【摘要】针对多路红外光谱仪的特点，设计了以4片THS1206为模/数转换器的多路采集系统。本文详细的介绍了THS1206的结构特点、控制寄存器设置及软、硬件设计。测试结果表明，THS1206可以很好地满足多路红外光谱仪的速度与精度要求。
【关键词】THS1206;红外光谱仪;模/数转换
Application of THS1206 in Multichannel Infrared Spectrometer
Li Zhe
（Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
Abstract：According to the characteristics of multichannel infrared spectrometer，a multichannel acquiring system with 4 THS1206 as its ADC is designed.Structural features，control register settings，software design and hardware design are introduced in detail in this paper.Test results show that THS1206 can meet the multichannel infrared spectrometer’s demands of sample rate and accuracy.
Key words：THS1206;Infrared Spectrometer;A/D Converter
引言
红外光谱仪是近年来发展最为迅速的高新分析技术之一，由于其快速、高效、无损、非接触等优点，广泛应用于农业、矿产、气象、医药等诸多领域[1]。由于红外光谱仪对速度与精度的要求，且单片探测器像元数量不足，因此需要设计一套系统以实现红外光谱仪的多路同步采集。本文介绍了以FPGA为核心，4片THS1206为A/D转换器的多路采集系统，并详细介绍了THS1206的结构特点、寄存器设置及软硬件设计。
1.基于THS1206的红外光谱仪采集系统
红外光谱仪的电子学系统由红外探测器、A/D转换单元、FPGA、控制与图像传输单元、上位机构成，如图1所示。
图1 红外光谱仪电子学系统框图
根据测量光谱的需要，红外光谱仪选用了4片Xenics公司的XLIN系列的红外线阵探测器，该探测器有2048像元，奇数、偶数像元各有一块读出电路，且为差分信号输出，最高像元输出速率为12.5Mhz。A/D转换单元采用了4片THS1206，与探测器相对应。FPGA采用的是Xilinx公司的XC2V3000，为红外探测器提供时序，控制A/D转换模块，接收上位机控制指令，并控制CameraLink芯片将图像传至上位机。
2.THS1206的功能、结构与控制寄存器
THS1206是TI公司出品的一种基于流水线结构的低功耗高速A/D转换器，主要适用于雷达、成像、高速采集、通信及控制应用领域。它具有以下特点：转换速率高，在单端输入时可达到最高6MSPS的转换效率;多通道可选输入，可根据需要使用最多4个单路或2路差分的模拟量输入模式，也可单路与差分混合输入;12位的高采样精度，且差分输入下的非线性误差仅为±1LSB;信噪比高，2MHz工作频率下，信噪比可达68dB;最大功耗仅为218mW，且可以选择待机模式减少功耗;内部集成16字深度的FIFO，可方便地通过处理器操作内部指针来读出数据。THS1206由采样保持器、单端/差分多路复用器、12位流水线A/D、16字12位FIFO、逻辑控制单元、控制寄存器、缓冲器、参考电压模块组成，THS1206内部结构[2]如图2所示。
图2 THS1206的内部结构
THS1206有两个控制寄存器CR0与CR1，通过更改寄存器设置可使其进入相应的工作模式，控制寄存器如表1所示[3][4]。THS1206的12位数据位是双向I/O，设置寄存器时作为输入，模数转换后的数据为输出。设置寄存器时，最高两位为寄存器选择地址，D11、D10为00时，选择CR0;为01时，选择CR1。
其控制寄存器说明如下：
1）VREF：参考电压选择，0为内参考，1为外参考;
2）MODE：模式选择，0为连续转换模式，此模式下。1为单独转换模式;
3）CHSEL0、CHSEL1、DIFF0、DIFF1：通道选择，可以根据需要选择单端或差分输入模式;
4）SCAN：自动扫描开关，0为关闭，1为开启，使用多个通道时应开启盖功能;
5）TEST0、TEST1：测试模式，可对硬件引脚的VREFP和VREFM进行测试，平时应设置为00，使用正常模式;
6）RESET：复位功能，将此位置为1可进行重置寄存器设置、FIFO指针;
7）OVFL/FRST：FIFO溢出标志位/FIFO复位控制，读取为1时标志FIFO溢出，将此位写入1则复位FIFO。如需要舍弃FIFO未读出的值时，可设置复位FIFO;
8）TRIG0、TRIG1：FIFO的深度设置，可根据需要进行选择;
9）DATA_T、DATA_P：控制DATA_AV引脚有效的种类和极性，电平信号或者脉冲信号，高有效或是低有效，可适用于多种控制器。
