光柵光譜儀中的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

，，，

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

光譜儀是光譜分析中必不可缺的儀器，它的主要功能是分析物質(zhì)的光譜組成，如波長、強度等.近年來，隨著電荷耦合器件(Charge couple device，CCD)性能的不斷提高，在光譜儀上的感光探測器件選用線陣CCD不斷增多，線陣CCD能將入射光轉(zhuǎn)換為信號電荷并按像元逐個輸出，具有噪聲低、光譜響應(yīng)寬以及精度和靈敏度高等特點[1].難點在于對線陣CCD輸出信號的高速采集與處理以及CCD本身需要驅(qū)動電路[2].由于需要對CCD信號的大量高速傳輸或數(shù)據(jù)采集，因此中斷查詢法不易實現(xiàn)，即使實現(xiàn)也是速度很慢.參考現(xiàn)有的CCD信號數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，主要有兩種，有基于DSP的CCD高速測量系統(tǒng)，使用DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和先進先出(First in first out，F(xiàn)IFO)存儲器[3-5]；還有就是基于單片機的直接存儲器存取(Direct access memory，簡稱DMA)方式[6]，考慮到價格因素，選用后一種方案.

單片機本身不具備DMA方式的功能，同時現(xiàn)有的控制芯片也無法單獨完成控制.用數(shù)字邏輯電路設(shè)計了CCD驅(qū)動電路[7]和DMA控制電路，A/D轉(zhuǎn)換選用AD1674，CPU選用89C52，因為89C52的P0要復(fù)用,用74HC245P作隔離.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

該系統(tǒng)由線陣CCD、CCD驅(qū)動電路、單片機控制系統(tǒng)、RAM存儲器、DMA傳輸電路和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成.該單片機系統(tǒng)采用89C52芯片，HM6264LP-70芯片作為外部64k靜態(tài)RAM使用， A/D(AD1674JN)轉(zhuǎn)換器的工作范圍是存儲器的全部64k地址，其數(shù)據(jù)在DMA周期寫入，在非DMA周期由單片機讀出.RAM的地址與DMA地址發(fā)生器的輸出相連，RAM的數(shù)據(jù)總線與數(shù)據(jù)切換電路相連，通過控制電路，在DMA寫入周期，AD1674JN轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寫入RAM，在非DMA周期，RAM的數(shù)據(jù)總線切換連接至89C52的DB總線(P0口)，把寫入RAM的數(shù)據(jù)讀入單片機，RAM的地址由單片機控制DMA地址發(fā)生器產(chǎn)生，讀入的數(shù)據(jù)有單片機通過USB的擴展口傳遞給上位機進行數(shù)據(jù)處理.驅(qū)動電路不斷發(fā)出符合CCD時序的脈沖，當(dāng)需要采樣時，單片機通知控制電路允許驅(qū)動電路發(fā)出的同步時鐘對DMA地址發(fā)生器清零，清零信號同時通知控制電路讓數(shù)據(jù)切換電路把AD1674JN轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)總線與RAM相連，從此控制電路接管控制AD1674JN轉(zhuǎn)換器、DMA地址發(fā)生器、RAM存儲器，在驅(qū)動電路的統(tǒng)一時鐘下工作，AD1674JN轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)寫入RAM，單片機邊處理數(shù)據(jù)邊等待DMA地址發(fā)生器的溢出信號，DMA地址發(fā)生器由4個16位二進制計數(shù)器產(chǎn)生，DMA地址發(fā)生器的溢出信號引起單片機中斷，同時通知控制電路讓數(shù)據(jù)切換電路把RAM數(shù)據(jù)總線與單片機相連，單片機收回控制權(quán)，發(fā)信號給控制電路，輸出時鐘給控制電路，從RAM存儲器中讀取數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了CCD輸出數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以DMA方式的塊數(shù)據(jù)采集.

2 硬件組成與信號采集電路

2.1 硬件組成

2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器

AD1674JN芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10伏基準(zhǔn)電壓源、時鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器，采樣頻率為100 kHz，轉(zhuǎn)換時間為10 μs.結(jié)合實際考慮以及為了簡化電路設(shè)計，系統(tǒng)采用AD1674JN的單極輸入連接電路(圖2)，其輸入模擬電壓的范圍在0～10 V之間，完全滿足CCD實際輸出信號的要求.

