微型近紅外光譜儀低功耗系統的設計

(1.江蘇大學機械工程學院，鎮江 212013；2. 無錫迅杰光遠科技有限公司，無錫 214028；3. 江蘇大學食品工程學院，鎮江 212013)

近年來，隨著近紅外光譜分析技術的不斷進步，近紅外光譜儀的應用越來越廣泛，極大地便利了人們在檢測領域的工作。其中，近紅外光譜分析技術更是在農業以及食品領域得到了廣泛的認可[1]，近紅外光譜儀器的便攜式小型化是實現現場檢測的必然要求。便攜式近紅外光譜儀一般使用電池供電，因此人們不僅希望能夠簡化檢測過程，更希望能在保證性能的前提下盡可能延長工作時間，因此，需要盡可能降低儀器功耗，有效延長工作時間，增加檢測次數。

便攜式電子檢測設備的功耗是由多方面因素決定的，但主要取決于設備的設計工藝、芯片和器件的選擇以及系統的工作方式等[2]。便攜式設備的工作模塊和元器件高度集中，會因為散熱問題導致設備內部模塊以及芯片工作溫度的急劇升高，降低電子電路系統的可靠性，因此常需增加散熱裝置以保證系統的可靠性，這又會導致功耗增加，同時增加了成本。因此，降低功耗是解決便攜式儀器這一問題的一種有效方法。功耗的降低不僅可以保證設備的性能以及可靠性，延長工作時間，同時，嵌入式系統隨著功耗的降低還可以有效減少電磁干擾[3]。

1 硬件系統設計

近紅外光譜儀系統由上位機、光譜儀模塊、光源驅動模塊、通訊模塊、微控制器、電源模塊以及外設部分組成。其中，低功耗優化設計主要針對光源、模塊供電、微控制器工作模式等部分進行，同時添加了溫度傳感器。

鹵鎢燈是光譜儀中功耗較大的部分，設計采用了光源能量可調的模塊，該模塊可根據采樣需求以及工作模式獨立調整光源能量；溫度傳感器實時檢測儀器工作溫度，在達到一定的待機時間和溫度時，微控制器對外部件進行不同配置，并使其進入對應的工作模式以降低功耗；電源采用分區供電的方式，在低功耗模式時對部分區域斷電以降低功耗，如：旋轉樣品池的驅動電機、降溫風扇、蜂鳴器等模塊；同時，在集成芯片選型以及電路設計時采用低功耗器件。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1.1 光譜儀模塊

系統的核心器件是采用MEMS技術的集成光譜儀，該光譜儀采用的是無錫迅杰光遠科技有限公司自主研發的光譜儀模塊NIR_PROTON，外形如圖2所示。光譜儀模塊關鍵器件是DMD，其工作原理是：光經過狹縫進入準直鏡，準直后的平行光通過光柵分光，成像在DMD面陣上[4]；DMD對波長進行選通，最后經過聚透鏡成像在檢測器上得到近紅外光譜[5]。光譜波長范圍為900～1700 nm，信噪比大于6000∶1，采用1×1 mm非制冷InGaAs光電二極管(探測器)，支持藍牙傳輸，USB供電，擁有低功耗的特性。

圖2 光譜儀模塊

1.2 微控制器

微控制器是光譜儀器的中央控制器，在低功耗設計中，CPU芯片的選型是關鍵問題之一，系統中采用的CPU芯片能夠直接影響到系統工作模式的配置，從而影響到系統的功耗大小。設計采用STM32F407作為系統中央控制器，其部分外圍電路如圖3所示。STM32F407 是基于ARMCortex-M 系列的32 bit Flash高性能微控制器，采用90 nm的NVM(Non-volatile memory，非易失存儲器) 和ART(自適應實時存儲器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?)[6]。ART提升了程序執行效率，能夠完全釋放Cortex-M內核的性能，當CPU在工作頻率范圍內(≤168MHz)時，具有零等待周期；支持USART串口、SPI 接口、CAN 接口、??2C 接口以及 USB 接口，能夠適應于多種使用場合；高速USART可達10.5 Mbits/s，高速SPI可達37.5Mbits/s[7, 8]；STM32F407的工作電壓為1.8～3.6V，共有休眠模式、停止模式和待機模式3 種低功耗模式，通過相關程序指令進行休眠。電源部分單獨給單片機供電，以在低功耗模式下斷開外設電源；同時系統部分時鐘可停止以達到減少功耗的目的。

