2019年12月12日 | 再用ams单芯片多光谱传感设备简化光谱分析仪设计

近红外（NIR）或可见光谱中的光学光谱提供了一种简单的分析方法，用于表征各种应用中的材料。然而，合适设备的成本和尺寸使得该技术无法应对新出现的机会，特别是在移动和手持设备中。

也就是说，直到最近。现在，ams的单芯片多通道频谱分析仪的可用性为开发人员提供了一个简单的解决方案，旨在满足对便携式光谱学的新兴需求。

光谱分析如何工作

光谱分析概念很简单。在用适当的光源照射目标之后，反射光谱仪使用光学滤波器来捕获从目标反射的不同波长的光。请注意，吸收光谱仪的工作方式类似，但捕获源光照通过目标液体溶液后剩余的波长。

由于目标材料吸收一组特征波长，因此分析反射光可以揭示信息关于目标的化学成分。从其在天文学，化学和物理学方面的开创性应用，这一基本技术已经走出了实验室，在药理学，医学和电信领域实现了广泛的企业级应用。

分析器

今天，开发人员正在寻求在家庭，商业和工业领域的更广泛的大众市场应用中提供这些技术。与传统应用不同，这些应用依赖于易于获取的低成本手持式频谱分析仪，用于常规应用，例如验证货币，确认食品和饮料的纯度，以及检查木材和木结构的完整性。

确实，能力用户可以轻松地在家中和工作中对材料进行表征，而不是将样品带到昂贵的台式分析仪上，为产品开发人员提供了广阔的机会。

直到最近，希望将光谱学应用于大众市场的设计师由于传统频谱分析仪设计的大尺寸，复杂性和成本的限制而受到阻碍。然而，在实践中，传统的分析仪设计并不是这些应用的理想匹配。许多这些新兴应用的频谱分析要求比研究科学家面临的要求要小得多。

这些大众市场应用中很少有人面临传统应用的严格性能要求。相反，针对大众市场频谱分析应用的开发人员面临着最小尺寸，低功耗和易用性的更熟悉的移动设计要求。通过将光学光谱仪集成到芯片上，ams为设计人员提供了满足这些要求的可行方法。

单片光谱仪

ams AS7262和AS7263 IC是完整的单片光谱仪旨在分别识别可见光和近红外光谱中的波长。每个器件都集成了光谱学所需的所有关键组件，包括用于照亮目标的外部LED驱动器，以及用于捕获反射波长的多光谱光学传感单元（图1）。

图1：ams可见光AS7262和NIR AS7263 IC集成了多通道光谱传感器，光谱识别（Spectral_ID）引擎和外部LED驱动器，使开发人员能够实现具有少量附加组件的多光谱分析仪。

集成光谱识别（Spectral_ID）引擎处理传感器信号，产生光谱数据结果，主机MCU可以使用一些简单的命令通过支持的I 2 C/UART接口访问。最后，集成的SPI主子系统提供外部闪存的连接。即使具有相当大的性能，这些4.5 mm x 4.7 mm LGA器件在正常工作模式下仅消耗5毫安（mA），在标称3.3伏电源下在待机模式下消耗12微安（μA）。

As如前所述，光谱分析依赖于在被一些已知光源照射时识别目标反射的波长。通过仔细选择光源，开发人员可以在特定的感兴趣波长下优化分析。使用ams器件，开发人员可以使用片上LED驱动器来控制多达两个LED，允许在同一设计中使用不同的照明/波长分布。通过设置器件寄存器，开发人员可以打开或关闭外部LED，以及使用器件的可编程LED电流水平控制强度。一个驱动器输出LED_IND可提供1 mA，2 mA，4 mA或8 mA的电流。另一个驱动器LED_DRV可产生12.5 mA，25 mA，50 mA或100 mA电流输出。

片上LED驱动器为开发人员提供了在复杂分析仪设计中控制多个光源的显着灵活性。对于这种设计的探测器侧，集成光谱传感系统处理多光谱数据采集的所有方面。设计人员无需添加任何额外的信号调理组件即可实现频谱分析。每个器件都集成了一个六通道光谱传感器阵列，用于收集反射光。片上16位模数转换器（ADC）集成了每个通道光电二极管产生的电流，为芯片的Spectral_ID引擎提供了单独的通道结果。

