一種用單片機(jī)控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：介紹利用單片機(jī)和A/D器件MAX120等構(gòu)成的光譜信號(hào)采集系統(tǒng),由單片機(jī)控制A/D產(chǎn)生不同的采樣頻率,用于光電倍增管和CCD輸出的光譜信號(hào)的采集。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī) A/D 信號(hào)采集 光譜

　　概述

　　在光譜測(cè)量中,常用光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件（CCD）作為光電轉(zhuǎn)換器。在慢變化、高精度光譜測(cè)量中使用PMT;對(duì)于閃光燈、熒光和磷光等強(qiáng)度隨時(shí)間變化時(shí)的光譜信號(hào)則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號(hào)形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續(xù)的模擬信號(hào);CCD輸出的是視頻脈沖信號(hào)。由于輸出信號(hào)的不同,相應(yīng)的信號(hào)采集電路也不盡相同。本文所述的系統(tǒng)通過設(shè)定控制開關(guān)的不同狀態(tài),由單片機(jī)檢測(cè)、判斷和執(zhí)行相應(yīng)的操作,完成對(duì)不同形式輸入信號(hào)的采集。采集到的光譜強(qiáng)度通過并口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、計(jì)算,并顯示和打印出光譜曲線。

由于CCD像元幾何尺寸小、精度高,有光積分時(shí)間和信號(hào)存儲(chǔ)功能,因此,可以用來進(jìn)行光譜測(cè)量。被測(cè)光源發(fā)出的光線經(jīng)狹縫落在光柵平面上,經(jīng)光柵色散后在CCD像元上成像,CCD各像元的位置對(duì)應(yīng)于光線色散后不同的波長(zhǎng)。CCD輸出的是被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào),在視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱,而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行逐位采樣,根據(jù)采樣的位數(shù),就可以知道信號(hào)所在的波長(zhǎng),而信號(hào)的幅度則是該波長(zhǎng)的光譜能量。這樣,只要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一次采樣,就可以得到在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜分布曲線,因而可以用來測(cè)量閃光燈等瞬態(tài)發(fā)光光譜。

　　光電倍增管以其特有的倍增系統(tǒng),成為一種理想的低噪聲放大器。它可以探測(cè)極微弱的光信號(hào),而且響應(yīng)速度很快,有效面積也大,被廣泛應(yīng)用于光信號(hào)測(cè)量的領(lǐng)域。光電倍增管輸出的是一個(gè)理想的電流源,外接一個(gè)負(fù)載電阻,通過測(cè)量信號(hào)電流在負(fù)載上的電壓降,即可得到光譜信號(hào)。

　一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　利用單片機(jī)控制A/D采集光譜信號(hào)是一種方便快捷的方法。光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機(jī)、CCD時(shí)序產(chǎn)生電路、

　　多路選擇開關(guān)、A/D采樣電路、存儲(chǔ)器、并行口倍增管高壓調(diào)整電路等組成。我們?cè)O(shè)計(jì)的信號(hào)采集電路可以用于兩種探測(cè)器。針對(duì)不同的探測(cè)器,單片機(jī)工作在不同的狀態(tài),利用同一A/D采樣電路,完成信號(hào)的采集。A/D采樣通過并口和計(jì)算機(jī)通訊,由計(jì)算機(jī)完成光譜數(shù)據(jù)的處理。這在應(yīng)用中非常方便實(shí)用,可以滿足光譜測(cè)量要求。

　　AT89C52是美國(guó)ATMEL公司的產(chǎn)品。89系列的單片機(jī)與80C51系列完全兼容。它的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有Flash存儲(chǔ)器。我們選用的AT89C52是在標(biāo)準(zhǔn)型AT89C51基礎(chǔ)上改進(jìn)的（在存儲(chǔ)器容量、定時(shí)器和中斷能力上加以改進(jìn)）。AT89C52的內(nèi)部含有8KB可改寫的Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,可擦/寫1000次,3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密,256字節(jié)內(nèi)部RAM,32根可編程I/O線,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,可編程串行口,中斷級(jí)8級(jí)。

　　1.A/D轉(zhuǎn)換

　　在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,A/D轉(zhuǎn)換器選用MAX120。其引腳和電路原理如圖2所示。MAX120是一種采用BiCMOS工藝、帶采樣電路的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）;它有片內(nèi)的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準(zhǔn)電路,而且轉(zhuǎn)換速度快、功耗低。它的轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.6μs,其中包含了T/H電路250ns的采樣時(shí)間,因此,MAX120的吞吐率高達(dá)510 5次/s采樣,可以滿足一般測(cè)量需要。

