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技巧 光学传感器级芯片IC简化手持式光谱仪设计

在近红外(NIR)或可见光谱光学光谱提供了在宽范围的应用表征物质的简单分析方法。然而,合适的设备的成本和尺寸把技术出来的新兴机会接触不到的地方,特别是在移动和手持设备。

也就是说,直到最近。现在,单芯片多通道频谱分析仪从可用性AMS创建,旨在为便携式光学光谱会议的新兴需求开发一个简单的解决方案。

如何光谱分析作品

光谱分析的概念很简单。照明目标与适当的光源后,反射分光计使用滤光器来捕获的光的不同的波长被反射离开目标。注意,吸收光谱仪类似地操作,但捕捉到保持在源照明穿过目标液体溶液后的波长。

因为目标的材料吸收的特性组波长,反射光的分析可以揭示关于目标的化学组成的信息。从天文学,化学和物理学其开创性的使用,这基本技术已经走出实验室,可实现在药理学,医学和电信企业级应用浩如烟海。

大拉的小仪

今天,开发商正在寻找使这些技术可在更广泛的社会阶层的家庭,企业和工业领域的大众市场应用。不同于传统的应用程序,这些依靠日常应用,如货币验证,证实了食品和饮料的纯度,并检查木材和木结构的完整性容易获得低成本的手持式频谱分析仪。

事实上,能够轻松在家庭和工作特点的材料,而不是携带样品到昂贵的台式分析仪的功能,为用户,打开了产品开发广泛的机会。

直到最近,设计师希望光谱学应用到大众市场已通过其庞大的规模,复杂性和成本传统频谱分析仪的设计限制步履蹒跚。然而在实践中,传统的分析仪的设计不适合这些应用的理想搭配。对于许多新兴应用的频谱分析要求大大高于那些面临一个科学家较为温和。

很少有这些大众市场应用面临传统应用的严格性能要求。相反,开发商瞄准大众市场频谱分析应用面临最小尺寸,低功耗和易用性更熟悉手机设计要求。通过在一个芯片上集成光学光谱仪,AMS为设计者提供了满足这些要求的一种可行的方法。

单芯片光谱仪

该AMS AS7262AS7263 IC是完整的单芯片设计光谱仪分别以识别在可见光和近红外光谱的波长。每个器件集成用于光学光谱法,包括驱动外部发光二极管照亮目标所需的所有关键部件,和多光谱光学感测单元以捕获反射的波长(见图1)。

AMS可见光AS7262的图和NIR AS7263芯片

图1:AMS可见光AS7262和AS7263 NIR集成电路整合多通道光谱传感器,光谱识别(Spectral_ID)引擎,以及用于外部LED驱动器,使开发人员能够实现多光谱分析仪具有很少的额外组件。(图像源:AMS)

一个集成的光谱识别(Spectral_ID)引擎处理传感器信号,产生光谱数据的结果,一个主机MCU可以通过支持的I访问2 C / UART接口使用几个简单的命令。最后,一个集成的SPI主子系统提供了外部闪存连接。甚至与他们相当大的能力,这些4.5毫米X4.7毫米LGA装置仅消耗5在正常工作模式毫安(mA),和12微安(μA)在待机模式下在它们的标称3.3伏电源。

如前所述,频谱分析依赖于当由一些已知光源照亮识别由目标反射的波长。通过仔细地选择光源,开发者可以在感兴趣的特定波长优化他们的分析。与AMS设备,开发人员可以使用片上LED驱动器控制多达两个LED,从而允许在相同的设计中使用的不同的照射/波长谱。通过设置设备寄存器,开发人员可以使用该设备的可编程LED电流水平打开外部LED开启或关闭,以及控制强度。一个驱动器输出,LED_IND,在1mA,2毫安,4毫安或8毫安提供电流。另一驱动器,LED_DRV,生成12.5毫安25毫安,50毫安或百毫安电流输出。

片上的LED驱动器开发者提供在控制复杂的分析器设计多个光源显著灵活性。对于这种设计的检测器侧,集成光谱感测系统处理多光谱数据采集的所有方面。设计人员不需要添加任何额外的信号调节组件来实现频谱分析。每个器件集成了六通道光谱传感器阵列收集的反射光。一个片上,16位模拟数字转换器(ADC)对由每个通道的光电二极管中产生的电流,提供了个体信道的结果的芯片的Spectral_ID发动机。

