THS1206在多路紅外光譜儀中的應用

【摘要】針對多路紅外光譜儀的特點，設計了以4片THS1206為模/數轉換器的多路采集系統。本文詳細的介紹了THS1206的結構特點、控制寄存器設置及軟、硬件設計。測試結果表明，THS1206可以很好地滿足多路紅外光譜儀的速度與精度要求。

【關鍵詞】THS1206;紅外光譜儀;模/數轉換

Application of THS1206 in Multichannel Infrared Spectrometer

Li Zhe

（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Abstract：According to the characteristics of multichannel infrared spectrometer，a multichannel acquiring system with 4 THS1206 as its ADC is designed.Structural features，control register settings，software design and hardware design are introduced in detail in this paper.Test results show that THS1206 can meet the multichannel infrared spectrometers demands of sample rate and accuracy.

Key words：THS1206;Infrared Spectrometer;A/D Converter

引言

紅外光譜儀是近年來發展最為迅速的高新分析技術之一，由于其快速、高效、無損、非接觸等優點，廣泛應用于農業、礦產、氣象、醫藥等諸多領域[1]。由于紅外光譜儀對速度與精度的要求，且單片探測器像元數量不足，因此需要設計一套系統以實現紅外光譜儀的多路同步采集。本文介紹了以FPGA為核心，4片THS1206為A/D轉換器的多路采集系統，并詳細介紹了THS1206的結構特點、寄存器設置及軟硬件設計。

1.基于THS1206的紅外光譜儀采集系統

紅外光譜儀的電子學系統由紅外探測器、A/D轉換單元、FPGA、控制與圖像傳輸單元、上位機構成，如圖1所示。

圖1 紅外光譜儀電子學系統框圖

根據測量光譜的需要，紅外光譜儀選用了4片Xenics公司的XLIN系列的紅外線陣探測器，該探測器有2048像元，奇數、偶數像元各有一塊讀出電路，且為差分信號輸出，最高像元輸出速率為12.5Mhz。A/D轉換單元采用了4片THS1206，與探測器相對應。FPGA采用的是Xilinx公司的XC2V3000，為紅外探測器提供時序，控制A/D轉換模塊，接收上位機控制指令，并控制CameraLink芯片將圖像傳至上位機。

2.THS1206的功能、結構與控制寄存器

THS1206是TI公司出品的一種基于流水線結構的低功耗高速A/D轉換器，主要適用于雷達、成像、高速采集、通信及控制應用領域。它具有以下特點：轉換速率高，在單端輸入時可達到最高6MSPS的轉換效率;多通道可選輸入，可根據需要使用最多4個單路或2路差分的模擬量輸入模式，也可單路與差分混合輸入;12位的高采樣精度，且差分輸入下的非線性誤差僅為±1LSB;信噪比高，2MHz工作頻率下，信噪比可達68dB;最大功耗僅為218mW，且可以選擇待機模式減少功耗;內部集成16字深度的FIFO，可方便地通過處理器操作內部指針來讀出數據。THS1206由采樣保持器、單端/差分多路復用器、12位流水線A/D、16字12位FIFO、邏輯控制單元、控制寄存器、緩沖器、參考電壓模塊組成，THS1206內部結構[2]如圖2所示。

圖2 THS1206的內部結構

THS1206有兩個控制寄存器CR0與CR1，通過更改寄存器設置可使其進入相應的工作模式，控制寄存器如表1所示[3][4]。THS1206的12位數據位是雙向I/O，設置寄存器時作為輸入，模數轉換后的數據為輸出。設置寄存器時，最高兩位為寄存器選擇地址，D11、D10為00時，選擇CR0;為01時，選擇CR1。

其控制寄存器說明如下：

1）VREF：參考電壓選擇，0為內參考，1為外參考;

2）MODE：模式選擇，0為連續轉換模式，此模式下。1為單獨轉換模式;

3）CHSEL0、CHSEL1、DIFF0、DIFF1：通道選擇，可以根據需要選擇單端或差分輸入模式;

4）SCAN：自動掃描開關，0為關閉，1為開啟，使用多個通道時應開啟蓋功能;

5）TEST0、TEST1：測試模式，可對硬件引腳的VREFP和VREFM進行測試，平時應設置為00，使用正常模式;

6）RESET：復位功能，將此位置為1可進行重置寄存器設置、FIFO指針;

7）OVFL/FRST：FIFO溢出標志位/FIFO復位控制，讀取為1時標志FIFO溢出，將此位寫入1則復位FIFO。如需要舍棄FIFO未讀出的值時，可設置復位FIFO;

8）TRIG0、TRIG1：FIFO的深度設置，可根據需要進行選擇;

