原標(biāo)題：Excelpoint -分光測色儀硬件設(shè)計(jì)方案

Excelpoint分光測色儀硬件設(shè)計(jì)方案

一、引言

分光測色儀，簡稱“測色儀”（或稱“分光光度儀”），是分光光譜儀的一種。它通過測量物體在不同波長下的反射或透射光強(qiáng)度，來確定物體的顏色屬性。本文旨在詳細(xì)介紹Excelpoint分光測色儀的硬件設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片的選型及其在設(shè)計(jì)中的作用。

二、系統(tǒng)概述

分光測色儀的硬件系統(tǒng)主要由光源、光接收器、信號(hào)處理器等組成。其中，光源負(fù)責(zé)發(fā)出單色光，光接收器負(fù)責(zé)接收并轉(zhuǎn)換光信號(hào)為電信號(hào)，信號(hào)處理器則負(fù)責(zé)處理這些電信號(hào)并計(jì)算出顏色參數(shù)。

三、主控芯片選型及其作用

在分光測色儀的硬件設(shè)計(jì)中，主控芯片的選擇至關(guān)重要。它不僅需要處理大量的數(shù)據(jù)，還需要控制光源、光接收器以及溫度等參數(shù)，確保測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。以下是幾種常用的主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

1. ADI公司LT3092恒流源芯片

型號(hào)：LT3092

作用：

• 恒流源設(shè)計(jì)：LT3092是一款單芯片集成的恒流源解決方案，適用于小功率LED的恒流驅(qū)動(dòng)。其最大輸出電流為200mA，滿足分光測色儀中光源的穩(wěn)定性要求。

• 高精度微恒流源：LT3092內(nèi)部集成了一個(gè)高精度微恒流源（10uA），結(jié)合精密電阻可以組成高精度的參考電壓源，用于校準(zhǔn)和穩(wěn)定光源的發(fā)光強(qiáng)度。

• 數(shù)字電位器控制：通過連接數(shù)字電位器（如ADI公司的AD5610），LT3092的SET引腳可以直接由MCU控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流的功能。這對(duì)于分光測色儀中不同波長LED的恒流驅(qū)動(dòng)非常有用。

• 多通道模擬開關(guān)：當(dāng)分光測色儀使用多個(gè)不同波長的LED時(shí)，可以為每個(gè)LED配上一個(gè)恒流源，但更經(jīng)濟(jì)的方案是使用一個(gè)恒流源配合模擬開關(guān)（如ADI公司的ADG452）切換通道。ADG452單芯片集成了4通道模擬開關(guān)，具有較低的導(dǎo)通電阻和快速的開關(guān)頻率，滿足設(shè)計(jì)需求。

2. ADI公司LT3085恒流源芯片

型號(hào)：LT3085

作用：

• 大電流輸出：LT3085是一款輸出電流更大的恒流源芯片，最大輸出電流可達(dá)500mA。這使得它適用于需要更高功率的加熱器驅(qū)動(dòng)，如分光測色儀中的恒溫控制電路。

• 恒流驅(qū)動(dòng)加熱器：在恒溫控制電路中，加熱器需要穩(wěn)定的電流驅(qū)動(dòng)以保持光源的溫度穩(wěn)定。LT3085配合數(shù)字電位器，可以由MCU實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流變化，從而控制加熱器的功率輸出。

• 低噪聲、低漂移：LT3085具有低噪聲和低漂移的特性，這使得它在精密測量應(yīng)用中表現(xiàn)出色。在分光測色儀中，這些特性有助于確保測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3. ADI公司AD7124-4高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器

型號(hào)：AD7124-4

作用：

• 高精度采集溫度數(shù)據(jù)：AD7124-4是一款集成程控放大器和高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的器件。它可以直接連接小信號(hào)傳感器（如PT100溫度傳感器）而無需放大電路，提供高達(dá)19 kSPS、24位的高分辨率數(shù)據(jù)采集。

