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摘 要:为解决目前颜色测量仪器测速慢、体积大的问题,采用先进的颜色测量方法———光电摄谱法,设计了一种微型测色分光光谱仪。仪器由光学系统、信号采集与处理电路、测色软件三部分组成。阐述了系统的总体设计。采用线阵CCD(TCD1304AP)作为光电探测器,采用ARM嵌入式处理器作为中心处理器件,仅在一片LPC2214上完成了CCD的驱动及信号采集存储系统设计,并选择USB作为数据传输设备,从而有效地减小了仪器的体积。结果表明此仪器测量精度高,测量速度快,方便携带。 0 引 言
颜色可以作为评定许多产品质量的重要指标,所以相应的颜色测量仪器也广泛地应用于诸多领域。但传统的仪器由于体积庞大、造价昂贵,因此研制一种测量精度高、速度快、便携的颜色测量仪器是其发展的必然趋势。
颜色测量方法有目视法、光电积分法和分光光度法3种[1,2]。分光光度法分为光电扫描法和光电摄谱法。光电摄谱法通过分光系统,用多通道光电探测器同时探测全波段光谱,是目前最先进的测色方法[3]。随着光谱仪器的发展,在颜色测量中可以使用光谱仪替代复杂的分光光度仪器系统,同样能够保证较高的精度。本文采用光电摄谱法设计了一种微型测色分光光谱仪,它是通过比较标准白板和样品在相同波长上反射的辐射功率,得出样品的光谱反射比,并由此计算出颜色参数。在保证较高测量精度的同时,大大简化了传统的基于大型分光光度计或光谱仪的此类系统的结构,降低了颜色测量对测量硬件的要求,且提高了测量灵活度。
1 微型测色分光光谱仪总体设计
仪器主要由光学系统、电路部分和计算机软件三部分组成。物体的光线进入光栅,经分光并反射聚焦后,进入线阵CCD。CCD由ARM处理器获得驱动时序,通过光电转换得到相应的电信号;模拟信号通过放大后再进行A/D转换,将转换后的结果通过USB传送给计算机;最后由计算机对数据进行进一步的分析。图1是仪器整体设计框图。
1.1 光学系统设计
由于特殊的微型化设计要求,在微型测色分光光谱仪的设计中,使用了反射式平面衍射光栅,并与凹面反射镜相结合,一个凹面镜起到了准直聚焦双重作用。这种结构使得仪器的体积大大减小。
该仪器的光路结构如图2所示,采用D/O照明条件,在积分球后加聚焦透镜,可使样品的光能会聚到狭缝上。用平面反射镜做第一次光反射,光线反射到凹面镜上,此时凹面镜起到准直作用,然后准直光线入射到平面反射光栅上发生衍射,分光后再次反射到凹面镜上,凹面镜再次对光线进行会聚,最终使光线成像于接收器处。其中,光源部分采用2个6V,10W卤钨灯。为了使光源更加稳定,给光源提供单独的恒流源供电。另外,由于钨丝灯的蓝光响应较低,试验中采用了加滤色片的方法。
1.2 电路设计
电路原理框图如图3所示。
1.2.1 CCD的选择
在选择CCD器件时,主要注意以下几方面的参数:像元数、光谱响应范围、灵敏度、动态范围、不均匀性等。对于同样的视场,CCD像元数越多,系统像方的分辨率越高,但同时CCD的电荷转移效率却会下降;选用的CCD器件的光谱响应范围应覆盖仪器要求的光谱范围;器件灵敏度的选择应当综合考虑动态范围的选择,动态范围较低的器件即使具有很高的灵敏度也无法发挥其优势,同时太高的灵敏度也会使噪声水平很高,不利于谱线分析[4];CCD的像元是由光敏材料制成,由于材料本身性能所限,在光电转换时,CCD的各像元存在响应非均匀性及单个像元响应的非线性问题,这些都将对测量精度产生影响[5],选择器件时,应选用响应非均匀性低、线性度好的器件。在选择CCD器件时,价格也是必须考虑的因素。专门做光谱分析用的CCD器件价格昂贵,会导致仪器成本太高,制约其推广应用。因此要求的器件应当在完成所需功能的基础上具有适中的价格。
基于以上因素的考虑,本仪器采用TOSHIBA公司的TCD1304AP。TCD1304AP是具有高灵敏度和低暗电流的3648像元的线阵CCD,内置采样保持电路,驱动电压最低值为3.0V,它由3694个Pn结光电二极管构成光敏元阵列,其中前31个和后14个是用作暗电流检测而被遮蔽的,中间的3648个光电二极管是曝光像敏单元,在可见光范围内,它的光谱响应值很高,在400~700nm之间都在80%以上。
1.2.2 处理器的选择
目前常用的8位单片机成本低,但是处理速度较慢,且片上资源较少,开发起来很不方便。DSP处理器速度较高,但价格比较昂贵。近几年来ARM处理器发展迅速,它的处理速度快,外围接口齐全,价格低廉,广泛地应用于工业控制、智能系统等嵌入式设备中[6]。本系统充分考虑了要使用的外围接口及成本,选择了基于ARM7内核的32位微处理器LPC2214,该芯片集成了多种外围电路功能,如定时器、脉宽调制器、串口通讯等,用它作为核心处理器来进行系统的硬件设计,仅在一片LPC2214上完成了CCD的驱动及信号采集存储系统设计,从而实现了仪器的微型化。
