微型近红外光谱仪低功耗系统的设计

(1.江苏大学机械工程学院，镇江 212013；2. 无锡迅杰光远科技有限公司，无锡 214028；3. 江苏大学食品工程学院，镇江 212013)

近年来，随着近红外光谱分析技术的不断进步，近红外光谱仪的应用越来越广泛，极大地便利了人们在检测领域的工作。其中，近红外光谱分析技术更是在农业以及食品领域得到了广泛的认可[1]，近红外光谱仪器的便携式小型化是实现现场检测的必然要求。便携式近红外光谱仪一般使用电池供电，因此人们不仅希望能够简化检测过程，更希望能在保证性能的前提下尽可能延长工作时间，因此，需要尽可能降低仪器功耗，有效延长工作时间，增加检测次数。

便携式电子检测设备的功耗是由多方面因素决定的，但主要取决于设备的设计工艺、芯片和器件的选择以及系统的工作方式等[2]。便携式设备的工作模块和元器件高度集中，会因为散热问题导致设备内部模块以及芯片工作温度的急剧升高，降低电子电路系统的可靠性，因此常需增加散热装置以保证系统的可靠性，这又会导致功耗增加，同时增加了成本。因此，降低功耗是解决便携式仪器这一问题的一种有效方法。功耗的降低不仅可以保证设备的性能以及可靠性，延长工作时间，同时，嵌入式系统随着功耗的降低还可以有效减少电磁干扰[3]。

1 硬件系统设计

近红外光谱仪系统由上位机、光谱仪模块、光源驱动模块、通讯模块、微控制器、电源模块以及外设部分组成。其中，低功耗优化设计主要针对光源、模块供电、微控制器工作模式等部分进行，同时添加了温度传感器。

卤钨灯是光谱仪中功耗较大的部分，设计采用了光源能量可调的模块，该模块可根据采样需求以及工作模式独立调整光源能量；温度传感器实时检测仪器工作温度，在达到一定的待机时间和温度时，微控制器对外部件进行不同配置，并使其进入对应的工作模式以降低功耗；电源采用分区供电的方式，在低功耗模式时对部分区域断电以降低功耗，如：旋转样品池的驱动电机、降温风扇、蜂鸣器等模块；同时，在集成芯片选型以及电路设计时采用低功耗器件。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

1.1 光谱仪模块

系统的核心器件是采用MEMS技术的集成光谱仪，该光谱仪采用的是无锡迅杰光远科技有限公司自主研发的光谱仪模块NIR_PROTON，外形如图2所示。光谱仪模块关键器件是DMD，其工作原理是：光经过狭缝进入准直镜，准直后的平行光通过光栅分光，成像在DMD面阵上[4]；DMD对波长进行选通，最后经过聚透镜成像在检测器上得到近红外光谱[5]。光谱波长范围为900～1700 nm，信噪比大于6000∶1，采用1×1 mm非制冷InGaAs光电二极管(探测器)，支持蓝牙传输，USB供电，拥有低功耗的特性。

图2 光谱仪模块

1.2 微控制器

微控制器是光谱仪器的中央控制器，在低功耗设计中，CPU芯片的选型是关键问题之一，系统中采用的CPU芯片能够直接影响到系统工作模式的配置，从而影响到系统的功耗大小。设计采用STM32F407作为系统中央控制器，其部分外围电路如图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，非易失存储器) 和ART(自适应实时存储器加速器，Adaptive Real-Time MemoryAccelerator?)[6]。ART提升了程序执行效率，能够完全释放Cortex-M内核的性能，当CPU在工作频率范围内(≤168MHz)时，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，能够适应于多种使用场合；高速USART可达10.5 Mbits/s，高速SPI可达37.5Mbits/s[7, 8]；STM32F407的工作电压为1.8～3.6V，共有休眠模式、停止模式和待机模式3 种低功耗模式，通过相关程序指令进行休眠。电源部分单独给单片机供电，以在低功耗模式下断开外设电源；同时系统部分时钟可停止以达到减少功耗的目的。

图3 STM32F407部分外围电路图

1.3 光源能量可调模块的设计

光源是光谱仪系统功耗以及散热最大的部分，设计光源能量可调模块一方面可减少光谱仪电流增大以及温度升高带来的影响，延长卤钨灯使用寿命；另一方面，可以在测试不同样品时选择不同光强以降低功耗。DAC采用DAC0832模块，其电路配置图如图4所示，该模块稳定工作时功耗约20 mW，集成电路内有两级输入寄存器，因此DAC0832芯片具有双缓冲、单缓冲和直通等3种输入方式[9]。DAC0832以电流形式输出，需外接运算放大器转换为电压输出。光源能量调节从0～100%，分为10档，每10%为1档。

图4 DAC0832电路配置图

1.4 温度传感器设计

温度传感器用于实时检测仪器内部工作环境温度以及旋转样品池温度。设计使用的DS18B20是达拉斯半导体公司的单总线数字温度传感器，具有低功耗、抗干扰能力强等优点，可在同一总线上挂载多个同类型温度传感器。DS18B20温度传感器测温原理是通过温度对内部的高、低温系数振荡器的频率影响来测量的，计数器与预先设置的基数值比较，若计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，则温度寄存器的值就增加1℃。DS18B20温度采集后将温度转换成12 bit二进制数输出并存储两个8 bit的RAM中，二进制数前5 bit为符号位，若测量的温度大于0则全为0，反之则全为1[10]。传感器连接外围电路图与测温模块原理图如图5和图6所示。

