光透过率计-实现篇

上回说到：我们最终决定使用DSM调制LED光强，由此来测算样品的透过率。

在这篇文章里，我们主要探讨具体的实现方法，如何把理论变成实际的产品。

MCU与片载外设

MCU

MCU我们选择WCH出品的CH32V203C8，成本不算高，但是主频高达144MHz，支持DMA，外设够用，Risc-V内核性能也相当给力。

外设

ADC
我们选的单片机有12bit SAR ADC，采样率可达1MHz，刚好够用。

数字比较器（DCMP）
我们翻遍单片机的手册，似乎并没有找到名为“DCMP”的外设，这对吗？
你看，TIM外设，它有CC通道。CC是什么？捕获和比较！简单来说就是比较counter寄存器和CC寄存器的值，然后输出高电平或者低电平。这不正是我们要找的数字比较器吗？
值得注意的是，因为我们不再使用定时器的“定时”功能，所以有必要把它的时钟关掉，以防counter乱跑。

主时钟
一个TIM外设，负责定时触发ADC采样，从而触发DMA请求，然后DMA把数据搬去DCMP，DCMP输出单比特流。
所以单比特流的频率就取决于这个主时钟频率。

读数定时器
一个配置为门控模式的TIM。如果DCMP输出为高，则计数，否则不计数。
通过读取这个定时器的值，我们就可以知道LED总共点亮了多长时间。
这个定时器的比特数直接影响了DSM的分辨率，所以应该会选用那个32bit的TIM4外设。

DMA
负责将数据从ADC搬运到DCMP

CPU
配置和初始化外设
初始化之后就闲着。偶尔通过i2c写写屏幕，轻松自在。
由于要让DMA的延迟降到最低，所以CPU对总线的访问优先级应该低于DMA，以防造成jitter、噪声和一些不必要的误差。

工作流程

主定时器每10uS触发一次ADC采样。ADC采样完成之后会触发DMA请求，DMA将ADC的数据搬到TIM_DCMP的Counter计数器里。TIM_DCMP将Counter寄存器的值和CC寄存器的值进行比较，得到单比特流，输出给GPIO，驱动LED。与此同时，这个单比特流门控TIM_READ。

一段时间后（记作 \(T_{total}\)）,读取TIM_READ的计数（记作 \(T_{on}\)），则可知输出强度比例为\(T_{on}/T_{total}\)。

外围电路

外围很简单：LED及其驱动电路，光电管及其放大电路，电源以及一些杂七杂八的东西。

LED和它的驱动电路

LED驱动，主要讲究的是一个恒流驱动，因为LED的输出功率对电压变化过于敏感，并不容易实现稳定的电压控制。

另一个需要注重的方面，是电流的上升时间和下降时间。在电流上升和下降的过程中，LED的光强并不是严格的100%或0%，如果上升下降很慢，就会引入极其严重的误差。所以上升下降时间必须极其短，简而言之，要快。

有人会问说：“你直接把LED接个限流电阻，再接GPIO不就好了吗？”。对此我做过仿真。如果限流电阻较小，电流上升下降速度倒是够快，但是会有很大的过冲，甚至振铃，可能导致LED烧毁。如果限流电阻较大，则电流太小，达不到额定亮度。所以使用恒流驱动是很有必要的

所以应该选择高压摆率的运放用于构建恒流驱动，线路尽可能短，LED也要选择封装较小的，以减小寄生电容。

当然成本也是很重要的考量因素，因为超高速的运放一般也超级贵。给到运放的成本预算是零售价小于等于5元。暂时选定TI的OPA354AIDBVR，带宽高达100MHz，压摆率高达150V/uS，输出电流高达100mA。

LED选型目前来讲有两种方案：一种是普通的红色LED，另一种是激光二极管（严格来讲不算是LED，是LD，但是反正都是发光元件，就暂且相提并论吧）。

普通LED的优势是及其便宜，且皮实耐造。但是响应速度可能比较慢（d老师认为跑100kHz绰绰有余，但是具体行不行，还是得看实验）。并且光谱分散，不能测定单独频率的透光率。

激光二极管的优势主要在于它发射的是单色光，不像普通红色LED可能还会发射一点红外线什么的。并且据d老师说激光二极管响应速度比普通LED快（没有具体的佐证资料）。

根据一些资料来看，似乎激光二极管非常金贵，容易被静电打坏。另外激光二极管一般还带有一个反馈的光电二极管用于闭环控制，因为激光二极管“对电流和温度及其敏感”。

但是又有说法称，这些都是早期激光二极管的缺点，现在经过改善，很多激光二极管已经不需要反馈光电二极管了。

另外激光二极管显然比普通LED贵得多。

综上，暂时选用最普通的额定20mA的侧贴红色LED吧（峰值波长600~650）。

光电管及其放大电路

因为我们要搞低成本，所以我们选择了世界上最便宜的光电二极管：LED。

是的，LED在受到外界光线照射时，也会产生光电流。并且最敏感的波段正是其发光的峰值波段。

搞定了光电管，再来搞放大电路。光电二极管相当于一个微小的恒流源，这种场景使用跨阻放大器再合适不过。

放大器这里选的是德州仪器的TLV9001IDBVR，价格低廉，输入偏置电流低至5pA。

电源方案

USB 5V供电，通过两个XC6206产生两路3.3V，一个给单片机的模拟电源VDDA和光电放大电路供电，另一个给单片机的数字电源VDD供电。LED驱动的电源则直连5V。