1.2.3 A/D转换器的选择
该光谱仪器采用高速CCD器件进行光谱采集,所以对A/D转换器的转换速度也提出了要求,另外还考虑到代码执行的延迟,要求转换速度不能低于300K。因此采用了精度高、功耗低且转换速度快的TI公司ADS8322芯片。它是16位并行输出的高速度高分辨率的A/D转换器,低功耗,转换速度为500K,具有内部基准电源和采样保持电路,它的转换方式属于逐次逼近式[7]。
1.3 系统软件的设计
本系统软件包含两部分:一是ARM处理器LPC2214中的程序,为C语言编写,主要功能是实现CCD的驱动时序、A/D转换器控制与读取、数据采集发送、指令接收等,是整个系统的核心部分;二是PC机上的数据处理程序,该程序用VB编写,主要功能是给仪器发送指令和接收仪器发送的数据,并对数据进行处理,如绘制曲线,波长标定等。
1.3.1 CCD驱动时序的实现
线阵CCDTCD1304AP的典型驱动电路主要包括输入端积分清除栅(ICG)、时钟(ΦM)、转移栅(SH)几个输入信号,本系统采用的时钟频率ΦM=0.8MHz,通过LPC2214定时匹配反转产生CCD-CLOCK,再经反相器即可得到ΦM。通过LPC2214的单边沿脉宽调制和双边沿脉宽调制配合产生CCDICG和CCDSH,然后再经过外围的逻辑电路整形来产生ICG和SH。
(1)时钟频率产生方式
时钟通过定时匹配反转产生,定时器对外设时钟(pclk)周期进行计数。该系统外设时钟为11.0592MHz×4。匹配控制器T0MCR=0×10,即当匹配时定时器复位,不产生中断。控制寄存器设置为匹配反转,计数器反转的值为T0MR1=27。
(2)转移栅SH和积分清除栅产生方式
转移栅SH和积分清除栅(ICG)是通过单边沿脉宽调制和双边沿脉宽调制配合,并通过外围的逻辑电路整形来实现的。积分时间(SH控制)的动态范围为10μs~100ms,是通过单边沿脉冲宽度调制信号周期为100ms,也就是一秒钟有10帧,由PWMMR0控制。实现程序为
PWMMR6=CCDSHL。
当匹配寄存器PWMMR0的值与PWMTC的值相等时复位,开始下一个周期,PWMMR1的值为ICG的上升沿,PWMMR2为ICG信号的下降沿。设置寄存器PWMMR1,PWMMR2和PWMMR6的值,使它们的关系满足CCD时序图中的要求。中断寄存器PWMIR =0×04,也就是中断寄存器PWMMR2的值与定时器匹配时产生中断。进入中断服务程序,在中断服务程序中进行光谱数据的A/D转换,并将数据发送到UART0端口。CCD的积分时间由PC机向USB口发送指令,LPC2214的UART0在中断服务程序中接收并调整PWM-MR1,PWMMR2和PWMMR6。
1.3.2 A/D转换器的使用
LPC2214可以提供外部存储器功能,选用的ADS8322为并口总线数据接口,属于外部I/O器件,因此把ADS8322当作是LPC2214的外部RAM一样读取数据访问即可。采用LPC2214的定时器作为A/D转换器时钟源,把CONVST即ADS8322转换开始信号接到存储器的写使能即WE上,即可通过对A/D进行一次写操作来开始A/D转换,把相应数据线与LPC2214对应接好,那么该硬件接口和外部存储器就一样了。
在软件设计中,只需下面简单函数的语句就可以对ADS8322器件进行读取了:
1.3.3 波长定标
对本系统而言,采用CCD探测器作为分光光谱仪的接收器件,那么系统的波长定标就是要找到探测器各像元与波长的对应关系[8]。由于在实际仪器设计中难免会有一些误差,这样就很难再用简单的光栅公式直接预测波长的具体位置[9,10]。本仪器用3阶拟合就可以达到光谱测量的精度要求。这里选用低压汞灯进行简单的光谱标定,选用的谱线有4条,它们对应的CCD像素序号如表1所示。
实验中采用这4组数据进行最小二乘拟合和三次多项式拟合,继续分析拟合精度。实验中采用了钠光光源中比较强的589.0nm和汞灯的435.8nm进行验证,计算得出的结果经与实测钠光源光谱位置比较后的结果如表2所示。
从表2可以看出,两者误差在0.2nm以下。由此说明使用三次多项式拟合的算法可以对该光谱仪进行比较精确的波长定标。
2 结 论
本文设计的微型测色分光光谱仪,波长范围为380~780nm,测定波长间隔为10nm,转移一桢信号所用的时间为18.47ms,与示波器上观察的效果相同。开机约15min后,测试结果开始变得较为稳定。15min后开始测量,通过多次测量,该仪器的重复性小于0.2,稳定性小于0.2,色度总不确定度小于0.002。
本仪器具有测量精度高、响应速度快、数据采集处理快捷方便、体积小、重量轻、便于携带、使用方便等特点,在以往无法应用颜色测量仪器的领域,通过测色仪的小型化可以实现许多新的应用,具有很大的发展潜力。 |
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