基于ARM处理器的高精度快速分光测色仪SP-1000的设计研究

　　1　引　言

　　分光测色仪器是颜色测量最基本的仪器。这类仪器先测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比,再选用CIE推荐的标准照明体和标准观察者,通过积分计算求得颜色的三刺激值。用测色仪器来测量颜色,计算颜色,甚至仿真配色具有非常重要的意义和实用价值。北京理工大学颜色科学与工程国家专业实验室的高精度快速分光测色仪SP-1000可测量样品的光谱反射比和光谱透射比,可进行各种各样的色度参数的计算。该仪器由光学系统,电路系统,机械与控制系统,软件系统等部分组成的。光学系统主要有光源照明部分,耦合光学系统和单色仪组成。光源采用了高性能脉冲氙灯,探测器件采用的是256元光电二极管阵列S3901。光路部分采用了双光束测试系统。

　　2　硬件设计[2]

　　图1为硬件总体设计框图。

　　硬件总体设计采用了ARM7体系结构的32位处理器LPC2214,其内部有FLASH256K,16K的SRAM。具有112条I/O口,CPU时钟脉冲可以高达60MHz,可以直接利用它内部的2个定时计数器和6个脉宽调制器来产生驱动阵列光电二极管S3901-256Q的时序。这样可以简化电路设计,精简结构,缩小体积。

　　快速分光仪器的探测器选用日本滨松公司的256元光电二极管阵列S3901-256Q。探测器像元数256,光谱响应范围200～1000nm,低功耗,低暗电流,输出信号线性度高。选用一片BB公司生产的500KSPS高速16位多通道串行输出的A/D转换器ADS8361。ADS8361可以同时进行两路A/D转换,每路通道的转换时间为2μs,有内置基准电压2.5V ,采用的是串行外围设备接口。另外USB接口芯片选用的是PDIUSBD12。

　　系统硬件设计包括系统供电电路设计,时钟电路,复位电路,JTAG调试接口电路,S3901的驱动及信号放大电路,A/D转换电路,串口电路设计, USB硬件电路设计。

　　图2是LPC2214与探测器S3901的接口示意图,LPC2214将会通过内部的定时计数器和脉宽调制器PWM产生三个信号,进入S3901信号板,经过SN75361反向并同时将TTL电平转换为CMOS电平,使其成为驱动S3901的信号。

　　图3为LPC2214与ADS8361的接口电路图。

　　由于ADS8361的内部基准电压是2.5V,在ADS8361输入通道前端需要采用运算放大器组成的线性网络来对S3901输出信号的幅值进行转换,将S3901信号板输出的信号减小到2.5V范围以内以适应要求。

　　3　软件设计[3,4]

　　LPC2214硬件系统软件是在ADS集成开发环境ADS1.2下开发的。通过AXD调试器,将用户编译后的代码通过JTAG接口发送到片内的Flash或RAM中,进行调试。LPC2214硬件系统软件的主要功能包括:首先将ARM处理器初始化;产生驱动S3901的波形,并通过ADS8361将样品的光谱信号采集到LPC2214的内部的存储器FLASH中,然后发送到UART0接口;接收PC机的各种指令。系统选用的晶振频率(Fosc)11.0592MHz,通过设置PLL(锁相环)的倍频器4倍频,将系统工作频率(Fcclk)提升到11.0592MHz×4。