近紅外（NIR）或可見光譜中的光學(xué)光譜提供了一種簡單的分析方法，用于表征各種應(yīng)用中的材料。然而，合適設(shè)備的成本和尺寸使得該技術(shù)無法應(yīng)對新出現(xiàn)的機(jī)會，特別是在移動和手持設(shè)備中。

也就是說，直到最近?，F(xiàn)在，ams的單芯片多通道頻譜分析儀的可用性為開發(fā)人員提供了一個簡單的解決方案，旨在滿足對便攜式光譜學(xué)的新興需求。

光譜分析如何工作

光譜分析概念很簡單。在用適當(dāng)?shù)墓庠凑丈淠繕?biāo)之后，反射光譜儀使用光學(xué)濾波器來捕獲從目標(biāo)反射的不同波長的光。請注意，吸收光譜儀的工作方式類似，但捕獲源光照通過目標(biāo)液體溶液后剩余的波長。

由于目標(biāo)材料吸收一組特征波長，因此分析反射光可以揭示信息關(guān)于目標(biāo)的化學(xué)成分。從其在天文學(xué)，化學(xué)和物理學(xué)方面的開創(chuàng)性應(yīng)用，這一基本技術(shù)已經(jīng)走出了實驗室，在藥理學(xué)，醫(yī)學(xué)和電信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛的企業(yè)級應(yīng)用。

分析器

今天，開發(fā)人員正在尋求在家庭，商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的更廣泛的大眾市場應(yīng)用中提供這些技術(shù)。與傳統(tǒng)應(yīng)用不同，這些應(yīng)用依賴于易于獲取的低成本手持式頻譜分析儀，用于常規(guī)應(yīng)用，例如驗證貨幣，確認(rèn)食品和飲料的純度，以及檢查木材和木結(jié)構(gòu)的完整性。

確實，能力用戶可以輕松地在家中和工作中對材料進(jìn)行表征，而不是將樣品帶到昂貴的臺式分析儀上，為產(chǎn)品開發(fā)人員提供了廣闊的機(jī)會。

直到最近，希望將光譜學(xué)應(yīng)用于大眾市場的設(shè)計師由于傳統(tǒng)頻譜分析儀設(shè)計的大尺寸，復(fù)雜性和成本的限制而受到阻礙。然而，在實踐中，傳統(tǒng)的分析儀設(shè)計并不是這些應(yīng)用的理想匹配。許多這些新興應(yīng)用的頻譜分析要求比研究科學(xué)家面臨的要求要小得多。

這些大眾市場應(yīng)用中很少有人面臨傳統(tǒng)應(yīng)用的嚴(yán)格性能要求。相反，針對大眾市場頻譜分析應(yīng)用的開發(fā)人員面臨著最小尺寸，低功耗和易用性的更熟悉的移動設(shè)計要求。通過將光學(xué)光譜儀集成到芯片上，ams為設(shè)計人員提供了滿足這些要求的可行方法。

單片光譜儀

ams AS7262和AS7263 IC是完整的單片光譜儀旨在分別識別可見光和近紅外光譜中的波長。每個器件都集成了光譜學(xué)所需的所有關(guān)鍵組件，包括用于照亮目標(biāo)的外部LED驅(qū)動器，以及用于捕獲反射波長的多光譜光學(xué)傳感單元（圖1）。

圖1：ams可見光AS7262和NIR AS7263 IC集成了多通道光譜傳感器，光譜識別（Spectral_ID）引擎和外部LED驅(qū)動器，使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)具有少量附加組件的多光譜分析儀。 （圖片來源：ams）

集成光譜識別（Spectral_ID）引擎處理傳感器信號，產(chǎn)生光譜數(shù)據(jù)結(jié)果，主機(jī)MCU可以使用一些簡單的命令通過支持的I 2 C/UART接口訪問。最后，集成的SPI主子系統(tǒng)提供外部閃存的連接。即使具有相當(dāng)大的性能，這些4.5 mm x 4.7 mm LGA器件在正常工作模式下僅消耗5毫安（mA），在標(biāo)稱3.3伏電源下在待機(jī)模式下消耗12微安（μA）。

