楊曉婭

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州450001）

引 言

傳統(tǒng)的紫外光譜檢測(cè)系統(tǒng)采用單通道光電倍增管作為光電接收器件，由波長掃描機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波長掃描，完成整個(gè)波長范圍內(nèi)的光電檢測(cè)。這種光電檢測(cè)系統(tǒng)，體積龐大、測(cè)量速度慢，只能做單波長檢測(cè)［1-2］。光電二極管陣列屬于多通道檢測(cè)器件，因其具有體積小、單片集成信號(hào)讀出電路、光譜響應(yīng)寬等特點(diǎn)［3-5］，可廣泛應(yīng)用于各類多通道光譜檢測(cè)系統(tǒng)，目前大多數(shù)光電二極管陣列多采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件控制光電二極管時(shí)序電路的產(chǎn)生，會(huì)造成資源上的浪費(fèi)。本文采用一片單片機(jī)80C52就能夠完成包括光電二極管時(shí)序的產(chǎn)生、ADC 采樣及數(shù)據(jù)傳輸處理整個(gè)過程，解決了采用現(xiàn)場(chǎng)可編程器件資源浪費(fèi)的問題，節(jié)省了成本。

本文所采用的光電二極管陣列是日本濱松公司生產(chǎn)的S3923-256Q，S3923-256Q 具有較大的波長響應(yīng)范圍，能夠響應(yīng)200～1 000nm 范圍波長，最大暗電流只有0.08 pA，當(dāng)波長λp＝600nm 時(shí)，陣列靈敏度為2.4A／W。光敏面積大，S3923-256Q 的像元高度可以達(dá)到0.5 mm，寬度為25μm，光電二極管陣列S3923-256Q 將數(shù)字移位寄存器、有效光電二極管陣列和啞元二極管陣列集成在一起，使得S3923-256Q 能夠在時(shí)序電路的控制下完成自掃描的過程，從而提高了響應(yīng)速度，能夠響應(yīng)0.1～500kHz的信號(hào)，電路靈活性強(qiáng)。其功耗僅有10mW，適用于做微弱光信號(hào)檢測(cè)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

以單片機(jī)為控制芯片的光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 光電二極管陣列總體框圖

測(cè)試樣品在激光的照射下發(fā)出微弱的光信號(hào)，經(jīng)過光學(xué)分光系統(tǒng)分離出不同波長范圍的光，由光電二極管陣列接收處理。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)產(chǎn)生光電二極管陣列S3923-256Q 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使S3923-256Q 產(chǎn)生響應(yīng)并輸出相應(yīng)波長所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口，最終由上位機(jī)進(jìn)行處理。

1.2 光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

圖2為光電二極管的驅(qū)動(dòng)電路［6-8］，通用驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)的輸入／輸出口直接產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，由軟件控制脈沖的時(shí)序，該方法的優(yōu)點(diǎn)是脈沖產(chǎn)生靈活方便。

圖2 光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路

1.3 前置放大器模塊

放大器OPA111是高精度運(yùn)算放大器，電阻經(jīng)激光矯正，使其輸入偏置電流和輸入補(bǔ)償電流最大只有幾個(gè)pA，輸入最大電流噪聲為，最大電壓噪聲為80，適用于微弱光檢測(cè)前置放大電路。

前置放大器模塊主要是由OPA111組成的儀表放大器，此電路利用差分的方法同時(shí)抵消溫漂和暗電流的影響。

OPA111構(gòu)成的精密儀表放大器如圖3所示。

圖3 OPA111構(gòu)成的精密儀表放大器

放大器增益為：

儀表放大器輸出電壓為：

經(jīng)過儀表放大器后的信號(hào)有效地減少了溫漂和暗電流的影響，但對(duì)于nW 級(jí)信號(hào)來說，儀表放大器若放大倍數(shù)太大，放大器自身仍會(huì)引入較強(qiáng)溫漂等噪聲信號(hào)。若要將信號(hào)送往ADC處理，需要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理?？梢圆捎糜蒓P07組成的同相比例運(yùn)算放大電路，通過不同開關(guān)控制反饋電阻大小得到所需的放大倍數(shù)，使其能夠控制在A／D采樣輸入電壓范圍內(nèi)，有利于ADC的采樣和處理。

2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)初始化后，首先產(chǎn)生光電二極管驅(qū)動(dòng)脈沖，與此同時(shí)建立一個(gè)中斷脈沖啟動(dòng)信號(hào)，使中斷響應(yīng)與二極管陣列時(shí)序驅(qū)動(dòng)輸出同步，以便響應(yīng)中斷后能夠迅速控制ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高讀取速度，可以把單一數(shù)據(jù)的傳輸以頁寫的方式批量讀取，并給每一頁編號(hào)，最終由上位機(jī)完成整頁數(shù)據(jù)的疊加，從而可以有效地消除隨機(jī)噪聲。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

