多通道拉曼光譜儀的主控系統(tǒng)設(shè)計

胡翰文，薛 萌，郭漢明

（上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

拉曼光譜由光照射到物質(zhì)上散射而形成，能夠反映出物質(zhì)的獨特信息［1］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)在生物、醫(yī)療、食品、化學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域［2-3］具有廣泛應(yīng)用，激光共聚焦拉曼顯微技術(shù)是拉曼光譜技術(shù)發(fā)展的重要分支，其成像具有精度高、無損、能夠獲得物質(zhì)的三維圖像結(jié)構(gòu)等特點［4-5］。拉曼信號十分微弱，約為瑞利散射的百萬分之一，因而在共聚焦顯微拉曼光譜儀中，圖像傳感器的選擇十分重要。探測光信號的光電轉(zhuǎn)換器有很多種類，如電荷耦合器件（Charge Coupled Device）［6］、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor）［7］、銦鎵砷圖像傳感器（Ingaas Image Sensor）［8］等。CCD 具有靈敏度高、量子效率高、動態(tài)范圍大等特點［9］，已廣泛用于拉曼光譜探測。CMOS 器件可靠性、集成度高，且功耗低［10］，在半導(dǎo)體成像器件領(lǐng)域占據(jù)了大量市場。銦鎵砷圖像傳感器在近紅外波段（0.9～1.7 μm）具有極高的光譜轉(zhuǎn)換效率，是近紅外波段的拉曼光譜探測的主要光電轉(zhuǎn)換器件［11］。本系統(tǒng)采用面陣CCD 和線陣銦鎵砷圖像傳感器作為光電轉(zhuǎn)換器，符合多波長激光光譜探測要求。

光譜采集系統(tǒng)通常使用一種圖像傳感器進(jìn)行探測，如康臻等［12］完成了高分辨率光譜儀線陣CCD 采集系統(tǒng)設(shè)計，黃進(jìn)楠等［13］完成了基于線陣CCD 與小波去噪的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究。單一圖像傳感器系統(tǒng)可探測的激發(fā)光波長范圍有限，超過該范圍，圖像傳感器的感光靈敏度會大幅下降，應(yīng)用于光譜儀中將會導(dǎo)致該波段范圍的拉曼光譜失真。本文設(shè)計的多通道圖像傳感器系統(tǒng)彌補了單個圖像傳感器光譜成像上的不足，滿足了寬波長范圍光譜探測需求，實現(xiàn)了多個通道之間的自由切換。關(guān)于多通道圖像傳感器系統(tǒng)研究，張克寒等［14］完成了高清CMOS 圖像傳感器多通道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計，姜健等［15］完成了多通道TDICCD 衛(wèi)星遙感相機圖像噪聲分析與處理，上述系統(tǒng)分別采用了面陣、線陣圖像傳感器。本文采用面陣和線陣兩種圖像傳感器類型，既能夠?qū)崿F(xiàn)采集更大的像素范圍，又能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率。系統(tǒng)設(shè)計具有較高的性價比，較同類設(shè)計而言避免了資源浪費。系統(tǒng)采用兩種圖像傳感器組合的方式實現(xiàn)了多種波長激光拉曼信號檢測，并利用STM32 和FPGA 兩種芯片聯(lián)合實現(xiàn)了光譜的采集和傳輸，若需要更換其他型號圖像傳感器，只需修改部分設(shè)計即可，具有很好的兼容性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

多通道拉曼光譜儀主控系統(tǒng)采用STM32F407 作為光譜采集系統(tǒng)的控制芯片，完成指令控制、通道的切換以及光譜信號處理及傳輸；PC 上位機端負(fù)責(zé)產(chǎn)生指令以及對返回的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理；圖像傳感器模塊的FPGA芯片負(fù)責(zé)驅(qū)動圖像傳感器、實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

Fig.1 Block diagram of system design圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

光譜采集的完整過程為：①PC 端上位機發(fā)送指令，STM32 對指令進(jìn)行識別；②STM32 端控制四路激光器模塊單路開啟激光并照射到待測物質(zhì)上；③STM32 控制四路電機模塊，選擇相應(yīng)通道并調(diào)整濾光片，過濾掉雜散光信號；④4STM32 選擇相應(yīng)通道并控制圖像傳感器模塊采集光譜信號；⑤FPGA 端收到采集指令后，驅(qū)動A/D 轉(zhuǎn)換芯片和圖像傳感器工作，圖像傳感器開始采集光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電信號經(jīng)過信號處理電路以后轉(zhuǎn)化成光譜數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)返回到STM32 控制板；⑥STM32 控制板對返回的光譜數(shù)據(jù)識別后傳回上位機，經(jīng)過上位機端算法處理顯示光譜。利用C 語言編寫相關(guān)程序，所設(shè)計系統(tǒng)的軟件框圖如圖2所示。