图5 传感器连接外围电路图

图6 测温模块原理图

1.5 电源设计

电源部分采用分区供电设计。光源与外设独立供电，单片机由电池单独供电，在待机模式下只有单片机工作，功耗可达微瓦级，电源部分结构如图7所示。电池部分采用双向Buck-Boost开关变换器，原理图如图8所示，当开关管S1正常工作且S2断开时，电感电流流经过S2体二极管，此时电路工作在Boost电路，蓄电池供电；当开关管S2正常工作且S1断开时，电感电流流经过S1体二极管，此时电路工作在Buck电路，蓄电池充电。

图7 电源供电结构图

图8 双向Buck-Boost开关原理图

2 软件设计

2.1 工作模式设计

根据STM32F407的3种低功耗模式的特点，将系统的低功耗模式设计为3种，分别为休眠模式、停止模式和待机模式。

系统通过上位机软件判断，若在时间T1内无操作或触发休眠按键，则由上位机通过串口发送指令，单片机对串口指令进行解析，此时在中断中对外设进行操作。休眠模式下，光源强度降低到50%，微控制器关闭步进电机使能信号，蜂鸣器响一声后关闭，风扇速度降低到P1。操作完成后微控制器跳转到休眠操作函数Sys_Enter_Sys_Sleepy()，进入休眠模式。

若在时间T2内无操作或触发停止按键，则单片机对相应外设做具体操作，光源强度降低到10%，微控制器关闭步进电机使能信号，蜂鸣器响两声后关闭，单片机对温度传感器读数值进行判断。若环境温度在C1阈值内时，对应可调风扇速度P1，若环境温度在C2阈值内时；对应可调风扇速度P2；若温度达到C3时，可调风扇速度对应低速P3。操作完成后微控制器跳转到停止操作函数Sys_Enter_Sys_Stop()，进入停止模式。

若通过上位机触发待机按键，系统切断光源、步进电机、蜂鸣器、风扇等外设供电，此时电池单独给单片机供电，由上位机通过串口发送指令，单片机对串口指令进行解析，操作完成后微控制器跳转到待机操作函数Sys_Enter_Sys_Wait()，进入待机模式。

2.2 程序设计

下位机(微控制器)设计采用STM32F407，软件编译设计采用Keil Software公司出品的Keil C51，Keil通过集成开发环境(μVision)将C编译器、宏汇编、链接器、仿真调试器以及库管理等组合在一起，目标代码效率高，汇编代码紧凑。系统工作流程如图9所示。

图9 系统工作流程图

休眠模式具体操作部分下位机代码下：

void Sys_Sleepy(void)

{

SCB->SCR |=0X00; //进入退出低功耗状态特性

#if defined ( __CC_ARM ) //识别编译器宏，KEIL自带编译器

__force_stores();

#endif

/* Request Wait For Interrupt */

__WFI();

}

//系统进入待机模式

void Sys_Enter_Sys_Sleepy(void)

{

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

Sys_Sleepy();

}

系统上位机软件基于C#语言编写，软件实现系统自检、光谱采集与显示，以及进入低功耗模式与唤醒功能。操作界面如图10所示。

图10 操作主界面

3 系统性能测试

3.1 基线漂移

基线稳定性是系统相对参比扫描所得基线的漂移程度。在室温25℃，仪器预热30 min后，扫描标准白板光谱。采样波长范围900～1700 nm，波长间隔1 nm，每隔5 min连续2次采集参比白板光谱，将2次采集参比白板光谱在每1个波长点处相除再乘上100%得到1条基线[11]，连续测量2 h，总计24条光谱数据。用所测得的光谱数据的各个对应波长点的相对标准偏差来评价基线漂移程度，相对标准偏差计算公式如式为：

(1)

图11 900nm～1700nm范围内参比100%T线相对标准偏差

由图11可知，除去尾端波长点基线漂移严重外，1000～1600 nm参比的100%线相对标准偏差在0.000 2～0.0006之间，基线稳定性较高。

3.2 稳定性

稳定性指在同样的外界条件下，性能保持不变的能力。在室温25℃，仪器预热30 min后，扫描标准白板光谱，采样波长范围900～1700 nm，波长间隔1 nm，每5 min保存1次光谱信号，连续测量2 h，总计24条光谱数据。多次采集中探测器信号强度变化如图12所示。

图12 探测器信号强度变化图

由于每次光谱采集数据相当接近，因此采用各波长处的光强相对标准偏差来评价稳定性，由图13可知，除尾端相对标准偏差较大外，其余各个点相对标准偏差均在0.002以下。

图13 各波长点处光强变化相对标准偏差

3.3 实际功耗检测

测试使用电流表测量设备待机时消耗的电流，该方案用来测量设备在休眠模式的工作电流，精度较高。测试连接示意图外设PCB板如图14、图15所示。

图14 测试连接示意图

图15 外设PCB板

在低功耗设计前系统整体工作功耗约为48 W，持续工作时间约4 h。经改进设计后的部分部件的功耗如表1所示，在达到停止模式后功耗将降至微瓦级，光谱仪在硬件以及电路部分有约8 W的降耗。经过试验，在低功耗设计后系持续工作时间有了较大延长，正常工作模式配合低功耗模式下持续工作时间约7～8 h，低功耗模式下待机时间可达10 h。

表1 部分功耗测试 W

4 结束语

在以降低功耗为目的的光谱仪工作模式和电路设计中添加温度传感器和光源能量可调模块，并且采用电源分区供电，根据STM32F407的低功耗特性及工作模式设计了3种工作工作模式，配合外设、上位机与光谱仪实现近红外光谱仪器系统的低功耗设计。经过性能与功耗试验，光谱仪稳定性好、基线稳定，满足仪器性能要求，且系统在低功耗设计后持续工作时间有了明显的延长。