基于USB的光电二极管阵列数据设计介绍

早期的光电二极管阵列是利用分立的光敏二极管一次排列而成，再用引线引出正负极。这种阵列规模小，应用不便。随着半导体平面工艺和MOS工艺的成熟，在1976年实现了将光敏二极管阵列与移位寄存器、MOS多路开关等电路集成在同一硅片上，形成自扫描光电二极管阵列。器件的外部引线大为减少，引线数与阵列所含二极管单元数无关，阵列的各项性能指标提高，使用方便。因此本文介绍了一种基于USB的光电二极管阵列数据采集系统的设计方案。本系统以DSP作为核心，光电二极管阵列的曝光时间和模拟处理电路增益程序可调，采用16位高精度高速模数转换器完成对光电二极管阵列视频信号的精确测量。DSP将采集到的视频数据通过USB接口实时传输给上位计算机，由其来完成视频数据的处理，显示和存储。

1.光电二极管

光电二极管阵列是当前光学多通道探测系统中使用最广的探测器之一。它具有体积小，响应时间快，积分时间可变，无滞后效应，输出噪声低，动态范围大，光谱响应宽等优点。为了数据处理方便，一般需将光电二极管阵列的视频信号数字化并传输给计算机进行处理。但由于其视频信息数字化以后，数据量相对较大，需要一种高速的数据传输方式。而USB总线传输速度较快，有1.5Mbit/s.12Mbit/s和480Mbit/s3种速度，能够满足光电二极管阵列数据传输的需要。

2.硬件设计

总体结构如图1，虚线框内是数据采集系统，主要由以下几部分构成：模拟处理电路，模数转换器，数字信号处理器(DSP)，复杂可编程逻辑(CPLD),随机存储器(RAM)和USB接口电路等构成。光电二极管阵列经过一段时间曝光后，在驱动电路的驱动下输出视频信号。视频信号经过低噪声模拟处理电路处理后，送到高精度高速模数转换器进行模数转换。DSP将转换得到的视频数据通过USB接口上传到上位计算机，完成视频数据的处理、显示和存储。

图1数据采集系统框图

光电二极管阵列采用的是S3904系列产品。S3904是一种专门为多道光谱探测设计的自扫描光电二极管阵列。它的频谱响应范围为200~1100nm，每个像素的大小为25pmx2.5mm，单元数有256.512和1024。室温时暗电流最大为0.3pA，最大输出电荷量约为25pC，饱和曝光量为180mlxs。

驱动电路是专门为其设计的低噪声驱动电路。驱动电路将感光二极管阵列和补偿二极管阵列输出的信号，经过积分放大处理后再进行差动放大，降低瞬态干扰和暗电流噪声。采样保持电路对视频信号和噪声分别进行采样和保持，抵消掉视频信号中的模拟处理电路漂移和噪声，并且在电压保持的同时触发多次模数转换信号，以利于模数转换电路的数据采集和降噪处理。驱动电路的接口时序如图2所示。START信号用来控制视频数据采集的开始，由驱动电路内部根据此信号生成光电二极管阵列所需的启动信号。它可以用来控制光电二极管阵列的曝光时间，Φst信号用来通知DSP视频信号输出已经开始。START信号由TMS320LF2407A的TIPWM直接产生，Φst和TMS320LF2407A的XINTl引脚相连接。

图2驱动电路接口时序图

模拟处理电路是一个程控增益放大器，由高速运算放大器OPA300和模拟开关74HC4051构成。因为模拟开关没有接在放大电路的增益回路中，可将它看作运算放大器的一部分，使模拟开关的导通电阻及其温度系数对增益的影响得以消除。此放大电路共有8个增益选择：1.008、1.5、2、3、4、6、8和10。

图3模拟处理电路

DSP是系统的核心，采用的是TMS320LF2407A，它是16位定点DSP，片内具有32KB的FLASH程序存储器，2.5KB的RAM;片上资源丰富，指令周期最小为25ns，可以提供良好的实时控制能力。CPLD用来实现DSP和外围电路的接口设计，采用的是XC9836XL。它的系统频率最高为178MHz，引脚到引脚的逻辑延迟为5ns。

模数转换器采用的是ADS8401。ADS8401是一种高速逐次逼近型模数转换器，数据输出采用高速16位并行接口，数据线与TMS320LF2407A数据线直接连接。ADS8401的CS和RD由XC9536XL根据TMS320LF2407A的读写信号生成。ADS8401的CON由光电二极管阵列的驱动电路板提供。BUSY信号直接连到TMS320LF2407A的IOPC5上，Φst信号通过触发外部中断XINT通知DSP视频信号开始输出，准备采集视频数据。ADS8401在Φst信号的驱动下开始模数转换。TMS320LF2407A通过查询IOPC5的状态，来确定何时转换完毕和读取数据。之所以采用查询方式，是因为视频数据读取的时序性较强，如不能及时读取会导致数据丢失，单元视频数据错位。

USB接口芯片采用PDIUSBDl2。它是需要外部微控制器控制的USB接口芯片，PDIUSBDl2的端点可以被配置为4种不同的模式，分别为非同步传输模式、同步输出传输模式、同步输入传输模式和同步输入输出传输模式。PDIUSBDl2芯片提供3个端点，在非同步模式下，端点0用于控制传输，端点1和端点2用于普通输入输出。端点0和端点1的最大信息包大小为16字节，端点2为64字节。系统中PDIUSBDl2工作在非同步模式下，采用端点补柴传输命令信息，端点2来传输采集到的数据。INT引脚和TMS320LF2407A的XINT2引脚相连，SUSPEND引脚和TMS320LF2407A的IOPB6相连。数据线跟TMS320LF2407A的低8位数据线连接，其他控制信号由XC9536XL根据TMS320LF2407A的接口信号生成。

TMS320LF2407A与外围电路的具体接口电路如图4所示。XC9536XL的设计采用VHDL语言进行，采用ISEWebPACK进行编译，采用ModelSim进行仿真调试。

图4DSP与外围电路的拉口

3.软件设计

3.1DSP软件设计

DSP的程序主要包括数据采集处理、数据传输和命令传输。数据采集处理和命令传输采用中断方式完成，而数据传输则由主程序和中断程序共同来完成。主程序的流程图如图5所示。

图5DSP主程序流程图

3.2计算机软件设计

上位计算机负责光电二极管阵列视频数据的处理、显示和存储，同时可设置采集系统的工作参数：如曝光时间、模拟电路增益。上位计算机程序采用VisualC++6.0编写，采用其自带的单文档程序框架。程序的主要功能是基于时间中断来完成的。

4.测试结果

光电二极管阵列采用S3904-1024，光源采用氛灯经过多色仪生成的光谱带，数据采集系统的曝光时间分别设为50ms，100ms和200ms，各测试2h，数据采集以及传输均未发生错误。当光电二极管阵列无光照射时，曝光时间设为200ms，系统采集到的暗电流噪声如图6所示，可以看出它的噪声约为300μv。这个噪声主要由光电二极管阵列的暗电流噪声和数据采集系统自身的噪声构成，由此可见数据采集系统自身的噪声是很低的，可以实现视频信号的精确测量。

图6无光照时的视频信号采集

总结

以上就是基于USB的光电二极管阵列数据采集系统设计方案介绍了。该数据采集系统能够精确测量光电二极管阵列输出的视频信号，并将测量数据通过USB接口实时传输给上位计算机，目前已应用于光电二极管阵列检测器当中，使用效果较好。

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