Fig.2 Block diagram of software design圖2 軟件設(shè)計框圖

為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)錯亂的情況，系統(tǒng)利用軟件對圖像傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別。不同圖像傳感器像元的個數(shù)不同，傳回STM32 端的數(shù)據(jù)長度也不一樣。如S11511-1106 型CCD 返回的數(shù)據(jù)長度為4 142 個字節(jié)，G14237-512WA 圖像傳感器返回的數(shù)據(jù)長度為1 030 個字節(jié)，以此分辨不同圖像傳感器的類型。

2 模塊設(shè)計

2.1 四通道圖像傳感器模塊

S11511-1106 型背照式面陣CCD 在532～785 nm 激光波長范圍內(nèi)的量子效率達(dá)到65%以上［16］；G14237-512WA型InGaAs 線陣銦鎵砷圖像傳感器在1 064 nm 激光波長量子效率達(dá)到70% 以上［17］。根據(jù)上述內(nèi)容，系統(tǒng)采用S11511-1106 型CCD 探測532 nm、633 nm、785 nm 3 種激光的拉曼散射信號，G14237-512WA 型圖像傳感器探測1 064 nm 激光的拉曼散射信號。下文對四通道圖像傳感器模塊分為供電和通信兩部分進(jìn)行介紹。

單個圖像傳感器模塊工作電流為0.2～0.4 A，工作電壓為8～9 V，在進(jìn)行電源芯片選型時，需留出足夠的電流裕量。設(shè)計采用TLV767-Q1 芯片對單路的像元采集模塊進(jìn)行供電，TLV767-Q1 是一款寬輸入電壓范圍和寬輸出電壓范圍的LDO［18］，輸入電壓范圍是2.5～16 V，輸出電壓范圍是0.8～12 V。芯片能夠處理高達(dá)1 A 的電流負(fù)載，電壓階躍僅為100 mV。TLV767-Q1 的外圍電路如圖3 所示，引腳5 為使能端，連接到了STM32 的通用IO 口上，用于控制芯片的禁用和導(dǎo)通。

Fig.3 Power supply circuit of image sensor圖3 圖像傳感器供電電路

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，在單路激光器開啟的情況下，需要對單路的圖像傳感器模塊進(jìn)行通信，進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)傳輸。STM32F407 芯片共有6 路串口資源，若每路圖像傳感器模塊都使用一路串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，會導(dǎo)致串口資源不足的情況。四選一數(shù)據(jù)選擇器可以極大節(jié)約串口資源，即使用一路串口即可實現(xiàn)四路的數(shù)據(jù)傳輸，僅利用IO 口即可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)切換功能。電路設(shè)計采用ADG804芯片和DG409 芯片實現(xiàn)四路圖像傳感器的數(shù)據(jù)通信，根據(jù)上述方案設(shè)計電路框架如圖4所示。

Fig.4 Frame of image sensor communication circuit圖4 圖像傳感器通信電路框架

串口分為發(fā)送和接收兩部分，利用ADG804 和DG409對通道進(jìn)行選擇。ADG804 為單四選一多路復(fù)用器，具有0.5 Ω 的超低導(dǎo)通電阻，其數(shù)字輸入電壓為2.7～3.6 V，芯片的開關(guān)切換時間25 ns，通過計算可得開關(guān)頻率為40 M，芯片開關(guān)速率符合串口通信設(shè)計需求。芯片ADG804具有單向?qū)ǖ奶匦?，僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸，還需要配合DG409芯片才能完成數(shù)據(jù)的雙向傳輸。DG409芯片為雙四選一多路復(fù)用器，具有雙向?qū)ǖ奶匦裕畲箢~定電壓可達(dá)44 V，可通過單電源或雙電源供電。芯片的使能端EN、圖像傳感器模塊的通道選擇端A0、A1 均由STM32 的IO 口實現(xiàn)控制。該系統(tǒng)設(shè)計的串口通信外圍電路如圖5所示。

Fig.5 Four-channel serial port communication circuit圖5 四通道串口通信電路

ADG804 的D 引腳和DG409 的Da 引腳分別為STM32端的串口發(fā)送和接收引腳，A0、A1 分別為通道選擇的高位和低位，在EN 為1 的情況下，A0、A1 值的00 至11 分別對應(yīng)1至4通道和數(shù)據(jù)引腳的導(dǎo)通。

