微型近紅外光譜儀低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司，無(wú)錫 214028；3. 江蘇大學(xué)食品工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

近年來(lái)，隨著近紅外光譜分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，近紅外光譜儀的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大地便利了人們?cè)跈z測(cè)領(lǐng)域的工作。其中，近紅外光譜分析技術(shù)更是在農(nóng)業(yè)以及食品領(lǐng)域得到了廣泛的認(rèn)可[1]，近紅外光譜儀器的便攜式小型化是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的必然要求。便攜式近紅外光譜儀一般使用電池供電，因此人們不僅希望能夠簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程，更希望能在保證性能的前提下盡可能延長(zhǎng)工作時(shí)間，因此，需要盡可能降低儀器功耗，有效延長(zhǎng)工作時(shí)間，增加檢測(cè)次數(shù)。

便攜式電子檢測(cè)設(shè)備的功耗是由多方面因素決定的，但主要取決于設(shè)備的設(shè)計(jì)工藝、芯片和器件的選擇以及系統(tǒng)的工作方式等[2]。便攜式設(shè)備的工作模塊和元器件高度集中，會(huì)因?yàn)樯釂?wèn)題導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部模塊以及芯片工作溫度的急劇升高，降低電子電路系統(tǒng)的可靠性，因此常需增加散熱裝置以保證系統(tǒng)的可靠性，這又會(huì)導(dǎo)致功耗增加，同時(shí)增加了成本。因此，降低功耗是解決便攜式儀器這一問(wèn)題的一種有效方法。功耗的降低不僅可以保證設(shè)備的性能以及可靠性，延長(zhǎng)工作時(shí)間，同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)隨著功耗的降低還可以有效減少電磁干擾[3]。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近紅外光譜儀系統(tǒng)由上位機(jī)、光譜儀模塊、光源驅(qū)動(dòng)模塊、通訊模塊、微控制器、電源模塊以及外設(shè)部分組成。其中，低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)光源、模塊供電、微控制器工作模式等部分進(jìn)行，同時(shí)添加了溫度傳感器。

鹵鎢燈是光譜儀中功耗較大的部分，設(shè)計(jì)采用了光源能量可調(diào)的模塊，該模塊可根據(jù)采樣需求以及工作模式獨(dú)立調(diào)整光源能量；溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)儀器工作溫度，在達(dá)到一定的待機(jī)時(shí)間和溫度時(shí)，微控制器對(duì)外部件進(jìn)行不同配置，并使其進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工作模式以降低功耗；電源采用分區(qū)供電的方式，在低功耗模式時(shí)對(duì)部分區(qū)域斷電以降低功耗，如：旋轉(zhuǎn)樣品池的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、降溫風(fēng)扇、蜂鳴器等模塊；同時(shí)，在集成芯片選型以及電路設(shè)計(jì)時(shí)采用低功耗器件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 光譜儀模塊

系統(tǒng)的核心器件是采用MEMS技術(shù)的集成光譜儀，該光譜儀采用的是無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)科技有限公司自主研發(fā)的光譜儀模塊NIR_PROTON，外形如圖2所示。光譜儀模塊關(guān)鍵器件是DMD，其工作原理是：光經(jīng)過(guò)狹縫進(jìn)入準(zhǔn)直鏡，準(zhǔn)直后的平行光通過(guò)光柵分光，成像在DMD面陣上[4]；DMD對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行選通，最后經(jīng)過(guò)聚透鏡成像在檢測(cè)器上得到近紅外光譜[5]。光譜波長(zhǎng)范圍為900～1700 nm，信噪比大于6000∶1，采用1×1 mm非制冷InGaAs光電二極管(探測(cè)器)，支持藍(lán)牙傳輸，USB供電，擁有低功耗的特性。

