多通道拉曼光譜儀的主控系統設計

胡翰文，薛 萌，郭漢明

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

拉曼光譜由光照射到物質上散射而形成，能夠反映出物質的獨特信息［1］。隨著科學技術的發展，拉曼光譜技術在生物、醫療、食品、化學、環境等領域［2-3］具有廣泛應用，激光共聚焦拉曼顯微技術是拉曼光譜技術發展的重要分支，其成像具有精度高、無損、能夠獲得物質的三維圖像結構等特點［4-5］。拉曼信號十分微弱，約為瑞利散射的百萬分之一，因而在共聚焦顯微拉曼光譜儀中，圖像傳感器的選擇十分重要。探測光信號的光電轉換器有很多種類，如電荷耦合器件（Charge Coupled Device）［6］、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor）［7］、銦鎵砷圖像傳感器（Ingaas Image Sensor）［8］等。CCD 具有靈敏度高、量子效率高、動態范圍大等特點［9］，已廣泛用于拉曼光譜探測。CMOS 器件可靠性、集成度高，且功耗低［10］，在半導體成像器件領域占據了大量市場。銦鎵砷圖像傳感器在近紅外波段（0.9～1.7 μm）具有極高的光譜轉換效率，是近紅外波段的拉曼光譜探測的主要光電轉換器件［11］。本系統采用面陣CCD 和線陣銦鎵砷圖像傳感器作為光電轉換器，符合多波長激光光譜探測要求。

光譜采集系統通常使用一種圖像傳感器進行探測，如康臻等［12］完成了高分辨率光譜儀線陣CCD 采集系統設計，黃進楠等［13］完成了基于線陣CCD 與小波去噪的光譜數據采集系統研究。單一圖像傳感器系統可探測的激發光波長范圍有限，超過該范圍，圖像傳感器的感光靈敏度會大幅下降，應用于光譜儀中將會導致該波段范圍的拉曼光譜失真。本文設計的多通道圖像傳感器系統彌補了單個圖像傳感器光譜成像上的不足，滿足了寬波長范圍光譜探測需求，實現了多個通道之間的自由切換。關于多通道圖像傳感器系統研究，張克寒等［14］完成了高清CMOS 圖像傳感器多通道數據傳輸系統設計，姜健等［15］完成了多通道TDICCD 衛星遙感相機圖像噪聲分析與處理，上述系統分別采用了面陣、線陣圖像傳感器。本文采用面陣和線陣兩種圖像傳感器類型，既能夠實現采集更大的像素范圍，又能夠實現高分辨率。系統設計具有較高的性價比，較同類設計而言避免了資源浪費。系統采用兩種圖像傳感器組合的方式實現了多種波長激光拉曼信號檢測，并利用STM32 和FPGA 兩種芯片聯合實現了光譜的采集和傳輸，若需要更換其他型號圖像傳感器，只需修改部分設計即可，具有很好的兼容性。

1 系統總體設計

多通道拉曼光譜儀主控系統采用STM32F407 作為光譜采集系統的控制芯片，完成指令控制、通道的切換以及光譜信號處理及傳輸；PC 上位機端負責產生指令以及對返回的光譜數據進行算法處理；圖像傳感器模塊的FPGA芯片負責驅動圖像傳感器、實現光電轉換和模數轉換。系統設計框圖如圖1所示。

Fig.1 Block diagram of system design圖1 系統設計框圖

光譜采集的完整過程為：①PC 端上位機發送指令，STM32 對指令進行識別；②STM32 端控制四路激光器模塊單路開啟激光并照射到待測物質上；③STM32 控制四路電機模塊，選擇相應通道并調整濾光片，過濾掉雜散光信號；④4STM32 選擇相應通道并控制圖像傳感器模塊采集光譜信號；⑤FPGA 端收到采集指令后，驅動A/D 轉換芯片和圖像傳感器工作，圖像傳感器開始采集光信號，進行光電轉換，電信號經過信號處理電路以后轉化成光譜數據，通過串口將數據返回到STM32 控制板；⑥STM32 控制板對返回的光譜數據識別后傳回上位機，經過上位機端算法處理顯示光譜。利用C 語言編寫相關程序，所設計系統的軟件框圖如圖2所示。