As如前所述，光譜分析依賴于在被一些已知光源照射時識別目標(biāo)反射的波長。通過仔細(xì)選擇光源，開發(fā)人員可以在特定的感興趣波長下優(yōu)化分析。使用ams器件，開發(fā)人員可以使用片上LED驅(qū)動器來控制多達(dá)兩個LED，允許在同一設(shè)計中使用不同的照明/波長分布。通過設(shè)置器件寄存器，開發(fā)人員可以打開或關(guān)閉外部LED，以及使用器件的可編程LED電流水平控制強(qiáng)度。一個驅(qū)動器輸出LED_IND可提供1 mA，2 mA，4 mA或8 mA的電流。另一個驅(qū)動器LED_DRV可產(chǎn)生12.5 mA，25 mA，50 mA或100 mA電流輸出。

片上LED驅(qū)動器為開發(fā)人員提供了在復(fù)雜分析儀設(shè)計中控制多個光源的顯著靈活性。對于這種設(shè)計的探測器側(cè)，集成光譜傳感系統(tǒng)處理多光譜數(shù)據(jù)采集的所有方面。設(shè)計人員無需添加任何額外的信號調(diào)理組件即可實現(xiàn)頻譜分析。每個器件都集成了一個六通道光譜傳感器陣列，用于收集反射光。片上16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）集成了每個通道光電二極管產(chǎn)生的電流，為芯片的Spectral_ID引擎提供了單獨的通道結(jié)果。

多光譜傳感設(shè)計

對于這些設(shè)備，ams采用了新穎的多光譜傳感設(shè)計，有助于確保設(shè)備的可靠性和易用性。使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，ams通過在精確的一系列掩模步驟中沉積材料層，直接在硅芯片上構(gòu)建納米級光學(xué)干涉濾光器。結(jié)果是一組六個精確構(gòu)建的光學(xué)通道，為可見光譜AS7262提供高斯濾波器特性，半峰全寬（FWHM）帶寬為40納米（nm），近紅外光譜的FWHM帶寬僅為20 nm光譜AS7263。

除了生產(chǎn)非常精確的濾光片外，這種方法還提供了一種光學(xué)濾波系統(tǒng)，與傳統(tǒng)方法相比，它具有更小，更低的成本和更穩(wěn)定的特性。由于干涉濾光器材料和制造方法的性質(zhì)，這些器件不會隨時間或溫度而出現(xiàn)漂移。長期一致性在任何應(yīng)用領(lǐng)域都很重要，但在大眾市場可能更為一致，因為用戶不愿意定期重新校準(zhǔn)他們的手持設(shè)備。根據(jù)AMS，濾波器表現(xiàn)出每攝氏度皮米級的光譜響應(yīng)度穩(wěn)定性。

盡管具有固有的精度和穩(wěn)定性，但是ams在工廠校準(zhǔn)每個器件以確保所有通道的標(biāo)準(zhǔn)化輸出。在該工廠校準(zhǔn)過程中，將每個被測設(shè)備的輸出與暴露于相同照度級和光譜特性的傳統(tǒng)光譜儀的結(jié)果進(jìn)行比較?；谠摫容^，ams將設(shè)備特定的補(bǔ)償數(shù)據(jù)燒錄到每個設(shè)備內(nèi)部的可熔鏈路中。

在芯片的系統(tǒng)級執(zhí)行而不僅僅是其濾波器響應(yīng)，此校準(zhǔn)過程有助于確保一致的性能。整個信號路徑。因此，每個器件在其六個通道上都具有精確的標(biāo)準(zhǔn)化光譜響應(yīng)度（圖2）。對于AS7262，這些通道以450nm，500nm，550nm，570nm，600nm和650nm的可見光波長為中心，通道分別標(biāo)記為V，B，G，Y，O和R.對于AS7263，通道以NIR波長610nm，680nm，730nm，760nm，810nm和860nm為中心，通道分別標(biāo)記為R，S，T，U，V，W。

圖2a

圖2b

圖2：精確制造技術(shù)和器件校準(zhǔn)方法的結(jié)合使AS7262的可見波長（2a）和AS7263的近紅外（NIR）波長（2b）具有均勻的光譜響應(yīng)度。 （圖像來源：ams）

