基于單片機的光電二極管陣列驅動電路設計

楊曉婭

（鄭州大學 信息工程學院，鄭州450001）

引 言

傳統的紫外光譜檢測系統采用單通道光電倍增管作為光電接收器件，由波長掃描機構實現波長掃描，完成整個波長范圍內的光電檢測。這種光電檢測系統，體積龐大、測量速度慢，只能做單波長檢測［1-2］。光電二極管陣列屬于多通道檢測器件，因其具有體積小、單片集成信號讀出電路、光譜響應寬等特點［3-5］，可廣泛應用于各類多通道光譜檢測系統，目前大多數光電二極管陣列多采用現場可編程邏輯器件控制光電二極管時序電路的產生，會造成資源上的浪費。本文采用一片單片機80C52就能夠完成包括光電二極管時序的產生、ADC 采樣及數據傳輸處理整個過程，解決了采用現場可編程器件資源浪費的問題，節省了成本。

本文所采用的光電二極管陣列是日本濱松公司生產的S3923-256Q，S3923-256Q 具有較大的波長響應范圍，能夠響應200～1 000nm 范圍波長，最大暗電流只有0.08 pA，當波長λp＝600nm 時，陣列靈敏度為2.4A／W。光敏面積大，S3923-256Q 的像元高度可以達到0.5 mm，寬度為25μm，光電二極管陣列S3923-256Q 將數字移位寄存器、有效光電二極管陣列和啞元二極管陣列集成在一起，使得S3923-256Q 能夠在時序電路的控制下完成自掃描的過程，從而提高了響應速度，能夠響應0.1～500kHz的信號，電路靈活性強。其功耗僅有10mW，適用于做微弱光信號檢測。

1 硬件設計

1.1 系統總體設計方案

以單片機為控制芯片的光電二極管陣列驅動電路設計的總體設計如圖1所示。

圖1 光電二極管陣列總體框圖

測試樣品在激光的照射下發出微弱的光信號，經過光學分光系統分離出不同波長范圍的光，由光電二極管陣列接收處理。單片機是整個系統的核心部件，負責產生光電二極管陣列S3923-256Q 的驅動信號，使S3923-256Q 產生響應并輸出相應波長所對應的電信號，經過放大電路放大后控制ADC采樣信息送往串口，最終由上位機進行處理。

1.2 光電二極管陣列驅動的設計

圖2為光電二極管的驅動電路［6-8］，通用驅動信號由單片機的輸入／輸出口直接產生驅動脈沖，由軟件控制脈沖的時序，該方法的優點是脈沖產生靈活方便。

圖2 光電二極管陣列驅動電路

1.3 前置放大器模塊

放大器OPA111是高精度運算放大器，電阻經激光矯正，使其輸入偏置電流和輸入補償電流最大只有幾個pA，輸入最大電流噪聲為，最大電壓噪聲為80，適用于微弱光檢測前置放大電路。

前置放大器模塊主要是由OPA111組成的儀表放大器，此電路利用差分的方法同時抵消溫漂和暗電流的影響。

OPA111構成的精密儀表放大器如圖3所示。

圖3 OPA111構成的精密儀表放大器

放大器增益為：

儀表放大器輸出電壓為：

經過儀表放大器后的信號有效地減少了溫漂和暗電流的影響，但對于nW 級信號來說，儀表放大器若放大倍數太大，放大器自身仍會引入較強溫漂等噪聲信號。若要將信號送往ADC處理，需要進一步對信號進行放大處理。可以采用由OP07組成的同相比例運算放大電路，通過不同開關控制反饋電阻大小得到所需的放大倍數，使其能夠控制在A／D采樣輸入電壓范圍內，有利于ADC的采樣和處理。

2 軟件設計

單片機初始化后，首先產生光電二極管驅動脈沖，與此同時建立一個中斷脈沖啟動信號，使中斷響應與二極管陣列時序驅動輸出同步，以便響應中斷后能夠迅速控制ADC進行轉換。為了提高讀取速度，可以把單一數據的傳輸以頁寫的方式批量讀取，并給每一頁編號，最終由上位機完成整頁數據的疊加，從而可以有效地消除隨機噪聲。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程