10）R/W：RD与WR引脚的选择设置，如果置为1则RD引脚失效，WR引脚高为读使能，低为写使能。
11）BIN/2s：数字输出的编码设置，置为1则输出码值为0至FFF，置为0则输出码值与输入的电压正负无关，输出绝对值。
12）RBACK：调试模式，设置为0则正常工作，设置为1可回读控制寄存器参数。
图3 THS1206的硬件设计
图4 THS1206初始化设置流程
3.THS1206的硬件设计
THS1206共有32个引脚，模拟电源AVDD使用模拟5V，数字电源DVDD及缓冲器数字电源BVDD使用3.3V。由于本例中使用内部参考电压，外部基准电压REFP与REFM需接入10µF的旁路电容以去除内部参考电压的高频噪声，此处使用22µF是为了提高可靠性，共模基准电压输入REFIN与内部基准电压输出REFOUT相接，REFOUT一定要接10µF电容到地，否则会影响采样效果。如使用外参考电压，REFP接+3.5V，REFM接+1.5V，REFIN可接入外参考电压+2.5V，并通过将寄存器0的第0位设置为高。红外探测器有按像元的奇偶分为两个读出电路，且读出电路输出为差分信号，AINP、AINM、BINP、BINM可构成两个差分输入，使一片THS1206对应一片红外探测器，输入端P为正端，M为负端，接入前应将输入信号调理至THS1206可接入的范围。D11-D0为数据线，数据线除输出采样数据以外，其高两位D11、D10还作为内部控制寄存器地址线使用。控制信号有片选信号CS0、CS1，读写信号RD、WR，转换时钟CONV_CLK，数据有效标志DATA_AV，数据线与控制信号直接接入FPGA。硬件设计如图3所示。
4.THS1206的软件设计
4.1 THS1206初始化设计
THS1206软件设计主要为初始化设置和A/D转化两部分，初始化设置是A/D转化工作的前提。根据器件手册的要求，使用前应对THS1206进行复位，通过软件向控制寄存器1的第0位写入1，复位芯片，控制寄存器、FIFO的指针及偏移寄存器，再写入0，清除复位。然后根据实际需要，设置控制寄存器0和控制寄存器1，同时复位FIFO，初始化设置流程如图4所示。如果使用默认值，则先向控制寄存器1写入0x401，然后再写入0x400清除复位，其中的D11、D10为控制寄存器的地址线，D9-D0对应寄存器设置相应位数。由于实际使用的情况是多种多样的，默认值是不满足需求的，此时需要对控制寄存器进行重新设置，除写入0x401及0x400后，再分别写入控制寄存器0及控制寄存器1的设置值。关于控制寄存器0的设置，因硬件设计上已经使用了内参考且为两路差分输入，且应使用连续模式自动扫描，所以对其写入0xC8。关于控制寄存器1的设置，选择二进制输出，FIFO深度设为8，使用RD及WR信号，并同时复位FIFO，对其写入0x48A。在对寄存器设置时，CS0置低、CS1置高、WR置低、RD置高。
4.2 A/D转化软件设计
软件设计的重中之重就是合理的安排复位、设置、中断处理、数据采集读取的工作时序，尤其是防止双向总线的冲突，因为双向总线冲突会引起硬件电路的电流波动及参数设置错误或数据采集异常。由于线阵探测器只有单行数据且需要一定的积分时间，因此在每行工作开始时进行THS1206初始化设置，积分时间到达之后进行A/D转化数据读取比较合理。软件流程设计如图5所示，上电初始化后，读取行同步信号，行同步无效则继续等待，有效则复位THS1206并进行设置，继续读取DATA_AV信号，无效则进入等待状态，有效读取THS1206中FIFO内的数据，然后等待DATA_AV信号有效或行同步有效。
图5 A/D转化软件流程设计
THS1206在CONV_CLK的控制下，采样两组差分信号共8个数据写入FIFO，FIFO写满则DATA_AV低电平有效，通知FPGA读取数据，此时FPGA将CS0置低，CS1置高，WR置高，RD置低，将数据存入FPGA中的RAM，待一行图像接收完毕后进行打包发送。
5.测试结果与结论
采集到的红外原始数据如图6所示，4片红外探测器共8192个像元，12位采样精度，采样速度为2MHz，三条曲线自上而下分别为光照的饱和、中值、暗场的数据，其标准差小于1，信噪比大于3000。
图6 采集到的红外原始数据
测试结果表明，THS1206能很好的满足多路红外光谱仪的需求，可以同步采集4片红外探测器的数据，系统工作良好，像质好，噪声低。
参考文献
[1]褚小立，王艳斌，陆婉珍.近红外光谱仪国内外现状与展望[J].分析仪器，2007（4）.
[2]Texas Instrument.THS1206 User Datasheet，2003.
[3]Texas Instrument.Designing With the THS1206 High-Speed Data Converter，2000.
[4]李巍，刘栋斌，张达.A/D转换器在红外成像系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（11）.
作者简介：李哲（1984—），男，硕士，助理研究员，主要从事空间光学成像技术研究。