2.1 光電二極管陣列時(shí)序產(chǎn)生

利用單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生光電二極管S3923-256Q控制時(shí)序，用均分的方法把光電二極管陣列時(shí)序每個(gè)周期分為10 段（A～I(xiàn)表示不同的狀態(tài)），每一段定時(shí)為100 μs，從而產(chǎn)生周期為t＝10×100μs＝1ms（頻率為f＝1／t＝1kHz）的時(shí)序脈沖?？梢酝ㄟ^改變定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的長短value＿h(yuǎn)和value＿l的值，更改光電二極管陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)序頻率。時(shí)序產(chǎn)生部分程序如下：

num 實(shí)現(xiàn)A～I(xiàn)狀態(tài)的切換，其中b表示在沒有重新啟動(dòng)時(shí)，每次進(jìn)入定時(shí)器中斷時(shí)切換到某一特定狀態(tài)值。當(dāng)256個(gè)陣列掃描結(jié)束后，新的一輪開始。光電二極管的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖5所示。TRIG 信號(hào)在每次光電二極管陣列產(chǎn)生視頻信號(hào)輸出之后復(fù)位之前，此時(shí)觸發(fā)單片機(jī)中斷，從而控制ADC開始轉(zhuǎn)換。

圖5 光電二極管陣列的驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生圖

2.2 模擬量控制通道

模擬量控制通道是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制傳輸?shù)闹匾K，本文設(shè)計(jì)的模擬控制量控制通道采用單極性0～10V 電壓輸入，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為25 μs 的8／12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MX574。圖6 給出了MX574 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取時(shí)序。ADC開始工作時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換程序，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志為置1（即STS＝1）時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)開始讀取，整個(gè)過程不到50μs，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)的傳送給上位機(jī)。

MX574的8位轉(zhuǎn)換時(shí)序如下：

圖6 MX574轉(zhuǎn)換和讀取時(shí)序圖

MX574同時(shí)支持8位和12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)序相同，在數(shù)據(jù)讀取時(shí)12位轉(zhuǎn)換要先讀高8 位，讀完高8 位再讀低4 位。系統(tǒng)中采用RS232通信模式，接收A／D采樣轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)通過串口直接傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理，最終顯示輸出數(shù)據(jù)波形。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室所用發(fā)光光源為紅色LED 照射，發(fā)光功率大約為1nW，肉眼可以看到發(fā)出極其微弱的紅光，圖7為光電二極管檢測(cè)到的光譜圖。從圖中可以看出在680nm 附近采集到的電壓值最高，即在680nm 附近紅光的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)。

圖7 紅光光譜測(cè)量

結(jié) 語

完成了在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，由上位機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，可以實(shí)現(xiàn)光譜的檢測(cè)。由于光電二極管陣列對(duì)不同波長的光靈敏度不同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還需進(jìn)一步矯正，使其能夠更接近真實(shí)值。

實(shí)驗(yàn)中不可避免地會(huì)引入各種干擾，尤其是50Hz基波及二次諧波干擾最嚴(yán)重，能夠達(dá)到mV 級(jí)，因此檢測(cè)電路必須用金屬外殼屏蔽。另外，摩擦電、外界震動(dòng)、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移，要盡可能嚴(yán)格的連接，避免電纜的振動(dòng)。優(yōu)質(zhì)的低噪聲或滲露電纜也可縮減泄露電流，并盡可能縮短輸入連接線路。

［1］李曉坤.精密光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案［J］.電子產(chǎn)品世界，2003（23）：37-39.

［2］王程，張維，牛文成，等.用于SPR 檢測(cè)的自消噪光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)電路［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（4）：522-526.

［3］Brinckmann E.New facilities and instruments for developmental biology research in space［J］.Developmental Biology Research in Space，2003（9）：253-280.

［4］黃遷，張濤，鄭偉波.基于FPGA 的光電二極管陣列驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（16）：3659-3663.

［5］王昊，賴康生.基于DSP的光電二極管陣列信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（5）：23-24.

［6］萬峰，范世福.Hamamatsu圖像傳感器及其在紫外可見光譜測(cè)量中的應(yīng)用［J］.分析儀器，2006（1）：49-51.

［7］張國偉.基于CPLD 的多線陣探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009（2）：287-289.

［8］汪濤，鮑健.基于NMOS線性圖像傳感器的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2009（1）：63-68.