圖2 光譜儀模塊

1.2 微控制器

微控制器是光譜儀器的中央控制器，在低功耗設(shè)計(jì)中，CPU芯片的選型是關(guān)鍵問(wèn)題之一，系統(tǒng)中采用的CPU芯片能夠直接影響到系統(tǒng)工作模式的配置，從而影響到系統(tǒng)的功耗大小。設(shè)計(jì)采用STM32F407作為系統(tǒng)中央控制器，其部分外圍電路如圖3所示。STM32F407 是基于ARMCortex-M 系列的32 bit Flash高性能微控制器，采用90 nm的NVM(Non-volatile memory，非易失存儲(chǔ)器) 和ART(自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?)[6]。ART提升了程序執(zhí)行效率，能夠完全釋放Cortex-M內(nèi)核的性能，當(dāng)CPU在工作頻率范圍內(nèi)(≤168MHz)時(shí)，具有零等待周期；支持USART串口、SPI 接口、CAN 接口、??2C 接口以及 USB 接口，能夠適應(yīng)于多種使用場(chǎng)合；高速USART可達(dá)10.5 Mbits/s，高速SPI可達(dá)37.5Mbits/s[7, 8]；STM32F407的工作電壓為1.8～3.6V，共有休眠模式、停止模式和待機(jī)模式3 種低功耗模式，通過(guò)相關(guān)程序指令進(jìn)行休眠。電源部分單獨(dú)給單片機(jī)供電，以在低功耗模式下斷開(kāi)外設(shè)電源；同時(shí)系統(tǒng)部分時(shí)鐘可停止以達(dá)到減少功耗的目的。

圖3 STM32F407部分外圍電路圖

1.3 光源能量可調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

光源是光譜儀系統(tǒng)功耗以及散熱最大的部分，設(shè)計(jì)光源能量可調(diào)模塊一方面可減少光譜儀電流增大以及溫度升高帶來(lái)的影響，延長(zhǎng)鹵鎢燈使用壽命；另一方面，可以在測(cè)試不同樣品時(shí)選擇不同光強(qiáng)以降低功耗。DAC采用DAC0832模塊，其電路配置圖如圖4所示，該模塊穩(wěn)定工作時(shí)功耗約20 mW，集成電路內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，因此DAC0832芯片具有雙緩沖、單緩沖和直通等3種輸入方式[9]。DAC0832以電流形式輸出，需外接運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。光源能量調(diào)節(jié)從0～100%，分為10檔，每10%為1檔。

圖4 DAC0832電路配置圖

1.4 溫度傳感器設(shè)計(jì)

溫度傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)儀器內(nèi)部工作環(huán)境溫度以及旋轉(zhuǎn)樣品池溫度。設(shè)計(jì)使用的DS18B20是達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司的單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器，具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在同一總線(xiàn)上掛載多個(gè)同類(lèi)型溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器測(cè)溫原理是通過(guò)溫度對(duì)內(nèi)部的高、低溫系數(shù)振蕩器的頻率影響來(lái)測(cè)量的，計(jì)數(shù)器與預(yù)先設(shè)置的基數(shù)值比較，若計(jì)數(shù)器在高溫系數(shù)振蕩器輸出的門(mén)周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，則溫度寄存器的值就增加1℃。DS18B20溫度采集后將溫度轉(zhuǎn)換成12 bit二進(jìn)制數(shù)輸出并存儲(chǔ)兩個(gè)8 bit的RAM中，二進(jìn)制數(shù)前5 bit為符號(hào)位，若測(cè)量的溫度大于0則全為0，反之則全為1[10]。傳感器連接外圍電路圖與測(cè)溫模塊原理圖如圖5和圖6所示。

圖5 傳感器連接外圍電路圖

圖6 測(cè)溫模塊原理圖

1.5 電源設(shè)計(jì)