多光谱感测设计

对于这些设备,AMS采用一种新颖的多光谱感测设计,以帮助确保设备的可靠性和易用性。使用常规的半导体工艺技术,AMS构建纳米级光学干涉通过以精确的一系列掩模步骤沉积的材料层直接过滤在硅管芯。结果是一组六个精确地构造的光信道,在40纳米(nm),用于在可见光谱AS7262半最大值(FWHM)带宽提供与全宽高斯滤波器的特性,并且仅有20纳米的用于NIR的FWHM带宽频谱AS7263。

除了生产非常精确的滤波器,这种方法提供了一种光过滤系统,更小,成本更低,而且比通常可能使用常规方法更稳定。由于该干涉滤波器的材料和制造方法的性质,这些设备不表现出随时间或温度漂移。长期的一致性是在任何应用程序段很重要,但也许更多的是在大众市场,用户将皱眉需要定期重新调整他们的手持设备。据AMS,过滤器表现出每摄氏度皮米的数量级上的光谱响应的稳定性。

尽管固有​​的精度和稳定性,AMS在工厂校准的每个设备,以确保在所有渠道归一化输出。在该工厂校准过程中,每个测试器件的输出进行比较,从暴露于相同的照明水平和光谱特性的传统光谱仪的结果。基于该比较,AMS燃烧设备特定的补偿数据到每个设备内熔断。

在芯片,而不仅仅是其滤波器响应的系统级执行,该校准处理可确保整个信号通路的一致的性能。因此,每个装置具有在其六个信道(图2)精确,归一化光谱响应。对于AS7262,这些信道在450nm,500nm时,550纳米,570纳米,600纳米和650纳米的可见光波长分别为中心,与标记V,B,G,Y,O-通道,和R,。对于AS7263,所述通道在610纳米,680纳米,730纳米,760纳米,810纳米和860纳米的近红外波长为中心,与所述通道分别标记为R,S,T,U,V,W,。

光谱响应的图表跨AMS AS7262的可见光波长

图2a

AMS的AS7263的近红外(NIR)波长图

图2b

图2:精确的制造技术和设备的校准方法的结果在整个AS7262的可见光波长(2a)和AS7263的近红外(NIR)波长的均匀的光谱响应的组合(图2b)。(图像源:AMS)

制造和校准过程导致在所有六个通道归一化的性能,同时消除短期温度不稳定性和长期漂移。在另一方面,在设计这些设备的物理位置可以显着地影响结果的准确性。以达到规定的性能特性,该设备需要被定位,以确保入射到目标的角度为0°±20.0°。入射角更大的角度将引起反射光撞击芯片的集成干涉滤光片次最佳,从而导致在它们的频谱响应的偏移。在这些器件的LGA封装的顶部中心的孔被设计为帮助维持入射的正确角度。

光谱数据采集

内的AMS设备,与单独的光谱信道相关联的六个光电二极管被分成两个组。在AS7262,银行1包括从V,G,B,Y光电二极管数据,和存储体2包括G,Y,O,R信道。在AS7263,银行1包括S,T,U,V的光电二极管,和银行2包括R,T,U,W光电二极管。

以从这些银行数据,所述设备提供几种操作模式。三种模式提供连续转换 - 从银行1(模式0),从存储体2,(模式1),或从银行1依次通过银行2(模式2)紧接着。一个额外的模式,模式3中,提供了从所有通道单触发转换。

在连续转换模式(模式0 - 2),该装置为每个单独的银行生成新的数据的ADC整合来自每个通道的电流之后。对于一个完整的银行,这种整合时间是最小2.8毫秒(ms)的持续时间。使用这种方法,开发者可以连续地从通道的模式1的子集和2每2.8毫秒(或尽可能快地最小积分时间)获取数据。跨所有六个通道连续采集,采集速度被限制在模式0或模式1的一半的速率,因为需要按顺序访问每个存储在模式2。

转换周期完成之后,设备转移的结果为每个信道保留的数据寄存器。如果设备中断被使能,所述设备拉动其INT引脚低,并设置其DATA_RDY销1。当主机读取设备的控制寄存器中,INT线自动返回高,并且当主机读取任何沟道结果寄存器, DATA_RDY返回到0 AMS警告,他们必须在每一个积分周期或风险损失数据读取传感器寄存器开发商。考虑到设备的最低积分时间,该限制是不太可能导致旨在收集设备数据典型的软件处理的问题。

使能设备的UART接口时,每个设备通过提供一个基于文本的“AT命令”模式获得光谱数据和控制特征。当其I 2被启用C串行接口,所述装置暴露于设备的状态和控制用于从每个光谱信道,从各信道的原始数据校准结果多个寄存器,和寄存器。