STM32 軟件部分負(fù)責(zé)對指令和光譜數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行判斷，返回錯誤信息，傳輸正確信息，格式判斷過程如圖6所示。格式判斷正確后，軟件執(zhí)行指令內(nèi)容，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。圖像傳感器模塊的指令內(nèi)容包含了通道選擇位、AD 采集精度位、積分時間位、單次或連續(xù)采集位，可以實現(xiàn)多通道選擇、AD 精度配置、積分時間分配的功能。光譜數(shù)據(jù)由起始字符、光譜字符、末尾字符構(gòu)成。根據(jù)返回光譜數(shù)據(jù)長度的不同，STM32 可以分辨不同型號的圖像傳感器。

Fig.6 Instruction format judgment block diagram圖6 指令格式判斷框圖

2.2 四通道激光器模塊

該系統(tǒng)設(shè)計的四通道激光器模塊使用了四款激光器，分別為：杏林睿光公司生產(chǎn)的532 nm 蝶形激光器、633 nm蝶形激光器、1 064 nm 蝶形激光器和大族銳波公司生產(chǎn)的785 nm 的蝶形激光器。532 nm、633 nm、785 nm、1 064 nm激光器連續(xù)輸出功率分別為100 mW、500 mW、600 mW、800 mW。設(shè)計采用恒流芯片TPS54200 進(jìn)行激光器模塊的電路設(shè)計，實現(xiàn)四通道激光器的恒流驅(qū)動。

TPS54200 芯片可選擇的調(diào)光方式有數(shù)字調(diào)光和模擬調(diào)光兩種，設(shè)計選擇了數(shù)字調(diào)光模式，通過調(diào)節(jié)PWM 波占空比以控制驅(qū)動激光器電流大小，外圍電路如圖7所示。

Fig.7 Laser drive circuit圖7 激光器驅(qū)動電路

圖7 中，流過R92 精密電阻的電流為通過激光器的電流，ILASER的計算公式如式（1）所示。

其中，VREF為參考電壓；Pduty為占空比，通過STM32 端輸出的PWM 波進(jìn)行調(diào)節(jié)；R 為R92 的電阻，可以通過改變R 的值實現(xiàn)對最大驅(qū)動電流的控制，通過切換R137、R86、R90、R138 電阻可以實現(xiàn)不同通道的切換。光譜采集必須保證激光器功率恰當(dāng)，避免出現(xiàn)噪聲過大的情況［19］。STM32 軟件部分實現(xiàn)了四通道激光器模塊的控制，激光器模塊的指令內(nèi)容包含了通道選擇位和重裝載值設(shè)置位，實現(xiàn)多通道選擇和恒流驅(qū)動的功能。激光器功率通過STM32 軟件控制PWM 波占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，數(shù)值可調(diào)范圍為0～560，如數(shù)值設(shè)置為280，則PWM 的占空比為50%。

2.3 四通道電機模塊

系統(tǒng)設(shè)計的電機電路用于旋轉(zhuǎn)相應(yīng)濾光片，濾除掉干擾光譜成像的雜散光。采用的電機型號為MOONS 公司的TSM11Q-S，電機使用Modbus 協(xié)議進(jìn)行通訊，由主機發(fā)起請求，從機發(fā)起響應(yīng)。電機支持RS422 全雙工和RS485 半雙工的連接方式。

電機所需的供電電壓為24 V，輸入電壓由直流電源提供，需要升壓芯片對直流電源電壓9 V 進(jìn)行處理；電機設(shè)計采用RS422 四線全雙工的通訊方式，需要選擇芯片實現(xiàn)串口轉(zhuǎn)RS422 協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。綜上所述，選擇了升壓芯片SGM6607 和MAX490 完成四路電機模塊的供電和通信設(shè)計。

SGM6607 芯片是一款DC/DC 升壓芯片，其輸入電壓范圍為3～20 V，輸出電壓高達(dá)38 V，負(fù)載電流為1.1 A，滿足電機供電的要求。通過設(shè)置R1 和R2 的阻值，可以控制輸出電壓的大小。

VOUT的計算公式由式（2）表示，所設(shè)計的SGM6607 外圍電路如圖8所示。

Fig.8 Motor supply circuit圖8 電機供電電路

MAX490E 芯片是一款專門用于RS-422/RS-485 協(xié)議轉(zhuǎn)換的芯片，其傳輸速度高達(dá)2.5 Mbps，支持全雙工通信。所設(shè)計的MAX490外圍電路如圖9所示。