電源部分采用分區(qū)供電設(shè)計(jì)。光源與外設(shè)獨(dú)立供電，單片機(jī)由電池單獨(dú)供電，在待機(jī)模式下只有單片機(jī)工作，功耗可達(dá)微瓦級(jí)，電源部分結(jié)構(gòu)如圖7所示。電池部分采用雙向Buck-Boost開(kāi)關(guān)變換器，原理圖如圖8所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S1正常工作且S2斷開(kāi)時(shí)，電感電流流經(jīng)過(guò)S2體二極管，此時(shí)電路工作在Boost電路，蓄電池供電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S2正常工作且S1斷開(kāi)時(shí)，電感電流流經(jīng)過(guò)S1體二極管，此時(shí)電路工作在Buck電路，蓄電池充電。

圖7 電源供電結(jié)構(gòu)圖

圖8 雙向Buck-Boost開(kāi)關(guān)原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 工作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)STM32F407的3種低功耗模式的特點(diǎn)，將系統(tǒng)的低功耗模式設(shè)計(jì)為3種，分別為休眠模式、停止模式和待機(jī)模式。

系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)軟件判斷，若在時(shí)間T1內(nèi)無(wú)操作或觸發(fā)休眠按鍵，則由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令，單片機(jī)對(duì)串口指令進(jìn)行解析，此時(shí)在中斷中對(duì)外設(shè)進(jìn)行操作。休眠模式下，光源強(qiáng)度降低到50%，微控制器關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)使能信號(hào)，蜂鳴器響一聲后關(guān)閉，風(fēng)扇速度降低到P1。操作完成后微控制器跳轉(zhuǎn)到休眠操作函數(shù)Sys_Enter_Sys_Sleepy()，進(jìn)入休眠模式。

若在時(shí)間T2內(nèi)無(wú)操作或觸發(fā)停止按鍵，則單片機(jī)對(duì)相應(yīng)外設(shè)做具體操作，光源強(qiáng)度降低到10%，微控制器關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)使能信號(hào)，蜂鳴器響兩聲后關(guān)閉，單片機(jī)對(duì)溫度傳感器讀數(shù)值進(jìn)行判斷。若環(huán)境溫度在C1閾值內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)可調(diào)風(fēng)扇速度P1，若環(huán)境溫度在C2閾值內(nèi)時(shí)；對(duì)應(yīng)可調(diào)風(fēng)扇速度P2；若溫度達(dá)到C3時(shí)，可調(diào)風(fēng)扇速度對(duì)應(yīng)低速P3。操作完成后微控制器跳轉(zhuǎn)到停止操作函數(shù)Sys_Enter_Sys_Stop()，進(jìn)入停止模式。

若通過(guò)上位機(jī)觸發(fā)待機(jī)按鍵，系統(tǒng)切斷光源、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器、風(fēng)扇等外設(shè)供電，此時(shí)電池單獨(dú)給單片機(jī)供電，由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送指令，單片機(jī)對(duì)串口指令進(jìn)行解析，操作完成后微控制器跳轉(zhuǎn)到待機(jī)操作函數(shù)Sys_Enter_Sys_Wait()，進(jìn)入待機(jī)模式。

2.2 程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)(微控制器)設(shè)計(jì)采用STM32F407，軟件編譯設(shè)計(jì)采用Keil Software公司出品的Keil C51，Keil通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(μVision)將C編譯器、宏匯編、鏈接器、仿真調(diào)試器以及庫(kù)管理等組合在一起，目標(biāo)代碼效率高，匯編代碼緊湊。系統(tǒng)工作流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程圖

休眠模式具體操作部分下位機(jī)代碼下：

void Sys_Sleepy(void)

{

SCB->SCR |=0X00; //進(jìn)入退出低功耗狀態(tài)特性

#if defined ( __CC_ARM ) //識(shí)別編譯器宏，KEIL自帶編譯器

__force_stores();

#endif

/* Request Wait For Interrupt */

__WFI();

}

//系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式

void Sys_Enter_Sys_Sleepy(void)

{

// RCC_APB2PeriphResetCmd(0X01FC,DISABLE); //復(fù)位所有IO口

Sys_Sleepy();

}

系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于C#語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、光譜采集與顯示，以及進(jìn)入低功耗模式與喚醒功能。操作界面如圖10所示。