制造和校準(zhǔn)過程可以在所有六個通道中實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化性能，同時消除短期溫度不穩(wěn)定性和長期漂移。另一方面，這些設(shè)備在設(shè)計中的物理位置會極大地影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了達(dá)到規(guī)定的性能特性，需要對器件進(jìn)行定位，以確保目標(biāo)的入射角為0°±20.0°。較大的入射角將導(dǎo)致反射光次優(yōu)地撞擊芯片的集成干涉濾光器，導(dǎo)致其光譜響應(yīng)發(fā)生偏移。位于器件LGA封裝頂部的光圈設(shè)計用于幫助保持正確的入射角。

光譜數(shù)據(jù)采集

在ams器件中，六個光電二極管與單獨的光譜通道分為兩組。在AS7262中，存儲體1包括來自V，G，B，Y光電二極管的數(shù)據(jù)，而存儲體2包括G，Y，O，R通道。在AS7263中，存儲體1包括S，T，U，V光電二極管，存儲體2包括R，T，U，W光電二極管。

為了從這些存儲體生成數(shù)據(jù)，這些設(shè)備提供了幾種模式：操作。三種模式提供連續(xù)轉(zhuǎn)換 - 從存儲區(qū)1（模式0），存儲區(qū)2，（模式1），或從存儲區(qū)1順序，然后是存儲區(qū)2（模式2）。模式3的附加模式提供來自所有通道的單次轉(zhuǎn)換。

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式（模式0-2）中，器件在ADC集成電流后為每個單獨的存儲區(qū)生成新數(shù)據(jù)。每個頻道。對于完整存儲體，此積分時間的持續(xù)時間最短為2.8毫秒（ms）。使用這種方法，開發(fā)人員可以每2.8毫秒（或與最小積分時間一樣快）從模式1和2中的通道子集連續(xù)獲取數(shù)據(jù)。對于所有六個通道的連續(xù)采集，由于需要在模式2中順序訪問每個存儲區(qū)，因此采集速度限制為模式0或模式1的一半。

轉(zhuǎn)換周期完成后，設(shè)備將結(jié)果傳輸?shù)綖槊總€通道保留的數(shù)據(jù)寄存器。如果器件中斷使能，器件將其INT引腳拉低并將其DATA_RDY引腳設(shè)置為1.當(dāng)主機(jī)讀取器件的控制寄存器時，INT線自動返回高電平，當(dāng)主機(jī)讀取任何通道結(jié)果寄存器時， DATA_RDY返回0. ams警告開發(fā)人員，他們必須在每個集成周期讀取傳感器寄存器，否則可能會丟失數(shù)據(jù)。鑒于設(shè)備的最小集成時間，該限制不太可能導(dǎo)致用于從設(shè)備收集數(shù)據(jù)的典型軟件處理程序出現(xiàn)問題。

每個設(shè)備都可通過基于文本的方式訪問光譜數(shù)據(jù)和控制功能。 AT命令“啟用器件的UART接口時的模式。當(dāng)其I 2 C串行接口使能時，器件會為每個光譜通道的校準(zhǔn)結(jié)果，每個通道的原始數(shù)據(jù)以及器件狀態(tài)和控制的寄存器提供多個寄存器。

然而，在I 2 C接口本身內(nèi)，該器件實際上只使用三個硬件寄存器，將其多個外部可見寄存器作為虛擬寄存器提供。實際上，訪問這些虛擬寄存器很簡單，而且ams為它們提供了閱讀（清單1）和編寫（清單2）的基本設(shè)計模式。在這種方法中，軟件簡單地輪詢I 2 C從機(jī)狀態(tài)寄存器，檢查其最高有效位（MSB）以查看寫（MSB = 1）還是讀（MSB = 0）是掛起感興趣的特定虛擬寄存器。

uint8_t i2cm_AS72xx_read（uint8_t virtualReg）{

volatile uint8_t status，d;

while（1）{

//讀取slave I2C狀態(tài)以查看是否讀取緩沖區(qū)準(zhǔn)備好了。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

if （（狀態(tài)＆amp; I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID）== 0）

//沒有從站的入站TX待處理。好的，現(xiàn)在寫。

break;