Fig.9 Motor communication circuit圖9 電機通信電路

STM32 端連接MAX490E 芯片的串口收發(fā)引腳，A、B、Z、Y 引腳連接到電機RS422 協(xié)議端，用于實現(xiàn)和電機的通訊。通過MOONS 公司自帶的上位機軟件，配置每個電機的地址。通過SCL 指令，可以實現(xiàn)對電機寄存器的配置，設(shè)置電機的轉(zhuǎn)速、加速度、減速度、速度、目標(biāo)位置等，部分指令如表1所示。

Table 1 Motor control instructions表1 電機控制指令

STM32 軟件用于四通道電機控制，實現(xiàn)多個濾光片的切換。電機模塊的指令內(nèi)容包含了使能/禁用位、正/反轉(zhuǎn)位、旋轉(zhuǎn)角度位，分別實現(xiàn)電機的供電控制、旋轉(zhuǎn)的方向和角度。軟件部分首先對上位機的指令長度進(jìn)行識別，再利用中間數(shù)組實現(xiàn)指令單位的換算，利用字符拼接函數(shù)實現(xiàn)對地址、功能、數(shù)值的組合，最終通過RS422 協(xié)議發(fā)送廣播指令到電機。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 功耗測試

為了解系統(tǒng)設(shè)計的功耗情況，需要進(jìn)行相關(guān)實驗加以測試，功耗測試結(jié)果如表2 所示。實驗測得四通道圖像傳感器模塊工作時控制板功率為6～8 W。

Table 2 Power consumption test表2 功耗測試

除功耗測試外，供電電壓對于光譜儀的穩(wěn)定運行和精密測量也很重要，電壓誤差和紋波都會影響成像結(jié)果，因此還需要對控制板上的電壓和紋波進(jìn)行測量。使用示波器上的短線接地探針，在20 M 帶寬，10∶1 衰減、1 MΩ 探頭下［20］，測量電壓紋波，如表3所示。

Table 3 Voltage and ripple tests表3 電壓和紋波測試

由電壓測試結(jié)果可知，驅(qū)動電壓的誤差始終控制在1.5%以內(nèi)，實驗所測電壓誤差滿足系統(tǒng)對電壓的要求，電壓比較穩(wěn)定。紋波測試測量了電壓VP-P值的大小，將其換算成紋波系數(shù)，可以得到3.3 V、5 V、9 V、24 V 的紋波系數(shù)分別為1.26%、1.47%、1.15%、1.92%。4 種電壓的紋波系數(shù)始終控制在2%以內(nèi)，說明所設(shè)計的電源電路對紋波有良好的抑制效果，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

3.2 遮光實驗

為驗證四通道圖像傳感器系統(tǒng)能否完成四通道數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行圖像傳感器的遮光實驗，所用光源為白光，遮光實驗的實操部分如圖10所示。

Fig.10 Actual picture of shading treatment experiment圖10 遮光處理實驗實物圖

根據(jù)圖10 順序，對圖像傳感器進(jìn)行遮光處理，實驗時設(shè)置4 個通道的積分時間均為10 ms，AD 采樣精度設(shè)置為16 位。在同等的條件下，所得到的拉曼光譜顯示如圖11所示。其中，橫坐標(biāo)表示拉曼位移，波數(shù)范圍為0～2 068 cm-1；縱坐標(biāo)表示光譜強度，數(shù)值范圍為1～65 535。

Fig.11 Raman spectrum image of upper computer圖11 上位機端拉曼光譜圖像

從實驗結(jié)果可以看出，未進(jìn)行遮光處理的區(qū)域光譜強度明顯高于遮光區(qū)域，邊緣部分呈緩慢變化趨勢。通過上位機端發(fā)送指令，可以實現(xiàn)光譜的單次采集或者連續(xù)采集，四通道圖像傳感器光譜采集系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期功能，所測光譜穩(wěn)定性良好，能夠完成光譜的實時采集和通道的自由切換。

4 結(jié)語

本文完成了四路拉曼光譜儀的主控系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計的電源模塊輸出電壓穩(wěn)定，能夠有效抑制紋波，STM32芯片實現(xiàn)了各模塊的控制，F(xiàn)PGA 芯片完成了圖像傳感器光譜采集。最終，所得到的光譜信號能夠在短時間內(nèi)達(dá)到飽和，顯示效果合理。該系統(tǒng)解決了單一圖像傳感器在一定波段內(nèi)量子效率不足的問題，實現(xiàn)了對寬波段激發(fā)光拉曼信號的采集，在光譜儀研究領(lǐng)域具有一定應(yīng)用價值。