Fig.2 Block diagram of software design圖2 軟件設計框圖

為了避免出現數據丟失或數據錯亂的情況，系統利用軟件對圖像傳感器傳回的數據進行判別。不同圖像傳感器像元的個數不同，傳回STM32 端的數據長度也不一樣。如S11511-1106 型CCD 返回的數據長度為4 142 個字節，G14237-512WA 圖像傳感器返回的數據長度為1 030 個字節，以此分辨不同圖像傳感器的類型。

2 模塊設計

2.1 四通道圖像傳感器模塊

S11511-1106 型背照式面陣CCD 在532～785 nm 激光波長范圍內的量子效率達到65%以上［16］；G14237-512WA型InGaAs 線陣銦鎵砷圖像傳感器在1 064 nm 激光波長量子效率達到70% 以上［17］。根據上述內容，系統采用S11511-1106 型CCD 探測532 nm、633 nm、785 nm 3 種激光的拉曼散射信號，G14237-512WA 型圖像傳感器探測1 064 nm 激光的拉曼散射信號。下文對四通道圖像傳感器模塊分為供電和通信兩部分進行介紹。

單個圖像傳感器模塊工作電流為0.2～0.4 A，工作電壓為8～9 V，在進行電源芯片選型時，需留出足夠的電流裕量。設計采用TLV767-Q1 芯片對單路的像元采集模塊進行供電，TLV767-Q1 是一款寬輸入電壓范圍和寬輸出電壓范圍的LDO［18］，輸入電壓范圍是2.5～16 V，輸出電壓范圍是0.8～12 V。芯片能夠處理高達1 A 的電流負載，電壓階躍僅為100 mV。TLV767-Q1 的外圍電路如圖3 所示，引腳5 為使能端，連接到了STM32 的通用IO 口上，用于控制芯片的禁用和導通。

Fig.3 Power supply circuit of image sensor圖3 圖像傳感器供電電路

根據系統設計要求，在單路激光器開啟的情況下，需要對單路的圖像傳感器模塊進行通信，進行指令和數據傳輸。STM32F407 芯片共有6 路串口資源，若每路圖像傳感器模塊都使用一路串口進行數據傳輸，會導致串口資源不足的情況。四選一數據選擇器可以極大節約串口資源，即使用一路串口即可實現四路的數據傳輸，僅利用IO 口即可實現多路數據切換功能。電路設計采用ADG804芯片和DG409 芯片實現四路圖像傳感器的數據通信，根據上述方案設計電路框架如圖4所示。

Fig.4 Frame of image sensor communication circuit圖4 圖像傳感器通信電路框架

串口分為發送和接收兩部分，利用ADG804 和DG409對通道進行選擇。ADG804 為單四選一多路復用器，具有0.5 Ω 的超低導通電阻，其數字輸入電壓為2.7～3.6 V，芯片的開關切換時間25 ns，通過計算可得開關頻率為40 M，芯片開關速率符合串口通信設計需求。芯片ADG804具有單向導通的特性，僅能夠實現數據的單向傳輸，還需要配合DG409芯片才能完成數據的雙向傳輸。DG409芯片為雙四選一多路復用器，具有雙向導通的特性，最大額定電壓可達44 V，可通過單電源或雙電源供電。芯片的使能端EN、圖像傳感器模塊的通道選擇端A0、A1 均由STM32 的IO 口實現控制。該系統設計的串口通信外圍電路如圖5所示。