多光谱传感设计

对于这些设备，ams采用了新颖的多光谱传感设计，有助于确保设备的可靠性和易用性。使用传统的半导体工艺技术，ams通过在精确的一系列掩模步骤中沉积材料层，直接在硅芯片上构建纳米级光学干涉滤光器。结果是一组六个精确构建的光学通道，为可见光谱AS7262提供高斯滤波器特性，半峰全宽（FWHM）带宽为40纳米（nm），近红外光谱的FWHM带宽仅为20 nm光谱AS7263。

除了生产非常精确的滤光片外，这种方法还提供了一种光学滤波系统，与传统方法相比，它具有更小，更低的成本和更稳定的特性。由于干涉滤光器材料和制造方法的性质，这些器件不会随时间或温度而出现漂移。长期一致性在任何应用领域都很重要，但在大众市场可能更为一致，因为用户不愿意定期重新校准他们的手持设备。根据AMS，滤波器表现出每摄氏度皮米级的光谱响应度稳定性。

尽管具有固有的精度和稳定性，但是ams在工厂校准每个器件以确保所有通道的标准化输出。在该工厂校准过程中，将每个被测设备的输出与暴露于相同照度级和光谱特性的传统光谱仪的结果进行比较。基于该比较，ams将设备特定的补偿数据烧录到每个设备内部的可熔链路中。

在芯片的系统级执行而不仅仅是其滤波器响应，此校准过程有助于确保一致的性能。整个信号路径。因此，每个器件在其六个通道上都具有精确的标准化光谱响应度（图2）。对于AS7262，这些通道以450nm，500nm，550nm，570nm，600nm和650nm的可见光波长为中心，通道分别标记为V，B，G，Y，O和R.对于AS7263，通道以NIR波长610nm，680nm，730nm，760nm，810nm和860nm为中心，通道分别标记为R，S，T，U，V，W。

图2a

图2b

图2：精确制造技术和器件校准方法的结合使AS7262的可见波长（2a）和AS7263的近红外（NIR）波长（2b）具有均匀的光谱响应度。 

制造和校准过程可以在所有六个通道中实现标准化性能，同时消除短期温度不稳定性和长期漂移。另一方面，这些设备在设计中的物理位置会极大地影响结果的准确性。为了达到规定的性能特性，需要对器件进行定位，以确保目标的入射角为0°±20.0°。较大的入射角将导致反射光次优地撞击芯片的集成干涉滤光器，导致其光谱响应发生偏移。位于器件LGA封装顶部的光圈设计用于帮助保持正确的入射角。

光谱数据采集

在ams器件中，六个光电二极管与单独的光谱通道分为两组。在AS7262中，存储体1包括来自V，G，B，Y光电二极管的数据，而存储体2包括G，Y，O，R通道。在AS7263中，存储体1包括S，T，U，V光电二极管，存储体2包括R，T，U，W光电二极管。

为了从这些存储体生成数据，这些设备提供了几种模式：操作。三种模式提供连续转换 - 从存储区1（模式0），存储区2，（模式1），或从存储区1顺序，然后是存储区2（模式2）。模式3的附加模式提供来自所有通道的单次转换。

在连续转换模式（模式0-2）中，器件在ADC集成电流后为每个单独的存储区生成新数据。每个频道。对于完整存储体，此积分时间的持续时间最短为2.8毫秒（ms）。使用这种方法，开发人员可以每2.8毫秒（或与最小积分时间一样快）从模式1和2中的通道子集连续获取数据。对于所有六个通道的连续采集，由于需要在模式2中顺序访问每个存储区，因此采集速度限制为模式0或模式1的一半。