圖10 操作主界面

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 基線(xiàn)漂移

基線(xiàn)穩(wěn)定性是系統(tǒng)相對(duì)參比掃描所得基線(xiàn)的漂移程度。在室溫25℃，儀器預(yù)熱30 min后，掃描標(biāo)準(zhǔn)白板光譜。采樣波長(zhǎng)范圍900～1700 nm，波長(zhǎng)間隔1 nm，每隔5 min連續(xù)2次采集參比白板光譜，將2次采集參比白板光譜在每1個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)處相除再乘上100%得到1條基線(xiàn)[11]，連續(xù)測(cè)量2 h，總計(jì)24條光譜數(shù)據(jù)。用所測(cè)得的光譜數(shù)據(jù)的各個(gè)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)價(jià)基線(xiàn)漂移程度，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式如式為：

(1)

圖11 900nm～1700nm范圍內(nèi)參比100%T線(xiàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

由圖11可知，除去尾端波長(zhǎng)點(diǎn)基線(xiàn)漂移嚴(yán)重外，1000～1600 nm參比的100%線(xiàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.000 2～0.0006之間，基線(xiàn)穩(wěn)定性較高。

3.2 穩(wěn)定性

穩(wěn)定性指在同樣的外界條件下，性能保持不變的能力。在室溫25℃，儀器預(yù)熱30 min后，掃描標(biāo)準(zhǔn)白板光譜，采樣波長(zhǎng)范圍900～1700 nm，波長(zhǎng)間隔1 nm，每5 min保存1次光譜信號(hào)，連續(xù)測(cè)量2 h，總計(jì)24條光譜數(shù)據(jù)。多次采集中探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度變化如圖12所示。

圖12 探測(cè)器信號(hào)強(qiáng)度變化圖

由于每次光譜采集數(shù)據(jù)相當(dāng)接近，因此采用各波長(zhǎng)處的光強(qiáng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)定性，由圖13可知，除尾端相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大外，其余各個(gè)點(diǎn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在0.002以下。

圖13 各波長(zhǎng)點(diǎn)處光強(qiáng)變化相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

3.3 實(shí)際功耗檢測(cè)

測(cè)試使用電流表測(cè)量設(shè)備待機(jī)時(shí)消耗的電流，該方案用來(lái)測(cè)量設(shè)備在休眠模式的工作電流，精度較高。測(cè)試連接示意圖外設(shè)PCB板如圖14、圖15所示。

圖14 測(cè)試連接示意圖

圖15 外設(shè)PCB板

在低功耗設(shè)計(jì)前系統(tǒng)整體工作功耗約為48 W，持續(xù)工作時(shí)間約4 h。經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的部分部件的功耗如表1所示，在達(dá)到停止模式后功耗將降至微瓦級(jí)，光譜儀在硬件以及電路部分有約8 W的降耗。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在低功耗設(shè)計(jì)后系持續(xù)工作時(shí)間有了較大延長(zhǎng)，正常工作模式配合低功耗模式下持續(xù)工作時(shí)間約7～8 h，低功耗模式下待機(jī)時(shí)間可達(dá)10 h。

表1 部分功耗測(cè)試 W

4 結(jié)束語(yǔ)

在以降低功耗為目的的光譜儀工作模式和電路設(shè)計(jì)中添加溫度傳感器和光源能量可調(diào)模塊，并且采用電源分區(qū)供電，根據(jù)STM32F407的低功耗特性及工作模式設(shè)計(jì)了3種工作工作模式，配合外設(shè)、上位機(jī)與光譜儀實(shí)現(xiàn)近紅外光譜儀器系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)性能與功耗試驗(yàn)，光譜儀穩(wěn)定性好、基線(xiàn)穩(wěn)定，滿(mǎn)足儀器性能要求，且系統(tǒng)在低功耗設(shè)計(jì)后持續(xù)工作時(shí)間有了明顯的延長(zhǎng)。