多通道拉曼光谱仪的主控系统设计

胡翰文，薛 萌，郭汉明

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

拉曼光谱由光照射到物质上散射而形成，能够反映出物质的独特信息［1］。随着科学技术的发展，拉曼光谱技术在生物、医疗、食品、化学、环境等领域［2-3］具有广泛应用，激光共聚焦拉曼显微技术是拉曼光谱技术发展的重要分支，其成像具有精度高、无损、能够获得物质的三维图像结构等特点［4-5］。拉曼信号十分微弱，约为瑞利散射的百万分之一，因而在共聚焦显微拉曼光谱仪中，图像传感器的选择十分重要。探测光信号的光电转换器有很多种类，如电荷耦合器件（Charge Coupled Device）［6］、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor）［7］、铟镓砷图像传感器（Ingaas Image Sensor）［8］等。CCD 具有灵敏度高、量子效率高、动态范围大等特点［9］，已广泛用于拉曼光谱探测。CMOS 器件可靠性、集成度高，且功耗低［10］，在半导体成像器件领域占据了大量市场。铟镓砷图像传感器在近红外波段（0.9～1.7 μm）具有极高的光谱转换效率，是近红外波段的拉曼光谱探测的主要光电转换器件［11］。本系统采用面阵CCD 和线阵铟镓砷图像传感器作为光电转换器，符合多波长激光光谱探测要求。

光谱采集系统通常使用一种图像传感器进行探测，如康臻等［12］完成了高分辨率光谱仪线阵CCD 采集系统设计，黄进楠等［13］完成了基于线阵CCD 与小波去噪的光谱数据采集系统研究。单一图像传感器系统可探测的激发光波长范围有限，超过该范围，图像传感器的感光灵敏度会大幅下降，应用于光谱仪中将会导致该波段范围的拉曼光谱失真。本文设计的多通道图像传感器系统弥补了单个图像传感器光谱成像上的不足，满足了宽波长范围光谱探测需求，实现了多个通道之间的自由切换。关于多通道图像传感器系统研究，张克寒等［14］完成了高清CMOS 图像传感器多通道数据传输系统设计，姜健等［15］完成了多通道TDICCD 卫星遥感相机图像噪声分析与处理，上述系统分别采用了面阵、线阵图像传感器。本文采用面阵和线阵两种图像传感器类型，既能够实现采集更大的像素范围，又能够实现高分辨率。系统设计具有较高的性价比，较同类设计而言避免了资源浪费。系统采用两种图像传感器组合的方式实现了多种波长激光拉曼信号检测，并利用STM32 和FPGA 两种芯片联合实现了光谱的采集和传输，若需要更换其他型号图像传感器，只需修改部分设计即可，具有很好的兼容性。

1 系统总体设计

多通道拉曼光谱仪主控系统采用STM32F407 作为光谱采集系统的控制芯片，完成指令控制、通道的切换以及光谱信号处理及传输；PC 上位机端负责产生指令以及对返回的光谱数据进行算法处理；图像传感器模块的FPGA芯片负责驱动图像传感器、实现光电转换和模数转换。系统设计框图如图1所示。

Fig.1 Block diagram of system design图1 系统设计框图

光谱采集的完整过程为：①PC 端上位机发送指令，STM32 对指令进行识别；②STM32 端控制四路激光器模块单路开启激光并照射到待测物质上；③STM32 控制四路电机模块，选择相应通道并调整滤光片，过滤掉杂散光信号；④4STM32 选择相应通道并控制图像传感器模块采集光谱信号；⑤FPGA 端收到采集指令后，驱动A/D 转换芯片和图像传感器工作，图像传感器开始采集光信号，进行光电转换，电信号经过信号处理电路以后转化成光谱数据，通过串口将数据返回到STM32 控制板；⑥STM32 控制板对返回的光谱数据识别后传回上位机，经过上位机端算法处理显示光谱。利用C 语言编写相关程序，所设计系统的软件框图如图2所示。

Fig.2 Block diagram of software design图2 软件设计框图

为了避免出现数据丢失或数据错乱的情况，系统利用软件对图像传感器传回的数据进行判别。不同图像传感器像元的个数不同，传回STM32 端的数据长度也不一样。如S11511-1106 型CCD 返回的数据长度为4 142 个字节，G14237-512WA 图像传感器返回的数据长度为1 030 个字节，以此分辨不同图像传感器的类型。

2 模块设计

2.1 四通道图像传感器模块

S11511-1106 型背照式面阵CCD 在532～785 nm 激光波长范围内的量子效率达到65%以上［16］；G14237-512WA型InGaAs 线阵铟镓砷图像传感器在1 064 nm 激光波长量子效率达到70% 以上［17］。根据上述内容，系统采用S11511-1106 型CCD 探测532 nm、633 nm、785 nm 3 种激光的拉曼散射信号，G14237-512WA 型图像传感器探测1 064 nm 激光的拉曼散射信号。下文对四通道图像传感器模块分为供电和通信两部分进行介绍。

