張冬華,王曉榮,鄭 蕊,李明朗

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 引言

拉曼光譜技術(shù)是在拉曼散射效應(yīng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)Ψ肿咏Y(jié)構(gòu)和物質(zhì)種類進(jìn)行鑒別。起初，因拉曼光信號(hào)微弱，很難被檢測(cè)，制約了拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展。隨著新的激光光源的發(fā)現(xiàn)以及表面增強(qiáng)拉曼散射光譜技術(shù)(SERS)等的突破，拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)有了廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。

現(xiàn)有的拉曼光CCD面陣列探測(cè)器價(jià)格昂貴，體積大，并且多采用多像素探測(cè)器，獲取光譜圖像復(fù)原技術(shù)復(fù)雜，延時(shí)長(zhǎng)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V獲取要求的提高,快速、低成本、性能穩(wěn)定地獲得拉曼光譜成為亟待解決的技術(shù)難題。本設(shè)計(jì)選擇數(shù)字微鏡陣列結(jié)合光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換模塊來(lái)獲取拉曼光譜信息。本模塊圍繞DMD的軟件控制和光電倍增管的硬件電路展開(kāi)設(shè)計(jì)。

1 模塊概述

控制DMD調(diào)制拉曼光實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選通和利用光電倍增管硬件電路得到信號(hào)輸出是能夠獲取拉曼光譜的關(guān)鍵。

圖1為模塊工作功能框圖。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲取的拉曼光經(jīng)過(guò)光柵分光后按照波長(zhǎng)順序覆蓋DMD主板上的854×480像素微鏡片表面。根據(jù)每行微反射鏡反射的波長(zhǎng)范圍，DMD微鏡陣列由主芯片編程控制，逐次翻轉(zhuǎn)每行微鏡，快速選擇反射指定波長(zhǎng)的光，由光電倍增管接收并轉(zhuǎn)換拉曼光為微弱電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路完成微弱信號(hào)的處理，最后由主芯片的A/D通道采集到電壓值。當(dāng)翻轉(zhuǎn)完成全部行微鏡后，整個(gè)拉曼光譜采集流程完成。

圖1 模塊工作功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片介紹

采集模塊的微處理器選擇了主芯片STM32F407ZGT6，該芯片是基于ARM Cortex-M4架構(gòu)芯片，工作頻率高達(dá)168 MHz，擁有192 Kbyte的片內(nèi)SRAM和1 MB的Flash閃存，同時(shí)擁有豐富的I2C、ADC、SPI等多個(gè)通信接口，支持在線調(diào)試，完全滿足檢測(cè)模塊的開(kāi)發(fā)需求[4]。

2.2 DMD微鏡

2.2.1 DMD

本模塊選用DLP2010 DMD作為空間光調(diào)制器處理拉曼光，另外選用了配套的隔離控制芯片DLPC3470。DLP2010為0.2英寸(1英寸=2.54 cm)對(duì)角線微鏡陣列，像素陣列為854列×480行，對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的拉曼光反射效率高達(dá)97%[5]。

在內(nèi)部pattern模式下，DLP模塊會(huì)讀取保存在Flash模塊里的1 bit圖像信號(hào)。圖像信號(hào)的像素和DMD的微鏡之間是一一映射的關(guān)系。

2.2.2 DMD控制電路

2.2.2.1 DLPC控制電路

DMD選用了NFBGA封裝的DLPC芯片，筆者對(duì)控制芯片原理圖做簡(jiǎn)化。其中SCL、SDA引腳連接至STM32主芯片。另一部分通過(guò)信號(hào)性能良好的FPC軟排線連接DMD主板。控制電路如圖2所示。

圖2 DMD驅(qū)動(dòng)控制電路

DLPC3470需要一個(gè)外部參考時(shí)鐘來(lái)為內(nèi)部PLL提供時(shí)鐘，選擇的晶振型號(hào)是DSX211G-24.0M。

2.2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

在內(nèi)部pattern模式下，本模塊選擇W25Q32JVSSIQ保存圖像信號(hào)，該Flash通過(guò)SPI通信保存讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路原理圖如圖3所示。

圖3 Flash存儲(chǔ)電路

2.3 光電倍增管

2.3.1 PMT特性介紹

根據(jù)拉曼光的特點(diǎn)，本檢測(cè)模塊選用光電倍增管R12421-300，最大陽(yáng)極電流為0.15 mA，光譜響應(yīng)范圍為300～650 nm，該探測(cè)器探測(cè)靈敏，具有很強(qiáng)的抗噪能力[6]。

光電倍增管轉(zhuǎn)換拉曼光信號(hào)為微弱的電流輸出，需要設(shè)計(jì)電流電壓轉(zhuǎn)化電路將光電流變化為電壓輸出并進(jìn)行放大處理[7]。

2.3.2 I/V轉(zhuǎn)換電路

I/V轉(zhuǎn)換電路不僅完成電流信號(hào)到電壓的轉(zhuǎn)換，還要承擔(dān)數(shù)模轉(zhuǎn)換的作用[8]。電路輸出端與主芯片A/D通道連接完成A/D采樣，繼而推算得到拉曼光譜。

目標(biāo)電路選用了LTC6268運(yùn)算放大器，其具有極低的輸入偏置電流和低輸入電容，同時(shí)該器件還具有低的輸入?yún)⒖茧娏髟肼暫碗妷涸肼?，適合應(yīng)用于光電倍增管后置放大電路，電路如圖4所示。