Fig.5 Four-channel serial port communication circuit圖5 四通道串口通信電路

ADG804 的D 引腳和DG409 的Da 引腳分別為STM32端的串口發送和接收引腳，A0、A1 分別為通道選擇的高位和低位，在EN 為1 的情況下，A0、A1 值的00 至11 分別對應1至4通道和數據引腳的導通。

STM32 軟件部分負責對指令和光譜數據的格式進行判斷，返回錯誤信息，傳輸正確信息，格式判斷過程如圖6所示。格式判斷正確后，軟件執行指令內容，實現相應的功能。圖像傳感器模塊的指令內容包含了通道選擇位、AD 采集精度位、積分時間位、單次或連續采集位，可以實現多通道選擇、AD 精度配置、積分時間分配的功能。光譜數據由起始字符、光譜字符、末尾字符構成。根據返回光譜數據長度的不同，STM32 可以分辨不同型號的圖像傳感器。

Fig.6 Instruction format judgment block diagram圖6 指令格式判斷框圖

2.2 四通道激光器模塊

該系統設計的四通道激光器模塊使用了四款激光器，分別為：杏林睿光公司生產的532 nm 蝶形激光器、633 nm蝶形激光器、1 064 nm 蝶形激光器和大族銳波公司生產的785 nm 的蝶形激光器。532 nm、633 nm、785 nm、1 064 nm激光器連續輸出功率分別為100 mW、500 mW、600 mW、800 mW。設計采用恒流芯片TPS54200 進行激光器模塊的電路設計，實現四通道激光器的恒流驅動。

TPS54200 芯片可選擇的調光方式有數字調光和模擬調光兩種，設計選擇了數字調光模式，通過調節PWM 波占空比以控制驅動激光器電流大小，外圍電路如圖7所示。

Fig.7 Laser drive circuit圖7 激光器驅動電路

圖7 中，流過R92 精密電阻的電流為通過激光器的電流，ILASER的計算公式如式（1）所示。

其中，VREF為參考電壓；Pduty為占空比，通過STM32 端輸出的PWM 波進行調節；R 為R92 的電阻，可以通過改變R 的值實現對最大驅動電流的控制，通過切換R137、R86、R90、R138 電阻可以實現不同通道的切換。光譜采集必須保證激光器功率恰當，避免出現噪聲過大的情況［19］。STM32 軟件部分實現了四通道激光器模塊的控制，激光器模塊的指令內容包含了通道選擇位和重裝載值設置位，實現多通道選擇和恒流驅動的功能。激光器功率通過STM32 軟件控制PWM 波占空比進行調節，數值可調范圍為0～560，如數值設置為280，則PWM 的占空比為50%。

2.3 四通道電機模塊

系統設計的電機電路用于旋轉相應濾光片，濾除掉干擾光譜成像的雜散光。采用的電機型號為MOONS 公司的TSM11Q-S，電機使用Modbus 協議進行通訊，由主機發起請求，從機發起響應。電機支持RS422 全雙工和RS485 半雙工的連接方式。

電機所需的供電電壓為24 V，輸入電壓由直流電源提供，需要升壓芯片對直流電源電壓9 V 進行處理；電機設計采用RS422 四線全雙工的通訊方式，需要選擇芯片實現串口轉RS422 協議轉換的功能。綜上所述，選擇了升壓芯片SGM6607 和MAX490 完成四路電機模塊的供電和通信設計。

SGM6607 芯片是一款DC/DC 升壓芯片，其輸入電壓范圍為3～20 V，輸出電壓高達38 V，負載電流為1.1 A，滿足電機供電的要求。通過設置R1 和R2 的阻值，可以控制輸出電壓的大小。

VOUT的計算公式由式（2）表示，所設計的SGM6607 外圍電路如圖8所示。

Fig.8 Motor supply circuit圖8 電機供電電路

MAX490E 芯片是一款專門用于RS-422/RS-485 協議轉換的芯片，其傳輸速度高達2.5 Mbps，支持全雙工通信。所設計的MAX490外圍電路如圖9所示。