2.1 光電二極管陣列時序產生

利用單片機定時器中斷產生光電二極管S3923-256Q控制時序，用均分的方法把光電二極管陣列時序每個周期分為10 段（A～I表示不同的狀態），每一段定時為100 μs，從而產生周期為t＝10×100μs＝1ms（頻率為f＝1／t＝1kHz）的時序脈沖。可以通過改變定時器定時時間的長短value＿h和value＿l的值，更改光電二極管陣列的驅動時序頻率。時序產生部分程序如下：

num 實現A～I狀態的切換，其中b表示在沒有重新啟動時，每次進入定時器中斷時切換到某一特定狀態值。當256個陣列掃描結束后，新的一輪開始。光電二極管的驅動時序如圖5所示。TRIG 信號在每次光電二極管陣列產生視頻信號輸出之后復位之前，此時觸發單片機中斷，從而控制ADC開始轉換。

圖5 光電二極管陣列的驅動時序產生圖

2.2 模擬量控制通道

模擬量控制通道是實現數據控制傳輸的重要模塊，本文設計的模擬控制量控制通道采用單極性0～10V 電壓輸入，最大轉換時間為25 μs 的8／12 位模數轉換器MX574。圖6 給出了MX574 的數據轉換和讀取時序。ADC開始工作時，啟動轉換程序，當轉換結束標志為置1（即STS＝1）時，轉換結束，數據開始讀取，整個過程不到50μs，使數據能夠實時的傳送給上位機。

MX574的8位轉換時序如下：

圖6 MX574轉換和讀取時序圖

MX574同時支持8位和12位數據轉換，進行12位數據轉換和8位數據轉換時序相同，在數據讀取時12位轉換要先讀高8 位，讀完高8 位再讀低4 位。系統中采用RS232通信模式，接收A／D采樣轉換后的采樣數據通過串口直接傳遞給上位機進行處理，最終顯示輸出數據波形。

3 實驗結果分析

實驗室所用發光光源為紅色LED 照射，發光功率大約為1nW，肉眼可以看到發出極其微弱的紅光，圖7為光電二極管檢測到的光譜圖。從圖中可以看出在680nm 附近采集到的電壓值最高，即在680nm 附近紅光的發光強度最強。

圖7 紅光光譜測量

結 語

完成了在單片機上實現微弱光信號的檢測實驗，由上位機的測量數據的處理，可以實現光譜的檢測。由于光電二極管陣列對不同波長的光靈敏度不同，實驗數據還需進一步矯正，使其能夠更接近真實值。

實驗中不可避免地會引入各種干擾，尤其是50Hz基波及二次諧波干擾最嚴重，能夠達到mV 級，因此檢測電路必須用金屬外殼屏蔽。另外，摩擦電、外界震動、輸入連接及輸入電纜等都能引起誤差和漂移，要盡可能嚴格的連接，避免電纜的振動。優質的低噪聲或滲露電纜也可縮減泄露電流，并盡可能縮短輸入連接線路。

［1］李曉坤.精密光電檢測電路設計方案［J］.電子產品世界，2003（23）：37-39.

［2］王程，張維，牛文成，等.用于SPR 檢測的自消噪光電二極管陣列驅動電路［J］.傳感技術學報，2011（4）：522-526.

［3］Brinckmann E.New facilities and instruments for developmental biology research in space［J］.Developmental Biology Research in Space，2003（9）：253-280.

［4］黃遷，張濤，鄭偉波.基于FPGA 的光電二極管陣列驅動設計［J］.科學技術與工程，2011（16）：3659-3663.

［5］王昊，賴康生.基于DSP的光電二極管陣列信號采集系統設計［J］.工業控制計算機，2011（5）：23-24.

［6］萬峰，范世福.Hamamatsu圖像傳感器及其在紫外可見光譜測量中的應用［J］.分析儀器，2006（1）：49-51.

［7］張國偉.基于CPLD 的多線陣探測器驅動電路設計［J］.微計算機信息，2009（2）：287-289.

［8］汪濤，鮑健.基于NMOS線性圖像傳感器的光譜數據采集系統設計［J］.大氣與環境光學學報，2009（1）：63-68.