转换周期完成后，设备将结果传输到为每个通道保留的数据寄存器。如果器件中断使能，器件将其INT引脚拉低并将其DATA_RDY引脚设置为1.当主机读取器件的控制寄存器时，INT线自动返回高电平，当主机读取任何通道结果寄存器时， DATA_RDY返回0. ams警告开发人员，他们必须在每个集成周期读取传感器寄存器，否则可能会丢失数据。鉴于设备的最小集成时间，该限制不太可能导致用于从设备收集数据的典型软件处理程序出现问题。

每个设备都可通过基于文本的方式访问光谱数据和控制功能。 AT命令“启用器件的UART接口时的模式。当其I 2 C串行接口使能时，器件会为每个光谱通道的校准结果，每个通道的原始数据以及器件状态和控制的寄存器提供多个寄存器。

然而，在I 2 C接口本身内，该器件实际上只使用三个硬件寄存器，将其多个外部可见寄存器作为虚拟寄存器提供。实际上，访问这些虚拟寄存器很简单，而且ams为它们提供了阅读（清单1）和编写（清单2）的基本设计模式。在这种方法中，软件简单地轮询I 2 C从机状态寄存器，检查其最高有效位（MSB）以查看写（MSB = 1）还是读（MSB = 0）是挂起感兴趣的特定虚拟寄存器。

uint8_t i2cm_AS72xx_read（uint8_t virtualReg）{

volatile uint8_t status，d;

while（1）{

//读取slave I2C状态以查看是否读取缓冲区准备好了。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if （（状态＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//没有从站的入站TX待处理。好的，现在写。

break;

}

//发送虚拟寄存器地址（设置第7位表示挂起写入）。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，virtualReg）;

while（1）{

//读取从I2C状态以查看我们的读数据是否可用。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_RX_VALID）！= 0）

//已准备好读取数据。

break;

}

//读取数据以完成操作。

d = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG）;

return d;

}

清单1：用于读取I <上的虚拟寄存器的ams'代码示例sup> 2 C接口演示了在 I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG 寄存器中设置第7位之前等待 I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID 位清除的基本模式，以指示对虚拟的挂起操作注册 virtualReg ，然后在最后通过调用 i2cm_read 读取数据之前等待数据变为可用。 

#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）{

//阅读从I2C状态，以查看写缓冲区是否就绪。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//没有从站的入站TX待处理。好的，现在写。

break;

}

//发送虚拟寄存器地址（设置第7位表示待写）。

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

while（1）{

//读取从I2C状态以查看写缓冲区是否就绪。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if（（status＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//否从站的入站TX待定。好的，现在就写数据了。

break;

}

//发送数据以完成操作。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，d）;

清单2：使用清单1中所示的相同设计模式通过I 2 C接口读取数据，开发人员在写入虚拟寄存器之前轮询设备（ i2cm_write ）。 

对于大多数应用程序，开发人员可能会使用设备自动生成的校准结果。对于这些结果，器件使用在工厂校准期间刻录到每个器件中的补偿数据来校正原始数据，将结果作为IEEE 754标准格式的32位浮点值传递。然而，开发人员可以访问每个光谱通道的原始数据，以便为具有独特要求的应用程序实施专门的校准和校正措施。

除了简单的软件界面外，每个设备只需要几个额外的组件来实现多个-spectral分析仪，因为它具有高水平的功能集成。 AS7262 DEMO KIT和AS7263 DEMO KIT均提供完整的参考设计，演示了在基本设计中实现所需的硬件接口（图3）。

图3：通过其AS7262和AS7263 DEMO KITS，ams提供了评估板和原理图，演示了实现完整多光谱分析系统所需的简单硬件接口。

基于同一平台，每个演示套件包括一个评估板，其中装有适当的光谱传感设备，以及Adesto Technologies AT25SF041 4兆位闪存和一些基本组件。器件评估板为两个用户提供的LED光源提供焊盘，其光照特性适合应用。

结论

光学光谱提供了一种分析靶材特性的简单方法。过去，光谱分析仪设计的成本和复杂性限制了该技术在研究实验室和企业运营中的应用。 ams的单芯片多光谱传感设备的可用性消除了实现更简单，更低成本的光谱仪设计的障碍。使用这些设备，开发人员可以解决手持式光谱分析仪的新兴机会。