圖3 STM32F407部分外圍電路圖

1.3 光源能量可調模塊的設計

光源是光譜儀系統功耗以及散熱最大的部分，設計光源能量可調模塊一方面可減少光譜儀電流增大以及溫度升高帶來的影響，延長鹵鎢燈使用壽命；另一方面，可以在測試不同樣品時選擇不同光強以降低功耗。DAC采用DAC0832模塊，其電路配置圖如圖4所示，該模塊穩定工作時功耗約20 mW，集成電路內有兩級輸入寄存器，因此DAC0832芯片具有雙緩沖、單緩沖和直通等3種輸入方式[9]。DAC0832以電流形式輸出，需外接運算放大器轉換為電壓輸出。光源能量調節從0～100%，分為10檔，每10%為1檔。

圖4 DAC0832電路配置圖

1.4 溫度傳感器設計

溫度傳感器用于實時檢測儀器內部工作環境溫度以及旋轉樣品池溫度。設計使用的DS18B20是達拉斯半導體公司的單總線數字溫度傳感器，具有低功耗、抗干擾能力強等優點，可在同一總線上掛載多個同類型溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器測溫原理是通過溫度對內部的高、低溫系數振蕩器的頻率影響來測量的，計數器與預先設置的基數值比較，若計數器在高溫系數振蕩器輸出的門周期結束前計數到零，則溫度寄存器的值就增加1℃。DS18B20溫度采集后將溫度轉換成12 bit二進制數輸出并存儲兩個8 bit的RAM中，二進制數前5 bit為符號位，若測量的溫度大于0則全為0，反之則全為1[10]。傳感器連接外圍電路圖與測溫模塊原理圖如圖5和圖6所示。

圖5 傳感器連接外圍電路圖

圖6 測溫模塊原理圖

1.5 電源設計

電源部分采用分區供電設計。光源與外設獨立供電，單片機由電池單獨供電，在待機模式下只有單片機工作，功耗可達微瓦級，電源部分結構如圖7所示。電池部分采用雙向Buck-Boost開關變換器，原理圖如圖8所示，當開關管S1正常工作且S2斷開時，電感電流流經過S2體二極管，此時電路工作在Boost電路，蓄電池供電；當開關管S2正常工作且S1斷開時，電感電流流經過S1體二極管，此時電路工作在Buck電路，蓄電池充電。

圖7 電源供電結構圖

圖8 雙向Buck-Boost開關原理圖

2 軟件設計

2.1 工作模式設計

根據STM32F407的3種低功耗模式的特點，將系統的低功耗模式設計為3種，分別為休眠模式、停止模式和待機模式。

系統通過上位機軟件判斷，若在時間T1內無操作或觸發休眠按鍵，則由上位機通過串口發送指令，單片機對串口指令進行解析，此時在中斷中對外設進行操作。休眠模式下，光源強度降低到50%，微控制器關閉步進電機使能信號，蜂鳴器響一聲后關閉，風扇速度降低到P1。操作完成后微控制器跳轉到休眠操作函數Sys_Enter_Sys_Sleepy()，進入休眠模式。

若在時間T2內無操作或觸發停止按鍵，則單片機對相應外設做具體操作，光源強度降低到10%，微控制器關閉步進電機使能信號，蜂鳴器響兩聲后關閉，單片機對溫度傳感器讀數值進行判斷。若環境溫度在C1閾值內時，對應可調風扇速度P1，若環境溫度在C2閾值內時；對應可調風扇速度P2；若溫度達到C3時，可調風扇速度對應低速P3。操作完成后微控制器跳轉到停止操作函數Sys_Enter_Sys_Stop()，進入停止模式。