9）DATA_T、DATA_P：控制DATA_AV引腳有效的種類和極性，電平信號或者脈沖信號，高有效或是低有效，可適用于多種控制器。

10）R/W：RD與WR引腳的選擇設置，如果置為1則RD引腳失效，WR引腳高為讀使能，低為寫使能。

11）BIN/2s：數字輸出的編碼設置，置為1則輸出碼值為0至FFF，置為0則輸出碼值與輸入的電壓正負無關，輸出絕對值。

12）RBACK：調試模式，設置為0則正常工作，設置為1可回讀控制寄存器參數。

圖3 THS1206的硬件設計

圖4 THS1206初始化設置流程

3.THS1206的硬件設計

THS1206共有32個引腳，模擬電源AVDD使用模擬5V，數字電源DVDD及緩沖器數字電源BVDD使用3.3V。由于本例中使用內部參考電壓，外部基準電壓REFP與REFM需接入10?F的旁路電容以去除內部參考電壓的高頻噪聲，此處使用22?F是為了提高可靠性，共模基準電壓輸入REFIN與內部基準電壓輸出REFOUT相接，REFOUT一定要接10?F電容到地，否則會影響采樣效果。如使用外參考電壓，REFP接+3.5V，REFM接+1.5V，REFIN可接入外參考電壓+2.5V，并通過將寄存器0的第0位設置為高。紅外探測器有按像元的奇偶分為兩個讀出電路，且讀出電路輸出為差分信號，AINP、AINM、BINP、BINM可構成兩個差分輸入，使一片THS1206對應一片紅外探測器，輸入端P為正端，M為負端，接入前應將輸入信號調理至THS1206可接入的范圍。D11-D0為數據線，數據線除輸出采樣數據以外，其高兩位D11、D10還作為內部控制寄存器地址線使用。控制信號有片選信號CS0、CS1，讀寫信號RD、WR，轉換時鐘CONV_CLK，數據有效標志DATA_AV，數據線與控制信號直接接入FPGA。硬件設計如圖3所示。

4.THS1206的軟件設計

4.1 THS1206初始化設計

THS1206軟件設計主要為初始化設置和A/D轉化兩部分，初始化設置是A/D轉化工作的前提。根據器件手冊的要求，使用前應對THS1206進行復位，通過軟件向控制寄存器1的第0位寫入1，復位芯片，控制寄存器、FIFO的指針及偏移寄存器，再寫入0，清除復位。然后根據實際需要，設置控制寄存器0和控制寄存器1，同時復位FIFO，初始化設置流程如圖4所示。如果使用默認值，則先向控制寄存器1寫入0x401，然后再寫入0x400清除復位，其中的D11、D10為控制寄存器的地址線，D9-D0對應寄存器設置相應位數。由于實際使用的情況是多種多樣的，默認值是不滿足需求的，此時需要對控制寄存器進行重新設置，除寫入0x401及0x400后，再分別寫入控制寄存器0及控制寄存器1的設置值。關于控制寄存器0的設置，因硬件設計上已經使用了內參考且為兩路差分輸入，且應使用連續模式自動掃描，所以對其寫入0xC8。關于控制寄存器1的設置，選擇二進制輸出，FIFO深度設為8，使用RD及WR信號，并同時復位FIFO，對其寫入0x48A。在對寄存器設置時，CS0置低、CS1置高、WR置低、RD置高。

4.2 A/D轉化軟件設計

軟件設計的重中之重就是合理的安排復位、設置、中斷處理、數據采集讀取的工作時序，尤其是防止雙向總線的沖突，因為雙向總線沖突會引起硬件電路的電流波動及參數設置錯誤或數據采集異常。由于線陣探測器只有單行數據且需要一定的積分時間，因此在每行工作開始時進行THS1206初始化設置，積分時間到達之后進行A/D轉化數據讀取比較合理。軟件流程設計如圖5所示，上電初始化后，讀取行同步信號，行同步無效則繼續等待，有效則復位THS1206并進行設置，繼續讀取DATA_AV信號，無效則進入等待狀態，有效讀取THS1206中FIFO內的數據，然后等待DATA_AV信號有效或行同步有效。

圖5 A/D轉化軟件流程設計

THS1206在CONV_CLK的控制下，采樣兩組差分信號共8個數據寫入FIFO，FIFO寫滿則DATA_AV低電平有效，通知FPGA讀取數據，此時FPGA將CS0置低，CS1置高，WR置高，RD置低，將數據存入FPGA中的RAM，待一行圖像接收完畢后進行打包發送。

5.測試結果與結論

采集到的紅外原始數據如圖6所示，4片紅外探測器共8192個像元，12位采樣精度，采樣速度為2MHz，三條曲線自上而下分別為光照的飽和、中值、暗場的數據，其標準差小于1，信噪比大于3000。

圖6 采集到的紅外原始數據

測試結果表明，THS1206能很好的滿足多路紅外光譜儀的需求，可以同步采集4片紅外探測器的數據，系統工作良好，像質好，噪聲低。

參考文獻

[1]褚小立，王艷斌，陸婉珍.近紅外光譜儀國內外現狀與展望[J].分析儀器，2007（4）.

[2]Texas Instrument.THS1206 User Datasheet，2003.

[3]Texas Instrument.Designing With the THS1206 High-Speed Data Converter，2000.

[4]李巍，劉棟斌，張達.A/D轉換器在紅外成像系統中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2012（11）.

作者簡介：李哲（1984—），男，碩士，助理研究員，主要從事空間光學成像技術研究。