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路

光電倍增管最大陽(yáng)極電流為0.15 mA，所以R36選擇20 kΩ增益，使得輸出電壓限幅在3.3 V以下，直接送到STM32F4的A/D通道。

2.4 軟件控制

本模塊是基于數(shù)字微鏡DMD逐次反射某一波長(zhǎng)的拉曼光，使單點(diǎn)探測(cè)器完成接收。這一方法顯著降低了機(jī)械旋轉(zhuǎn)光柵而產(chǎn)生的噪聲，提高了光譜信息的精確率。

2.4.1 內(nèi)部pattern模式

為實(shí)現(xiàn)對(duì)于拉曼光的波長(zhǎng)選通功能，要控制DMD按照時(shí)間順序逐次打開(kāi)一定行數(shù)的微鏡陣列，同時(shí)其他陣列處于關(guān)閉狀態(tài)的功能，可以通過(guò)依次輸入只有一定行數(shù)為1，其余行均為0的854×480像素圖案(pattern)，控制對(duì)應(yīng)的微鏡打開(kāi)，而其余的處于關(guān)閉狀態(tài)。

DLP2010 DMD在應(yīng)用中由配套的驅(qū)動(dòng)芯片DLPC3470直接控制，在表1中列舉了一些在內(nèi)部pattern模式下需要用到的編程指令并介紹其實(shí)現(xiàn)功能，編程指令支持以I2C通信協(xié)議傳輸。

表1 編程指令

DMD工作采用了超過(guò)40萬(wàn)個(gè)微鏡器件，圖像信號(hào)預(yù)先保存在Flash模塊中，微鏡定時(shí)脈沖信號(hào)由軟件編程控制發(fā)送。

2.4.2 控制流程

使用DMD調(diào)制功能前需要對(duì)DMD驅(qū)動(dòng)控制模塊進(jìn)行初始化，包括I2C引腳初始化，檢測(cè)主芯片和DLPC3470以及DMD通信是否建立。

選擇內(nèi)部pattern模式,查看DMD狀態(tài)信息，完成初始化后在屏幕上顯示DMD的狀態(tài)信息。

發(fā)送工作指令前，針對(duì)DLP波長(zhǎng)選通要求確認(rèn)圖案信息，把圖案通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸保存在Flash內(nèi)。

發(fā)送工作指令，通過(guò)I2C命令控制DMD按照編碼格式讀取Flash數(shù)據(jù)。主芯片發(fā)送微鏡定時(shí)脈沖信號(hào)，pattern文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼，DMD微鏡按照新的狀態(tài)值落位。圖5為DMD模塊軟件控制流程。

圖5 DMD控制流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)部分首先對(duì)模塊進(jìn)行準(zhǔn)確和重復(fù)性能分析，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段同一光電流產(chǎn)生的A/D通道電壓值進(jìn)行采樣，并從平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及平均誤差3方面進(jìn)行分析。最后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試甲苯，與標(biāo)準(zhǔn)甲苯拉曼光譜作對(duì)比。

3.1 模塊測(cè)試

測(cè)試采用0.01 mA的直流電流生成的光電信號(hào)對(duì)準(zhǔn)數(shù)字微鏡表面，理論上A/D通道電壓值結(jié)果為1.965 V。實(shí)驗(yàn)分為3組，選擇一天內(nèi)的不同時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試，讀取光電轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)際電壓值，每組測(cè)試做8次，數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為1 s，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) V

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在均值、方差以及誤差百分比方面進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 分析結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可知，平均誤差均小于1%，其中2組小于0.5%，并且3組測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，分析結(jié)果表明模塊能達(dá)到采集微弱光信號(hào)的精度要求。

3.2 光譜測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室搭建的光路環(huán)境下選擇甲苯進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果實(shí)驗(yàn)，直接檢測(cè)結(jié)果是光譜強(qiáng)度與DMD像素位置(對(duì)應(yīng)拉曼光的波長(zhǎng))的拉曼光譜圖，而實(shí)際中應(yīng)用的是光譜強(qiáng)度與波數(shù)關(guān)系的拉曼光譜圖。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在表4展示的5條譜線位置能識(shí)別到強(qiáng)度良好的譜峰。對(duì)甲苯進(jìn)行10次測(cè)量取平均值得到拉曼光譜，其中光譜特征峰波數(shù)對(duì)應(yīng)的像素位置如表4所示。

表4 特征峰波數(shù)位置表

圖6為甲苯的拉曼光譜圖。增加重復(fù)光譜次數(shù)減少了無(wú)規(guī)則噪聲的誤差影響。從圖6看到采樣的數(shù)據(jù)中能得到5條強(qiáng)度明顯的特征峰，與專業(yè)提供的甲苯標(biāo)準(zhǔn)光譜相符[9]。

圖6 甲苯拉曼光譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于實(shí)驗(yàn)室搭建的光路系統(tǒng)，提出一種基于DMD的拉曼光譜儀檢測(cè)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)工作波長(zhǎng)范圍為450～600 nm。該方法能有效快速地獲取拉曼光譜。將光譜儀的獲取單獨(dú)成為一個(gè)獨(dú)立的模塊，可以增加光譜儀裝置的靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。