• 集成激勵(lì)電流源：AD7124-4內(nèi)置激勵(lì)電流源，設(shè)置范圍從50 μA到1 mA，方便給溫度傳感器供電。

• 節(jié)省硬件成本：由于AD7124-4集成了多個(gè)功能，如程控放大器、激勵(lì)電流源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此可以顯著節(jié)省硬件成本，并簡化電路設(shè)計(jì)。

4. ADI公司ADPD2211光電二極管放大器

型號(hào)：ADPD2211

作用：

• 超高靈敏度：ADPD2211自帶24倍電流放大器，具有超高的靈敏度，適用于光電轉(zhuǎn)換電路中的光電二極管（PD）信號(hào)放大。

• 低噪聲：ADPD2211具有極低的電流噪聲（90fA/√Hz），這對(duì)于提高分光測色儀的測量精度至關(guān)重要。

• 高速響應(yīng)：ADPD2211具有極好的脈沖響應(yīng)（典型帶寬達(dá)400KHz），能夠快速響應(yīng)光信號(hào)的變化，確保測量的實(shí)時(shí)性。

5. ADI公司ADuCM361高性能MCU

型號(hào)：ADuCM361

作用：

• 高性能模擬部分：ADuCM361是一款結(jié)合了高精度ADC與高性能MCU的器件。它內(nèi)置32位ARM Cortex-M3處理器，集成了多個(gè)外設(shè)如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog等，方便使用。

• 多通道ADC模塊：ADuCM361集成了4 kSPS、24位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可以在全差分和單端模式下工作。這使得它能夠滿足分光測色儀中光電數(shù)據(jù)采集、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)以及DAC控制光源恒流源等多種需求。

• 可編程激勵(lì)電流源：ADuCM361附帶的可編程激勵(lì)電流源可以應(yīng)用于許多電流驅(qū)動(dòng)型的傳感器，如溫度傳感器PT100。

• 節(jié)省硬件成本：由于ADuCM361集成了多個(gè)功能，因此可以顯著節(jié)省硬件成本，并簡化電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，它的高性能模擬部分使得分光測色儀的測量精度和穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

四、硬件設(shè)計(jì)方案

1. 光源模塊

光源模塊采用小功率單波長LED作為光源。為了保持LED發(fā)光的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)恒流源電路。在這里，我們可以選擇LT3092恒流源芯片配合數(shù)字電位器AD5610來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流的功能。如果需要多個(gè)不同波長的LED，可以使用ADG452模擬開關(guān)來切換通道。

2. 光接收器模塊

光接收器模塊采用光電二極管（PD）作為光信號(hào)接收器。為了將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行放大，我們可以選擇ADPD2211光電二極管放大器。它具有超高的靈敏度和低噪聲特性，能夠滿足分光測色儀對(duì)測量精度的要求。

3. 信號(hào)處理器模塊

信號(hào)處理器模塊采用ADuCM361高性能MCU作為核心處理器。它集成了多通道ADC模塊、DAC模塊以及多個(gè)外設(shè)接口，可以滿足分光測色儀中數(shù)據(jù)處理和控制的各種需求。同時(shí)，它的可編程激勵(lì)電流源可以應(yīng)用于溫度傳感器PT100的驅(qū)動(dòng)。

4. 恒溫控制電路

恒溫控制電路由加熱器、溫度傳感器、溫度保護(hù)器和控制器組成。加熱器采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，可以選擇LT3085恒流源芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片。溫度傳感器選擇線性好、精度高的PT100?？刂破鞑捎肁DuCM361高性能MCU，通過PID算法控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出，達(dá)到恒溫控制的目的。

五、結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了Excelpoint分光測色儀的硬件設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片的選型及其在設(shè)計(jì)中的作用。通過選擇LT3092恒流源芯片、LT3085恒流源芯片、AD7124-4高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、ADPD2211光電二極管放大器以及ADuCM361高性能MCU等器件，我們構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確且高效的分光測色儀硬件系統(tǒng)。這些器件的選擇不僅滿足了設(shè)計(jì)需求，還顯著節(jié)省了硬件成本并簡化了電路設(shè)計(jì)。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化這些器件的選擇和電路設(shè)計(jì)，以提高分光測色儀的性能和穩(wěn)定性。