若通過上位機觸發待機按鍵，系統切斷光源、步進電機、蜂鳴器、風扇等外設供電，此時電池單獨給單片機供電，由上位機通過串口發送指令，單片機對串口指令進行解析，操作完成后微控制器跳轉到待機操作函數Sys_Enter_Sys_Wait()，進入待機模式。

2.2 程序設計

下位機(微控制器)設計采用STM32F407，軟件編譯設計采用Keil Software公司出品的Keil C51，Keil通過集成開發環境(μVision)將C編譯器、宏匯編、鏈接器、仿真調試器以及庫管理等組合在一起，目標代碼效率高，匯編代碼緊湊。系統工作流程如圖9所示。

圖9 系統工作流程圖

休眠模式具體操作部分下位機代碼下：

void Sys_Sleepy(void)

{

SCB->SCR |=0X00; //進入退出低功耗狀態特性

#if defined ( __CC_ARM ) //識別編譯器宏，KEIL自帶編譯器

__force_stores();

#endif

/* Request Wait For Interrupt */

__WFI();

}

//系統進入待機模式

void Sys_Enter_Sys_Sleepy(void)

{

// RCC_APB2PeriphResetCmd(0X01FC,DISABLE); //復位所有IO口

Sys_Sleepy();

}

系統上位機軟件基于C#語言編寫，軟件實現系統自檢、光譜采集與顯示，以及進入低功耗模式與喚醒功能。操作界面如圖10所示。

圖10 操作主界面

3 系統性能測試

3.1 基線漂移

基線穩定性是系統相對參比掃描所得基線的漂移程度。在室溫25℃，儀器預熱30 min后，掃描標準白板光譜。采樣波長范圍900～1700 nm，波長間隔1 nm，每隔5 min連續2次采集參比白板光譜，將2次采集參比白板光譜在每1個波長點處相除再乘上100%得到1條基線[11]，連續測量2 h，總計24條光譜數據。用所測得的光譜數據的各個對應波長點的相對標準偏差來評價基線漂移程度，相對標準偏差計算公式如式為：

(1)

圖11 900nm～1700nm范圍內參比100%T線相對標準偏差

由圖11可知，除去尾端波長點基線漂移嚴重外，1000～1600 nm參比的100%線相對標準偏差在0.000 2～0.0006之間，基線穩定性較高。

3.2 穩定性

穩定性指在同樣的外界條件下，性能保持不變的能力。在室溫25℃，儀器預熱30 min后，掃描標準白板光譜，采樣波長范圍900～1700 nm，波長間隔1 nm，每5 min保存1次光譜信號，連續測量2 h，總計24條光譜數據。多次采集中探測器信號強度變化如圖12所示。

圖12 探測器信號強度變化圖

由于每次光譜采集數據相當接近，因此采用各波長處的光強相對標準偏差來評價穩定性，由圖13可知，除尾端相對標準偏差較大外，其余各個點相對標準偏差均在0.002以下。

圖13 各波長點處光強變化相對標準偏差

3.3 實際功耗檢測

測試使用電流表測量設備待機時消耗的電流，該方案用來測量設備在休眠模式的工作電流，精度較高。測試連接示意圖外設PCB板如圖14、圖15所示。

圖14 測試連接示意圖

圖15 外設PCB板

在低功耗設計前系統整體工作功耗約為48 W，持續工作時間約4 h。經改進設計后的部分部件的功耗如表1所示，在達到停止模式后功耗將降至微瓦級，光譜儀在硬件以及電路部分有約8 W的降耗。經過試驗，在低功耗設計后系持續工作時間有了較大延長，正常工作模式配合低功耗模式下持續工作時間約7～8 h，低功耗模式下待機時間可達10 h。

表1 部分功耗測試 W

4 結束語

在以降低功耗為目的的光譜儀工作模式和電路設計中添加溫度傳感器和光源能量可調模塊，并且采用電源分區供電，根據STM32F407的低功耗特性及工作模式設計了3種工作工作模式，配合外設、上位機與光譜儀實現近紅外光譜儀器系統的低功耗設計。經過性能與功耗試驗，光譜儀穩定性好、基線穩定，滿足儀器性能要求，且系統在低功耗設計后持續工作時間有了明顯的延長。