　　MAX120可以接收-5～+5V的模擬輸入電壓,惟一需要的外部元件是去耦電容（用于為電源電壓和基準(zhǔn)電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時(shí)鐘信號(hào)。MAX120采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器接口,3態(tài)數(shù)據(jù)輸出可直接與12位數(shù)據(jù)總線連接。訪問數(shù)據(jù)和在線釋放的時(shí)序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)微處理器兼容。所有的邏輯輸入端和輸出端與TTL/COMS電平兼容。

圖2（b）所示電路圖中,內(nèi)部緩沖器對(duì)電容進(jìn)行充電以減少2次轉(zhuǎn)換之間所需的采集時(shí)間。模擬輸入端可以看作1個(gè)6kΩ電阻與10pF電容并聯(lián)的電路。2次轉(zhuǎn)換之間,緩沖器輸入通過輸入電阻與AIN相連。當(dāng)轉(zhuǎn)換開始時(shí),該輸入端又與AIN斷開,于是就采集了輸入信號(hào)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),緩沖器輸入端又重新與AIN相連,保持電容再次充電至輸入電壓。只要不是正在轉(zhuǎn)換過程中,T/H電路就處在跟蹤方式下。

　　MAX120有5種工作方式：全控制方式、獨(dú)立方式、慢存儲(chǔ)方式、ROM方式和連續(xù)轉(zhuǎn)換方式。方式1是全控制方式,它為用戶提供最大的控制能力,以控制轉(zhuǎn)換的開始和取數(shù)操作。全控制方式用于能插入或不插入等待狀態(tài)的微處理機(jī)系統(tǒng)。方式2是獨(dú)立方式,為用戶提供較大的自主空間。方式3是慢存儲(chǔ)方式,主要用于ADC的轉(zhuǎn)換期間微處理器不能被強(qiáng)制進(jìn)等待狀態(tài)的微處理器系統(tǒng)。方式4是ROM方式。方式5是連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,用于基于微處理器的系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MAX120的工作方式2,即獨(dú)立方式（MODE=開路,RD=CS=DGND）電路連接方式如圖3所示。這種方式下,MAX120能直接與FIFO緩沖器相連或通過DMA口直接與存儲(chǔ)器相連。在獨(dú)立方式下,CONVST引腳上的下降沿啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)輸出端總是開放的,當(dāng)INT/BUSY引腳電平的上升沿指示轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),數(shù)據(jù)端上數(shù)據(jù)就得到更新。因?yàn)锳/D的數(shù)據(jù)端總有數(shù)據(jù),所以,用74HC245雙向三態(tài)八總線收發(fā)器進(jìn)行總線隔離。

MAX120的輸入信號(hào)范圍為-5～+5V。在對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整時(shí),需要用1片LF356運(yùn)算放大器,電路連接如圖4所示。通過對(duì)電位器RP2和RP3的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)電平調(diào)整,以滿足A/D對(duì)輸入信號(hào)的要求。電路MAX120為雙極性輸入/輸出的變換函數(shù)。代碼的變換均出現(xiàn)在相繼兩個(gè)整數(shù)最小數(shù)據(jù)位（LSB）值的中間。輸出代碼是2的補(bǔ)碼的二進(jìn)制碼且1LSB=2.44mV（10V/4096）。

增益調(diào)整和雙極性偏置調(diào)整,由圖4中的電位器RP3和RP2來實(shí)現(xiàn),調(diào)整中偏置調(diào)整應(yīng)先于增益調(diào)整。調(diào)整雙極性偏置時(shí),將+1/2LSB（0.61mV）施加到?jīng)]有反向的放大器輸入端,然后調(diào)節(jié)RP3,使輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。對(duì)增益的調(diào)整,將滿量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的輸入端,然后調(diào)節(jié)RP2,使輸出代碼在0111 1111 1110和0111 1111 1111之間變化。這兩個(gè)調(diào)整之間可能有一些相互影響,須要反復(fù)調(diào)整。偏置和增益的調(diào)整是對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的細(xì)分,目的在于提高A/D的精度。

　　2.A/D轉(zhuǎn)換的過程

　　本系統(tǒng)中,CCD輸出信號(hào)的重復(fù)頻率為200kHz,因而,要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速率要高于200kHz。A/D轉(zhuǎn)換器的工作控制不用系統(tǒng)CPU來完成,而是用專用邏輯控制電路完成,包括地址產(chǎn)生器、總線緩沖隔離器、讀寫控制邏輯電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中,CPU只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)和檢測(cè)1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束,中間過程無須CPU干預(yù),使對(duì)CCD1幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換由邏輯控制電路自動(dòng)完成。A/D一次采樣的工作過程為：①接收光耦同步采集信號(hào);