Fig.9 Motor communication circuit圖9 電機通信電路

STM32 端連接MAX490E 芯片的串口收發引腳，A、B、Z、Y 引腳連接到電機RS422 協議端，用于實現和電機的通訊。通過MOONS 公司自帶的上位機軟件，配置每個電機的地址。通過SCL 指令，可以實現對電機寄存器的配置，設置電機的轉速、加速度、減速度、速度、目標位置等，部分指令如表1所示。

Table 1 Motor control instructions表1 電機控制指令

STM32 軟件用于四通道電機控制，實現多個濾光片的切換。電機模塊的指令內容包含了使能/禁用位、正/反轉位、旋轉角度位，分別實現電機的供電控制、旋轉的方向和角度。軟件部分首先對上位機的指令長度進行識別，再利用中間數組實現指令單位的換算，利用字符拼接函數實現對地址、功能、數值的組合，最終通過RS422 協議發送廣播指令到電機。

3 實驗結果與分析

3.1 功耗測試

為了解系統設計的功耗情況，需要進行相關實驗加以測試，功耗測試結果如表2 所示。實驗測得四通道圖像傳感器模塊工作時控制板功率為6～8 W。

Table 2 Power consumption test表2 功耗測試

除功耗測試外，供電電壓對于光譜儀的穩定運行和精密測量也很重要，電壓誤差和紋波都會影響成像結果，因此還需要對控制板上的電壓和紋波進行測量。使用示波器上的短線接地探針，在20 M 帶寬，10∶1 衰減、1 MΩ 探頭下［20］，測量電壓紋波，如表3所示。

Table 3 Voltage and ripple tests表3 電壓和紋波測試

由電壓測試結果可知，驅動電壓的誤差始終控制在1.5%以內，實驗所測電壓誤差滿足系統對電壓的要求，電壓比較穩定。紋波測試測量了電壓VP-P值的大小，將其換算成紋波系數，可以得到3.3 V、5 V、9 V、24 V 的紋波系數分別為1.26%、1.47%、1.15%、1.92%。4 種電壓的紋波系數始終控制在2%以內，說明所設計的電源電路對紋波有良好的抑制效果，滿足系統設計要求。

3.2 遮光實驗

為驗證四通道圖像傳感器系統能否完成四通道數據傳輸，進行圖像傳感器的遮光實驗，所用光源為白光，遮光實驗的實操部分如圖10所示。

Fig.10 Actual picture of shading treatment experiment圖10 遮光處理實驗實物圖

根據圖10 順序，對圖像傳感器進行遮光處理，實驗時設置4 個通道的積分時間均為10 ms，AD 采樣精度設置為16 位。在同等的條件下，所得到的拉曼光譜顯示如圖11所示。其中，橫坐標表示拉曼位移，波數范圍為0～2 068 cm-1；縱坐標表示光譜強度，數值范圍為1～65 535。

Fig.11 Raman spectrum image of upper computer圖11 上位機端拉曼光譜圖像

從實驗結果可以看出，未進行遮光處理的區域光譜強度明顯高于遮光區域，邊緣部分呈緩慢變化趨勢。通過上位機端發送指令，可以實現光譜的單次采集或者連續采集，四通道圖像傳感器光譜采集系統實現了預期功能，所測光譜穩定性良好，能夠完成光譜的實時采集和通道的自由切換。

4 結語

本文完成了四路拉曼光譜儀的主控系統設計，系統設計的電源模塊輸出電壓穩定，能夠有效抑制紋波，STM32芯片實現了各模塊的控制，FPGA 芯片完成了圖像傳感器光譜采集。最終，所得到的光譜信號能夠在短時間內達到飽和，顯示效果合理。該系統解決了單一圖像傳感器在一定波段內量子效率不足的問題，實現了對寬波段激發光拉曼信號的采集，在光譜儀研究領域具有一定應用價值。