圖2 單極輸入時的連接電路

2.1.2 單片機芯片

AT89C52是一款低電壓、高性能的COMS 8位單片機，它由美國ATMEL公司生產(chǎn)，其片內(nèi)含可重復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM 8 kbytes)和隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM 256 bytes)，同時內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，設(shè)計使用其最大時鐘頻率為24 MHz.8255A是一款可編程輸入輸出接口芯片，它由Intel公司生產(chǎn)，其具有PA口、PB口和PC口3個8位的并行I/O口，其中PC口又分高4位口(PC7—PC4)及低4位口(PC3—PC0)，它們都能應(yīng)用軟件編程來改變I/O的工作方式[8].

2.1.3 線陣CCD器件

圖3 CCD驅(qū)動脈沖波形

2.1.4 靜態(tài)RAM、總線切換路和DMA地址發(fā)生器

靜態(tài)RAM HM6264LP-70是一款高速、低功耗及帶讀寫控制的64k的8位字節(jié)靜態(tài)COMS存儲器，典型存取時間為70 ns.靜態(tài)RAM容量的選擇有以下公式?jīng)Q定：

(1)

即

(2)

因此需要64k的8位字節(jié)靜態(tài)COMS存儲器.

2.2 信號采集電路

信號采集電路如圖4所示，該電路由1片A/D轉(zhuǎn)換芯片、1片靜態(tài)RAM和2片16位二進制計數(shù)

圖4 信號采集電路

圖5 MR和信號產(chǎn)生電路

圖6 信號采集時序圖

表1 HM6264LP-70真值表

表2 AD1674JN真值表

結(jié)合實際應(yīng)用，分別對工作電壓為12 V的鹵鎢燈和工作電壓為140 V的氘燈進行光譜檢測，其檢測光譜圖如圖7，8所示.

圖7 鹵鎢燈光譜圖

圖8 氘燈光譜圖

3 結(jié) 論

利用DMA實現(xiàn)單片機控制系統(tǒng)對線陣CCD信號的高速采集與實時處理.將此DMA電路運用于自行開發(fā)的光譜儀中，并結(jié)合C-T型光學(xué)系統(tǒng)，可實現(xiàn)對光譜測量范圍為300～600 nm的線陣CCD信號高速實際采集處理.該設(shè)備的基本功能是分析物質(zhì)的譜線波長、強度等，同時該光柵光譜儀由光柵，線陣CCD，放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，計算機等組成，可以說該設(shè)備集光機電于一體.正是由于CCD和光柵的有效結(jié)合，突破了原單色儀每次只能檢測一個信號的局限，而CCD能夠一次接收到分布在空間的多個信號，因此大大提高了光譜儀的工作效率.

本文得到浙江工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究基金(2012XZ002)的資助。

參考文獻：

[1] WANG Qing-you. Applied technology of CCD[M]. Tianjin: Publishing House of Tianjin University,2000:36-45.

[2] 徐丹陽，童建平，陳鯉江，等.基于IC的積分時間和頻率可調(diào)的線陣CCD驅(qū)動[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38(1):67-70.

[3] XU Da-cheng, WENG Gui-rong. High-speed data acquisition system for liner array CCD[J]. Journal of Transducer Technology,2002,21(9):45-50.

[4] 沈永增，王煒，鄭敏.IROM啟動下的U-Boot自動燒寫功能的實現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(6):651-654.

[5] 宋秀蘭，吳曉波.多處理器通信機制設(shè)計[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，38(4):426-429.

[6] WANG Xin, CHEN Ji, CAO Jiu-da, et al. High-speed data acquisition and real-time processing system for linear CCD[J]. Journal of Optoelectronics Laser,2008,19(2):174-177.

[7] ZHANG Zhi-hui, TIAN Di YANG Yi-xian. Methods for design of linear CCD driving circuit[J]. Instrument Technique and Sensor,2004(6):32-34.

[8] 張毅剛，彭喜元，姜守達，等.MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004:88-92.

[9] WANG Qing-you. Application technique of image sensor[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006:106-110.