　?、隍?qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;③單片機(jī)查詢是否轉(zhuǎn)換完成;④讀出數(shù)據(jù),存入存儲(chǔ)器。轉(zhuǎn)換過程控制程序框圖如圖5所示。
用光電倍增管對(duì)小于10kHz調(diào)制頻率的慢變化光譜信號(hào)的測(cè)量,50kHz的采樣頻率可以滿足測(cè)量的要求,其采集電路可以適用于各種光電倍增管的輸出信號(hào)采集。我們選用12MHz的時(shí)鐘頻率,對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化,其運(yùn)行的時(shí)間為20μs,采樣頻率為50kHz,可以滿足采樣的要求。

　　3.光電倍增管的高壓調(diào)整

　　在光電倍增管應(yīng)用中,高壓的穩(wěn)定性直接影響測(cè)量的精度。一般,光電倍增管的倍增級(jí)為10級(jí)左右,圖6所示為倍增管高壓與電流增益之間的電流增益之間的倍增關(guān)系。從圖6可看出電流增益約與陰極-陽極間所加電壓的10 6～10 10成比例。所以PMT的輸出對(duì)工作電壓非常敏感,使用時(shí),必須用高穩(wěn)定性的高壓電源。高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度必須優(yōu)手所要求的光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)。我們選用的是由HAMAMATSU（濱松）公司生產(chǎn)的高壓模塊,其電壓最大漂移量為0.03%h。

　　為擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍,須對(duì)光電倍增管的高壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。圖7是控制電壓和控制電阻上相應(yīng)的輸出電壓的關(guān)系曲線。光電倍增管的專用高壓模塊通過改變高壓模塊調(diào)整端的電壓或電阻,來改變輸出端的高壓。調(diào)整電阻用10kΩ電位器,電壓調(diào)整范圍為0～1.4V。

　　圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。

　　為滿足不同的測(cè)量要求,需要設(shè)置三個(gè)量程。一般量程的調(diào)整為人工調(diào)整電位器,效率較低、精度不好控制。這里我們利用單片機(jī)控制可編程數(shù)字電位器X9C103來實(shí)現(xiàn)調(diào)整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線原理圖。根據(jù)測(cè)量輸出信號(hào)的強(qiáng)弱,相應(yīng)調(diào)整PMT的高壓,并將調(diào)整的狀態(tài)通過并口送入計(jì)算機(jī)。X9C103是一個(gè)包含100個(gè)電阻單元的電阻陣列。在每個(gè)單元之間和任一端都有可以被滑動(dòng)單元訪問的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元的位置由片選輸入端CS、升/降輸入端U/D、增加輸入端INC控制。它類似于TTL升/降計(jì)數(shù)器,總阻值10kΩ、工作時(shí)鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中,可在上電時(shí)重新調(diào)用,滑動(dòng)端位置數(shù)據(jù)可保存100年。X9C103是固態(tài)非易失性電位器,它與機(jī)械電位器相比有調(diào)節(jié)更精確、不受意外影響（振動(dòng)、污染）、節(jié)省空間、易于安裝、滑動(dòng)端位置易于由單片機(jī)或邏輯電路控制的優(yōu)點(diǎn),是理想的數(shù)控微調(diào)電位器。三線接口由單片機(jī)P0口控制1片74LS374來完成鎖存,軟件編程實(shí)現(xiàn)。

二、應(yīng)用

　　為了滿足光譜采集的需要,我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路,應(yīng)用單片機(jī)控制A/D芯片完成對(duì)于兩種不同的探測(cè)器輸出信號(hào)的采集。實(shí)際應(yīng)用表明,采集系統(tǒng)的信噪比、采樣頻率等性能可以滿足測(cè)量的要求。

　　1.用于CCD輸出信號(hào)采集

　　采用CCD測(cè)量光譜大大縮短了測(cè)量時(shí)間,減少了外界環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。對(duì)于閃光燈、熒光和磷光等強(qiáng)度隨時(shí)間變化的光源,采用CCD測(cè)量其光譜分析,能得到精確的測(cè)量結(jié)果。

　　單片機(jī)在其中要完成的工作是控制CCD時(shí)序脈沖的產(chǎn)生和高速A/D采樣頻率的實(shí)現(xiàn)等,其原理框圖如圖10所示。對(duì)于兩相線陣CCD,須要在其相關(guān)引腳加入適當(dāng)脈沖才能正常工作,主要有兩相時(shí)鐘脈沖ψA和ψB、轉(zhuǎn)移門ψTG、復(fù)位門ψR(shí),并且要輸出與CCD輸出信號(hào)同步的脈沖,作為信號(hào)采集的同步觸發(fā)信號(hào),其主驅(qū)動(dòng)脈沖由單片機(jī)控制產(chǎn)生。