单个图像传感器模块工作电流为0.2～0.4 A，工作电压为8～9 V，在进行电源芯片选型时，需留出足够的电流裕量。设计采用TLV767-Q1 芯片对单路的像元采集模块进行供电，TLV767-Q1 是一款宽输入电压范围和宽输出电压范围的LDO［18］，输入电压范围是2.5～16 V，输出电压范围是0.8～12 V。芯片能够处理高达1 A 的电流负载，电压阶跃仅为100 mV。TLV767-Q1 的外围电路如图3 所示，引脚5 为使能端，连接到了STM32 的通用IO 口上，用于控制芯片的禁用和导通。

Fig.3 Power supply circuit of image sensor图3 图像传感器供电电路

根据系统设计要求，在单路激光器开启的情况下，需要对单路的图像传感器模块进行通信，进行指令和数据传输。STM32F407 芯片共有6 路串口资源，若每路图像传感器模块都使用一路串口进行数据传输，会导致串口资源不足的情况。四选一数据选择器可以极大节约串口资源，即使用一路串口即可实现四路的数据传输，仅利用IO 口即可实现多路数据切换功能。电路设计采用ADG804芯片和DG409 芯片实现四路图像传感器的数据通信，根据上述方案设计电路框架如图4所示。

Fig.4 Frame of image sensor communication circuit图4 图像传感器通信电路框架

串口分为发送和接收两部分，利用ADG804 和DG409对通道进行选择。ADG804 为单四选一多路复用器，具有0.5 Ω 的超低导通电阻，其数字输入电压为2.7～3.6 V，芯片的开关切换时间25 ns，通过计算可得开关频率为40 M，芯片开关速率符合串口通信设计需求。芯片ADG804具有单向导通的特性，仅能够实现数据的单向传输，还需要配合DG409芯片才能完成数据的双向传输。DG409芯片为双四选一多路复用器，具有双向导通的特性，最大额定电压可达44 V，可通过单电源或双电源供电。芯片的使能端EN、图像传感器模块的通道选择端A0、A1 均由STM32 的IO 口实现控制。该系统设计的串口通信外围电路如图5所示。

Fig.5 Four-channel serial port communication circuit图5 四通道串口通信电路

ADG804 的D 引脚和DG409 的Da 引脚分别为STM32端的串口发送和接收引脚，A0、A1 分别为通道选择的高位和低位，在EN 为1 的情况下，A0、A1 值的00 至11 分别对应1至4通道和数据引脚的导通。

STM32 软件部分负责对指令和光谱数据的格式进行判断，返回错误信息，传输正确信息，格式判断过程如图6所示。格式判断正确后，软件执行指令内容，实现相应的功能。图像传感器模块的指令内容包含了通道选择位、AD 采集精度位、积分时间位、单次或连续采集位，可以实现多通道选择、AD 精度配置、积分时间分配的功能。光谱数据由起始字符、光谱字符、末尾字符构成。根据返回光谱数据长度的不同，STM32 可以分辨不同型号的图像传感器。

Fig.6 Instruction format judgment block diagram图6 指令格式判断框图

2.2 四通道激光器模块

该系统设计的四通道激光器模块使用了四款激光器，分别为：杏林睿光公司生产的532 nm 蝶形激光器、633 nm蝶形激光器、1 064 nm 蝶形激光器和大族锐波公司生产的785 nm 的蝶形激光器。532 nm、633 nm、785 nm、1 064 nm激光器连续输出功率分别为100 mW、500 mW、600 mW、800 mW。设计采用恒流芯片TPS54200 进行激光器模块的电路设计，实现四通道激光器的恒流驱动。

TPS54200 芯片可选择的调光方式有数字调光和模拟调光两种，设计选择了数字调光模式，通过调节PWM 波占空比以控制驱动激光器电流大小，外围电路如图7所示。

Fig.7 Laser drive circuit图7 激光器驱动电路

图7 中，流过R92 精密电阻的电流为通过激光器的电流，ILASER的计算公式如式（1）所示。

其中，VREF为参考电压；Pduty为占空比，通过STM32 端输出的PWM 波进行调节；R 为R92 的电阻，可以通过改变R 的值实现对最大驱动电流的控制，通过切换R137、R86、R90、R138 电阻可以实现不同通道的切换。光谱采集必须保证激光器功率恰当，避免出现噪声过大的情况［19］。STM32 软件部分实现了四通道激光器模块的控制，激光器模块的指令内容包含了通道选择位和重装载值设置位，实现多通道选择和恒流驱动的功能。激光器功率通过STM32 软件控制PWM 波占空比进行调节，数值可调范围为0～560，如数值设置为280，则PWM 的占空比为50%。