}

//發(fā)送虛擬寄存器地址（設(shè)置第7位表示掛起寫入）。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，virtualReg）;

while（1）{

//讀取從I2C狀態(tài)以查看我們的讀數(shù)據(jù)是否可用。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

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

//已準(zhǔn)備好讀取數(shù)據(jù)。

break;

}

//讀取數(shù)據(jù)以完成操作。

d = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_READ_REG）;

return d;

}

清單1：用于讀取I <上的虛擬寄存器的ams'代碼示例sup> 2 C接口演示了在 I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG 寄存器中設(shè)置第7位之前等待 I2C_AS72XX_SLAVE_TX_VALID 位清除的基本模式，以指示對虛擬的掛起操作注冊 virtualReg ，然后在最后通過調(diào)用 i2cm_read 讀取數(shù)據(jù)之前等待數(shù)據(jù)變?yōu)榭捎谩?（代碼來源：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）{

//閱讀從I2C狀態(tài)，以查看寫緩沖區(qū)是否就緒。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

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

//沒有從站的入站TX待處理。好的，現(xiàn)在寫。

break;

}

//發(fā)送虛擬寄存器地址（設(shè)置第7位表示待寫）。

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

while（1）{

//讀取從I2C狀態(tài)以查看寫緩沖區(qū)是否就緒。

status = i2cm_read（I2C_AS72XX_SLAVE_STATUS_REG）;

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

//否從站的入站TX待定。好的，現(xiàn)在就寫數(shù)據(jù)了。

break;

}

//發(fā)送數(shù)據(jù)以完成操作。

i2cm_write（I2C_AS72XX_SLAVE_WRITE_REG，d）;

<代碼>}

清單2：使用清單1中所示的相同設(shè)計模式通過I 2 C接口讀取數(shù)據(jù)，開發(fā)人員在寫入虛擬寄存器之前輪詢設(shè)備（ i2cm_write ）。 （代碼來源：ams）

對于大多數(shù)應(yīng)用程序，開發(fā)人員可能會使用設(shè)備自動生成的校準(zhǔn)結(jié)果。對于這些結(jié)果，器件使用在工廠校準(zhǔn)期間刻錄到每個器件中的補(bǔ)償數(shù)據(jù)來校正原始數(shù)據(jù)，將結(jié)果作為IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)格式的32位浮點值傳遞。然而，開發(fā)人員可以訪問每個光譜通道的原始數(shù)據(jù)，以便為具有獨特要求的應(yīng)用程序?qū)嵤ｉT的校準(zhǔn)和校正措施。

除了簡單的軟件界面外，每個設(shè)備只需要幾個額外的組件來實現(xiàn)多個-spectral分析儀，因為它具有高水平的功能集成。 AS7262 DEMO KIT和AS7263 DEMO KIT均提供完整的參考設(shè)計，演示了在基本設(shè)計中實現(xiàn)所需的硬件接口（圖3）。

圖3：通過其AS7262和AS7263 DEMO KITS，ams提供了評估板和原理圖，演示了實現(xiàn)完整多光譜分析系統(tǒng)所需的簡單硬件接口。 （圖片來源：ams）

基于同一平臺，每個演示套件包括一個評估板，其中裝有適當(dāng)?shù)墓庾V傳感設(shè)備，以及Adesto Technologies AT25SF041 4兆位閃存和一些基本組件。器件評估板為兩個用戶提供的LED光源提供焊盤，其光照特性適合應(yīng)用。

結(jié)論

光學(xué)光譜提供了一種分析靶材特性的簡單方法。過去，光譜分析儀設(shè)計的成本和復(fù)雜性限制了該技術(shù)在研究實驗室和企業(yè)運(yùn)營中的應(yīng)用。 ams的單芯片多光譜傳感設(shè)備的可用性消除了實現(xiàn)更簡單，更低成本的光譜儀設(shè)計的障礙。使用這些設(shè)備，開發(fā)人員可以解決手持式光譜分析儀的新興機(jī)會。