　　CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻脈沖信號(hào)后,經(jīng)差分放大和電平調(diào)整電路后,輸出滿足MAX120輸入信號(hào)范圍的信號(hào)（-5～+5V）,送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。邏輯控制電路的輸入信號(hào)是CCD視頻脈沖同步信號(hào)、微處理器控制是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)信號(hào)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址信號(hào),經(jīng)一定的邏輯運(yùn)算后輸出A/D轉(zhuǎn)換的起始信號(hào)、地址產(chǎn)生器的計(jì)數(shù)信號(hào)以及送入AT89C52單片機(jī)計(jì)數(shù)端口用來控制轉(zhuǎn)換次數(shù)的計(jì)數(shù)信號(hào)。數(shù)據(jù)隔離器的作用是將A/D轉(zhuǎn)換部分的數(shù)據(jù)線與主機(jī)部分的數(shù)據(jù)線隔離,使兩部分可同時(shí)獨(dú)立工作,不會(huì)產(chǎn)生干擾,且在需要時(shí)可將A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果（在存儲(chǔ)器中）讀入主機(jī)進(jìn)行處理。地址產(chǎn)生器由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址線與計(jì)數(shù)器的輸出端相接,計(jì)數(shù)輸入信號(hào)有清零信號(hào)和計(jì)數(shù)信號(hào)。其中,清零信號(hào)受主機(jī)控制,每次對(duì)1幀CCD信號(hào)轉(zhuǎn)換前,必須將地址產(chǎn)生器清零,使2048個(gè)像元信號(hào)的轉(zhuǎn)換結(jié)果從零地址開始依次存放;同樣,在讀存儲(chǔ)單元時(shí),也要先地址產(chǎn)生器清零。計(jì)數(shù)信號(hào)由邏輯控制單元提供,在A/D轉(zhuǎn)換和讀存儲(chǔ)器期間,每對(duì)存儲(chǔ)器操作1次就使地址加1,連續(xù)操作就可以順序讀寫存儲(chǔ)器。地址分配器是主機(jī)用來給每個(gè)讀寫端口分配地址的。由于本系統(tǒng)的獨(dú)持設(shè)計(jì),每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只占用1個(gè)地址。只要反復(fù)對(duì)某一地址操作,就可將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀出。

　　最后,由系統(tǒng)總控制單元采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算對(duì)其進(jìn)行處理得到被測(cè)物圖像的信息。系統(tǒng)總控制單元除完成數(shù)據(jù)處理工作以外,還擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、CCD積分時(shí)間控制、PC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制等工作。

　　下面給出利用信號(hào)采集系統(tǒng)得到的實(shí)測(cè)光譜。圖11是用CCD實(shí)測(cè)的閃光燈泵浦可調(diào)諧摻鈦寶石激光器的輸出光譜。通過在激光腔內(nèi)加一鈮酸鈮晶體光電開關(guān),改變鈮酸晶體上的電壓,使不同波長(zhǎng)的光在激光腔內(nèi)發(fā)生振蕩,從而實(shí)現(xiàn)鈦寶石調(diào)諧。這是一種新型的實(shí)現(xiàn)鈦定石調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)方法,圖11所示光譜線就是改變鈮酸鈮晶體電壓,用CCD實(shí)測(cè)的鈦寶石激光器的輸出光譜線。每改變一次電壓就能很快地、準(zhǔn)確地得知輸出光的波長(zhǎng)和帶寬。

　　2.用于光電倍增管輸出信號(hào)采集

　　根據(jù)被采集光譜信號(hào)的特征和采樣頻率的要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)采集電路,如圖12所示。它的采樣頻率為50kHz,同時(shí)根據(jù)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)弱,相應(yīng)地調(diào)整光電倍增管的高壓,從而提高采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。在這種工作模式下,由AT89C52完成信號(hào)采集過程控制和倍增管的高壓自動(dòng)調(diào)整。控制完成信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由一片6264完成,采集到的光譜強(qiáng)度通過并行口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

　　由于PMT的靈敏度高、精度高,常用來測(cè)量分子吸收光譜。利用光譜法檢測(cè)空氣中污染氣體的含量,是目前常用的快捷、連續(xù)、在線的監(jiān)測(cè)方法。研究污染氣體分子的特征吸收光譜是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵。圖13是利用光電倍增管測(cè)得的SO2特片吸收光譜。它是用氘燈日光源,光經(jīng)過含有SO2氣體的吸收波,由光譜儀分光,在出射狹縫處用光光倍增管接收光譜信號(hào)。在50kHz采樣頻率下測(cè)得SO2在300nm波長(zhǎng)附近的特征吸收光譜,入射光的調(diào)制頻率日1kHz。