural features，control register settings，software design and hardware design are introduced in detail in this paper.Test results show that THS1206 can meet the multichannel infrared spectrometers demands of sample rate and accuracy.

Key words：THS1206;Infrared Spectrometer;A/D Converter

引言

紅外光譜儀是近年來發(fā)展最為迅速的高新分析技術(shù)之一，由于其快速、高效、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)、氣象、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域[1]。由于紅外光譜儀對速度與精度的要求，且單片探測器像元數(shù)量不足，因此需要設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)紅外光譜儀的多路同步采集。本文介紹了以FPGA為核心，4片THS1206為A/D轉(zhuǎn)換器的多路采集系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了THS1206的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、寄存器設(shè)置及軟硬件設(shè)計(jì)。

1.基于THS1206的紅外光譜儀采集系統(tǒng)

紅外光譜儀的電子學(xué)系統(tǒng)由紅外探測器、A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA、控制與圖像傳輸單元、上位機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 紅外光譜儀電子學(xué)系統(tǒng)框圖

根據(jù)測量光譜的需要，紅外光譜儀選用了4片Xenics公司的XLIN系列的紅外線陣探測器，該探測器有2048像元，奇數(shù)、偶數(shù)像元各有一塊讀出電路，且為差分信號輸出，最高像元輸出速率為12.5Mhz。A/D轉(zhuǎn)換單元采用了4片THS1206，與探測器相對應(yīng)。FPGA采用的是Xilinx公司的XC2V3000，為紅外探測器提供時(shí)序，控制A/D轉(zhuǎn)換模塊，接收上位機(jī)控制指令，并控制CameraLink芯片將圖像傳至上位機(jī)。

2.THS1206的功能、結(jié)構(gòu)與控制寄存器

THS1206是TI公司出品的一種基于流水線結(jié)構(gòu)的低功耗高速A/D轉(zhuǎn)換器，主要適用于雷達(dá)、成像、高速采集、通信及控制應(yīng)用領(lǐng)域。它具有以下特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率高，在單端輸入時(shí)可達(dá)到最高6MSPS的轉(zhuǎn)換效率;多通道可選輸入，可根據(jù)需要使用最多4個(gè)單路或2路差分的模擬量輸入模式，也可單路與差分混合輸入;12位的高采樣精度，且差分輸入下的非線性誤差僅為±1LSB;信噪比高，2MHz工作頻率下，信噪比可達(dá)68dB;最大功耗僅為218mW，且可以選擇待機(jī)模式減少功耗;內(nèi)部集成16字深度的FIFO，可方便地通過處理器操作內(nèi)部指針來讀出數(shù)據(jù)。THS1206由采樣保持器、單端/差分多路復(fù)用器、12位流水線A/D、16字12位FIFO、邏輯控制單元、控制寄存器、緩沖器、參考電壓模塊組成，THS1206內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2]如圖2所示。

圖2 THS1206的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

THS1206有兩個(gè)控制寄存器CR0與CR1，通過更改寄存器設(shè)置可使其進(jìn)入相應(yīng)的工作模式，控制寄存器如表1所示[3][4]。THS1206的12位數(shù)據(jù)位是雙向I/O，設(shè)置寄存器時(shí)作為輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為輸出。設(shè)置寄存器時(shí)，最高兩位為寄存器選擇地址，D11、D10為00時(shí)，選擇CR0;為01時(shí)，選擇CR1。

其控制寄存器說明如下：

1）VREF：參考電壓選擇，0為內(nèi)參考，1為外參考;

2）MODE：模式選擇，0為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，此模式下。1為單獨(dú)轉(zhuǎn)換模式;

3）CHSEL0、CHSEL1、DIFF0、DIFF1：通道選擇，可以根據(jù)需要選擇單端或差分輸入模式;

4）SCAN：自動(dòng)掃描開關(guān)，0為關(guān)閉，1為開啟，使用多個(gè)通道時(shí)應(yīng)開啟蓋功能;

5）TEST0、TEST1：測試模式，可對硬件引腳的VREFP和VREFM進(jìn)行測試，平時(shí)應(yīng)設(shè)置為00，使用正常模式;

6）RESET：復(fù)位功能，將此位置為1可進(jìn)行重置寄存器設(shè)置、FIFO指針;

7）OVFL/FRST：FIFO溢出標(biāo)志位/FIFO復(fù)位控制，讀取為1時(shí)標(biāo)志FIFO溢出，將此位寫入1則復(fù)位FIFO。如需要舍棄FIFO未讀出的值時(shí)，可設(shè)置復(fù)位FIFO;

8）TRIG0、TRIG1：FIFO的深度設(shè)置，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇;

9）DATA_T、DATA_P：控制DATA_AV引腳有效的種類和極性，電平信號或者脈沖信號，高有效或是低有效，可適用于多種控制器。

10）R/W：RD與WR引腳的選擇設(shè)置，如果置為1則RD引腳失效，WR引腳高為讀使能，低為寫使能。

11）BIN/2s：數(shù)字輸出的編碼設(shè)置，置為1則輸出碼值為0至FFF，置為0則輸出碼值與輸入的電壓正負(fù)無關(guān)，輸出絕對值。

12）RBACK：調(diào)試模式，設(shè)置為0則正常工作，設(shè)置為1可回讀控制寄存器參數(shù)。

圖3 THS1206的硬件設(shè)計(jì)

圖4 THS1206初始化設(shè)置流程

3.THS1206的硬件設(shè)計(jì)