内的I 2 C接口本身,然而,设备实际上只使用三个硬件寄存器,其提供多个外部可见的寄存器的虚拟寄存器。在实践中,访问这些虚拟寄存器简单,和AMS提供了基本设计图案,用于读取(列表1)和写入(清单2)给他们。在这种方法中,该软件简单地轮询一个I 2 I2C从状态寄存器,检查其最显著位(MSB),以查看是否写入(MSB = 1)或读(MSB = 0)正等待的特定虚拟寄存器利益。

uint8_t i2cm_AS72xx_read(uint8_t virtualReg) {

 

   volatile uint8_t status, d ;

 

   while (1) {

      // Read slave I2C status to see if the read buffer is ready.     

      status = i2cm_read(I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG) ;

 

      if ((status & I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID) == 0)

         // No inbound TX pending at slave. Okay to write now.

         break ;

   }

 

   // Send the virtual register address (setting bit 7 to indicate a pending write).

   i2cm_write(I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG, virtualReg) ;

 

   while (1) {

      // Read the slave I2C status to see if our read data is available.

      status = i2cm_read(I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG) ;

      if ((status & I2C_AS72XX_SLAVE_RX_VALID) != 0)

         // Read data is ready.

         break ;

   }

   // Read the data to complete the operation.

   d = i2cm_read(I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG) ;

   return d ;

}

清单1:AMS'用于在所述予读取虚拟寄存器的代码示例2 C接口演示的等待基本图案I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID位在设置位7之前清除I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG寄存器以指示待处理操作到虚拟寄存器virtualReg,然后等待数据到最后用一个呼叫读取数据之前变得可用i2cm_read(代码源:AMS)

#define I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG0x00

#define I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG0x01

#define I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG0x02

#define I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID0x02

#define I2C_AS72XX_SLAVE_RX_VALID0x01

 

void i2cm_AS72xx_write(uint8_t virtualReg, uint8_t d) {

 

   volatile uint8_tstatus;

 

   while (1) {

      // Read slave I2C status to see if the write buffer is ready.

      status = i2cm_read(I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG);

 

      if ((status & I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID) == 0)

         // No inbound TX pending at slave. Okay to write now.

         break ;

   }

   // Send the virtual register address (setting bit 7 to indicate a pending write).

   i2cm_write(I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG, (virtualReg | 0x80)) ;

   while (1) {

      // Read the slave I2C status to see if the write buffer is ready.

      status = i2cm_read(I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG) ;

      if ((status & I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID) == 0)

         // No inbound TX pending at slave. Okay to write data now.

         break;

   }

   // Send the data to complete the operation.   

   i2cm_write(I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG, d);

}

清单2:使用清单1用于在予读取数据中示出的相同的设计图案2 C接口,开发者轮询器件写入虚拟寄存器之前(i2cm_write)。(代码源:AMS)

对于大多数应用,开发者可能会使用由设备自动生成的校准结果。对于这些结果,该装置使用校正工厂校准期间烧入每个设备补偿数据,在IEEE提供的结果为32位浮点值754的标准格式的原始数据。开发者仍然可以访问原始数据为每个光谱通道来实现专业的校准和纠正措施,具有独特要求的应用。

随着一个简单的软件接口,每个设备仅需要一些额外的组件来实现多光谱仪由于其高的水平的功能集成。AS7262 DEMO KITAS7263 DEMO KIT各自提供一个完整的参考设计表明其基本设计用于实现所需的硬件接口(图3)。

AMS AS7262和AS7263演示套件的图(点击查看全尺寸)

图3:凭借其AS7262和AS7263 DEMO成套件,AMS提供了一种评估电路板和演示实现完整的多光谱分析系统所需的简单的硬件接口的原理图。(图像源:AMS)

基于在同一平台上,每个演示套件包括一个评估板填充了适当的光谱感测装置,与沿Adesto技术 AT25SF041闪光的4兆位和一些基本元件。该器件评估板提供焊盘为两个用户提供的LED光源与适合于应用照明特性。

结论

光谱学提供了用于分析靶材料的特性的简单方法。在过去,成本和光谱分析仪的设计复杂性限制了该技术的应用研究实验室和企业运营。的AMS的单片多光谱感测设备的可用性消除执行障碍的更简单,成本更低的光谱仪的设计。利用这些设备,开发者可以针对手持式光谱分析仪出现的机会。


(责任编辑:ioter)

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