2.3 四通道电机模块

系统设计的电机电路用于旋转相应滤光片，滤除掉干扰光谱成像的杂散光。采用的电机型号为MOONS 公司的TSM11Q-S，电机使用Modbus 协议进行通讯，由主机发起请求，从机发起响应。电机支持RS422 全双工和RS485 半双工的连接方式。

电机所需的供电电压为24 V，输入电压由直流电源提供，需要升压芯片对直流电源电压9 V 进行处理；电机设计采用RS422 四线全双工的通讯方式，需要选择芯片实现串口转RS422 协议转换的功能。综上所述，选择了升压芯片SGM6607 和MAX490 完成四路电机模块的供电和通信设计。

SGM6607 芯片是一款DC/DC 升压芯片，其输入电压范围为3～20 V，输出电压高达38 V，负载电流为1.1 A，满足电机供电的要求。通过设置R1 和R2 的阻值，可以控制输出电压的大小。

VOUT的计算公式由式（2）表示，所设计的SGM6607 外围电路如图8所示。

Fig.8 Motor supply circuit图8 电机供电电路

MAX490E 芯片是一款专门用于RS-422/RS-485 协议转换的芯片，其传输速度高达2.5 Mbps，支持全双工通信。所设计的MAX490外围电路如图9所示。

Fig.9 Motor communication circuit图9 电机通信电路

STM32 端连接MAX490E 芯片的串口收发引脚，A、B、Z、Y 引脚连接到电机RS422 协议端，用于实现和电机的通讯。通过MOONS 公司自带的上位机软件，配置每个电机的地址。通过SCL 指令，可以实现对电机寄存器的配置，设置电机的转速、加速度、减速度、速度、目标位置等，部分指令如表1所示。

Table 1 Motor control instructions表1 电机控制指令

STM32 软件用于四通道电机控制，实现多个滤光片的切换。电机模块的指令内容包含了使能/禁用位、正/反转位、旋转角度位，分别实现电机的供电控制、旋转的方向和角度。软件部分首先对上位机的指令长度进行识别，再利用中间数组实现指令单位的换算，利用字符拼接函数实现对地址、功能、数值的组合，最终通过RS422 协议发送广播指令到电机。

3 实验结果与分析

3.1 功耗测试

为了解系统设计的功耗情况，需要进行相关实验加以测试，功耗测试结果如表2 所示。实验测得四通道图像传感器模块工作时控制板功率为6～8 W。

Table 2 Power consumption test表2 功耗测试

除功耗测试外，供电电压对于光谱仪的稳定运行和精密测量也很重要，电压误差和纹波都会影响成像结果，因此还需要对控制板上的电压和纹波进行测量。使用示波器上的短线接地探针，在20 M 带宽，10∶1 衰减、1 MΩ 探头下［20］，测量电压纹波，如表3所示。

Table 3 Voltage and ripple tests表3 电压和纹波测试

由电压测试结果可知，驱动电压的误差始终控制在1.5%以内，实验所测电压误差满足系统对电压的要求，电压比较稳定。纹波测试测量了电压VP-P值的大小，将其换算成纹波系数，可以得到3.3 V、5 V、9 V、24 V 的纹波系数分别为1.26%、1.47%、1.15%、1.92%。4 种电压的纹波系数始终控制在2%以内，说明所设计的电源电路对纹波有良好的抑制效果，满足系统设计要求。

3.2 遮光实验

为验证四通道图像传感器系统能否完成四通道数据传输，进行图像传感器的遮光实验，所用光源为白光，遮光实验的实操部分如图10所示。

Fig.10 Actual picture of shading treatment experiment图10 遮光处理实验实物图

根据图10 顺序，对图像传感器进行遮光处理，实验时设置4 个通道的积分时间均为10 ms，AD 采样精度设置为16 位。在同等的条件下，所得到的拉曼光谱显示如图11所示。其中，横坐标表示拉曼位移，波数范围为0～2 068 cm-1；纵坐标表示光谱强度，数值范围为1～65 535。

Fig.11 Raman spectrum image of upper computer图11 上位机端拉曼光谱图像

从实验结果可以看出，未进行遮光处理的区域光谱强度明显高于遮光区域，边缘部分呈缓慢变化趋势。通过上位机端发送指令，可以实现光谱的单次采集或者连续采集，四通道图像传感器光谱采集系统实现了预期功能，所测光谱稳定性良好，能够完成光谱的实时采集和通道的自由切换。

4 结语

本文完成了四路拉曼光谱仪的主控系统设计，系统设计的电源模块输出电压稳定，能够有效抑制纹波，STM32芯片实现了各模块的控制，FPGA 芯片完成了图像传感器光谱采集。最终，所得到的光谱信号能够在短时间内达到饱和，显示效果合理。该系统解决了单一图像传感器在一定波段内量子效率不足的问题，实现了对宽波段激发光拉曼信号的采集，在光谱仪研究领域具有一定应用价值。