THS1206共有32個(gè)引腳，模擬電源AVDD使用模擬5V，數(shù)字電源DVDD及緩沖器數(shù)字電源BVDD使用3.3V。由于本例中使用內(nèi)部參考電壓，外部基準(zhǔn)電壓REFP與REFM需接入10?F的旁路電容以去除內(nèi)部參考電壓的高頻噪聲，此處使用22?F是為了提高可靠性，共?；鶞?zhǔn)電壓輸入REFIN與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出REFOUT相接，REFOUT一定要接10?F電容到地，否則會(huì)影響采樣效果。如使用外參考電壓，REFP接+3.5V，REFM接+1.5V，REFIN可接入外參考電壓+2.5V，并通過將寄存器0的第0位設(shè)置為高。紅外探測器有按像元的奇偶分為兩個(gè)讀出電路，且讀出電路輸出為差分信號，AINP、AINM、BINP、BINM可構(gòu)成兩個(gè)差分輸入，使一片THS1206對應(yīng)一片紅外探測器，輸入端P為正端，M為負(fù)端，接入前應(yīng)將輸入信號調(diào)理至THS1206可接入的范圍。D11-D0為數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線除輸出采樣數(shù)據(jù)以外，其高兩位D11、D10還作為內(nèi)部控制寄存器地址線使用?？刂菩盘栍衅x信號CS0、CS1，讀寫信號RD、WR，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘CONV_CLK，數(shù)據(jù)有效標(biāo)志DATA_AV，數(shù)據(jù)線與控制信號直接接入FPGA。硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.THS1206的軟件設(shè)計(jì)

4.1 THS1206初始化設(shè)計(jì)

THS1206軟件設(shè)計(jì)主要為初始化設(shè)置和A/D轉(zhuǎn)化兩部分，初始化設(shè)置是A/D轉(zhuǎn)化工作的前提。根據(jù)器件手冊的要求，使用前應(yīng)對THS1206進(jìn)行復(fù)位，通過軟件向控制寄存器1的第0位寫入1，復(fù)位芯片，控制寄存器、FIFO的指針及偏移寄存器，再寫入0，清除復(fù)位。然后根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置控制寄存器0和控制寄存器1，同時(shí)復(fù)位FIFO，初始化設(shè)置流程如圖4所示。如果使用默認(rèn)值，則先向控制寄存器1寫入0x401，然后再寫入0x400清除復(fù)位，其中的D11、D10為控制寄存器的地址線，D9-D0對應(yīng)寄存器設(shè)置相應(yīng)位數(shù)。由于實(shí)際使用的情況是多種多樣的，默認(rèn)值是不滿足需求的，此時(shí)需要對控制寄存器進(jìn)行重新設(shè)置，除寫入0x401及0x400后，再分別寫入控制寄存器0及控制寄存器1的設(shè)置值。關(guān)于控制寄存器0的設(shè)置，因硬件設(shè)計(jì)上已經(jīng)使用了內(nèi)參考且為兩路差分輸入，且應(yīng)使用連續(xù)模式自動(dòng)掃描，所以對其寫入0xC8。關(guān)于控制寄存器1的設(shè)置，選擇二進(jìn)制輸出，F(xiàn)IFO深度設(shè)為8，使用RD及WR信號，并同時(shí)復(fù)位FIFO，對其寫入0x48A。在對寄存器設(shè)置時(shí)，CS0置低、CS1置高、WR置低、RD置高。

4.2 A/D轉(zhuǎn)化軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的重中之重就是合理的安排復(fù)位、設(shè)置、中斷處理、數(shù)據(jù)采集讀取的工作時(shí)序，尤其是防止雙向總線的沖突，因?yàn)殡p向總線沖突會(huì)引起硬件電路的電流波動(dòng)及參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)采集異常。由于線陣探測器只有單行數(shù)據(jù)且需要一定的積分時(shí)間，因此在每行工作開始時(shí)進(jìn)行THS1206初始化設(shè)置，積分時(shí)間到達(dá)之后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)讀取比較合理。軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示，上電初始化后，讀取行同步信號，行同步無效則繼續(xù)等待，有效則復(fù)位THS1206并進(jìn)行設(shè)置，繼續(xù)讀取DATA_AV信號，無效則進(jìn)入等待狀態(tài)，有效讀取THS1206中FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后等待DATA_AV信號有效或行同步有效。

圖5 A/D轉(zhuǎn)化軟件流程設(shè)計(jì)

THS1206在CONV_CLK的控制下，采樣兩組差分信號共8個(gè)數(shù)據(jù)寫入FIFO，F(xiàn)IFO寫滿則DATA_AV低電平有效，通知FPGA讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)FPGA將CS0置低，CS1置高，WR置高，RD置低，將數(shù)據(jù)存入FPGA中的RAM，待一行圖像接收完畢后進(jìn)行打包發(fā)送。

5.測試結(jié)果與結(jié)論

采集到的紅外原始數(shù)據(jù)如圖6所示，4片紅外探測器共8192個(gè)像元，12位采樣精度，采樣速度為2MHz，三條曲線自上而下分別為光照的飽和、中值、暗場的數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)差小于1，信噪比大于3000。

圖6 采集到的紅外原始數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，THS1206能很好的滿足多路紅外光譜儀的需求，可以同步采集4片紅外探測器的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工作良好，像質(zhì)好，噪聲低。

參考文獻(xiàn)

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[4]李巍，劉棟斌，張達(dá).A/D轉(zhuǎn)換器在紅外成像系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（11）.

作者簡介：李哲（1984—），男，碩士，助理研究員，主要從事空間光學(xué)成像技術(shù)研究。