一種用單片機控制的光譜數據采集系統的設計

摘要：介紹利用單片機和A/D器件MAX120等構成的光譜信號采集系統,由單片機控制A/D產生不同的采樣頻率,用于光電倍增管和CCD輸出的光譜信號的采集。

　　關鍵詞：單片機 A/D 信號采集 光譜

　　概述

　　在光譜測量中,常用光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件（CCD）作為光電轉換器。在慢變化、高精度光譜測量中使用PMT;對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時間變化時的光譜信號則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續的模擬信號;CCD輸出的是視頻脈沖信號。由于輸出信號的不同,相應的信號采集電路也不盡相同。本文所述的系統通過設定控制開關的不同狀態,由單片機檢測、判斷和執行相應的操作,完成對不同形式輸入信號的采集。采集到的光譜強度通過并口送入計算機進行處理、計算,并顯示和打印出光譜曲線。

由于CCD像元幾何尺寸小、精度高,有光積分時間和信號存儲功能,因此,可以用來進行光譜測量。被測光源發出的光線經狹縫落在光柵平面上,經光柵色散后在CCD像元上成像,CCD各像元的位置對應于光線色散后不同的波長。CCD輸出的是被測對象的視頻信號,在視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收光強的強弱,而信號輸出的時序則對應CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對CCD輸出信號進行逐位采樣,根據采樣的位數,就可以知道信號所在的波長,而信號的幅度則是該波長的光譜能量。這樣,只要對目標進行一次采樣,就可以得到在一定波長范圍內的光譜分布曲線,因而可以用來測量閃光燈等瞬態發光光譜。

　　光電倍增管以其特有的倍增系統,成為一種理想的低噪聲放大器。它可以探測極微弱的光信號,而且響應速度很快,有效面積也大,被廣泛應用于光信號測量的領域。光電倍增管輸出的是一個理想的電流源,外接一個負載電阻,通過測量信號電流在負載上的電壓降,即可得到光譜信號。

　一、系統設計

　　利用單片機控制A/D采集光譜信號是一種方便快捷的方法。光譜數據采集系統的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機、CCD時序產生電路、

　　多路選擇開關、A/D采樣電路、存儲器、并行口倍增管高壓調整電路等組成。我們設計的信號采集電路可以用于兩種探測器。針對不同的探測器,單片機工作在不同的狀態,利用同一A/D采樣電路,完成信號的采集。A/D采樣通過并口和計算機通訊,由計算機完成光譜數據的處理。這在應用中非常方便實用,可以滿足光譜測量要求。

　　AT89C52是美國ATMEL公司的產品。89系列的單片機與80C51系列完全兼容。它的最大特點就是在片內含有Flash存儲器。我們選用的AT89C52是在標準型AT89C51基礎上改進的（在存儲器容量、定時器和中斷能力上加以改進）。AT89C52的內部含有8KB可改寫的Flash內部程序存儲器,可擦/寫1000次,3級程序存儲器加密,256字節內部RAM,32根可編程I/O線,3個16位定時/計數器,可編程串行口,中斷級8級。

　　1.A/D轉換

　　在光譜數據采集系統中,A/D轉換器選用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位模擬數字轉換器（ADC）;它有片內的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準電路,而且轉換速度快、功耗低。它的轉換時間為1.6μs,其中包含了T/H電路250ns的采樣時間,因此,MAX120的吞吐率高達510 5次/s采樣,可以滿足一般測量需要。

　　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電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時鐘信號。MAX120采用了標準的微處理器接口,3態數據輸出可直接與12位數據總線連接。訪問數據和在線釋放的時序特性參數允許在不插入等待狀態的情況下與大多數微處理器兼容。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,內部緩沖器對電容進行充電以減少2次轉換之間所需的采集時間。模擬輸入端可以看作1個6kΩ電阻與10pF電容并聯的電路。2次轉換之間,緩沖器輸入通過輸入電阻與AIN相連。當轉換開始時,該輸入端又與AIN斷開,于是就采集了輸入信號。在轉換結束時,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、獨立方式、慢存儲方式、ROM方式和連續轉換方式。方式1是全控制方式,它為用戶提供最大的控制能力,以控制轉換的開始和取數操作。全控制方式用于能插入或不插入等待狀態的微處理機系統。方式2是獨立方式,為用戶提供較大的自主空間。方式3是慢存儲方式,主要用于ADC的轉換期間微處理器不能被強制進等待狀態的微處理器系統。方式4是ROM方式。方式5是連續轉換方式,用于基于微處理器的系統。

　　系統設計中采用MAX120的工作方式2,即獨立方式（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口直接與存儲器相連。在獨立方式下,CONVST引腳上的下降沿啟動一次轉換,數據輸出端總是開放的,當INT/BUSY引腳電平的上升沿指示轉換結束時,數據端上數據就得到更新。因為A/D的數據端總有數據,所以,用74HC245雙向三態八總線收發器進行總線隔離。

MAX120的輸入信號范圍為-5～+5V。在對采集信號進行電平調整時,需要用1片LF356運算放大器,電路連接如圖4所示。通過對電位器RP2和RP3的調整來實現電平調整,以滿足A/D對輸入信號的要求。電路MAX120為雙極性輸入/輸出的變換函數。代碼的變換均出現在相繼兩個整數最小數據位（LSB）值的中間。輸出代碼是2的補碼的二進制碼且1LSB=2.44mV（10V/4096）。

增益調整和雙極性偏置調整,由圖4中的電位器RP3和RP2來實現,調整中偏置調整應先于增益調整。調整雙極性偏置時,將+1/2LSB（0.61mV）施加到沒有反向的放大器輸入端,然后調節RP3,使輸出代碼在0000 0000 0000和0000 0000 0001之間變化。對增益的調整,將滿量程（FS）-1/2LSB（2.4988V）施加到放大器的輸入端,然后調節RP2,使輸出代碼在0111 1111 1110和0111 1111 1111之間變化。這兩個調整之間可能有一些相互影響,須要反復調整。偏置和增益的調整是對A/D轉換的細分,目的在于提高A/D的精度。

　　2.A/D轉換的過程

　　本系統中,CCD輸出信號的重復頻率為200kHz,因而,要求模數轉換器的速率要高于200kHz。A/D轉換器的工作控制不用系統CPU來完成,而是用專用邏輯控制電路完成,包括地址產生器、總線緩沖隔離器、讀寫控制邏輯電路和數據存儲單元。在數據轉換過程中,CPU只負責轉換電路的啟動和檢測1幀數據轉換是否結束,中間過程無須CPU干預,使對CCD1幀數據轉換由邏輯控制電路自動完成。A/D一次采樣的工作過程為：①接收光耦同步采集信號;

　　②驅動A/D轉換;③單片機查詢是否轉換完成;④讀出數據,存入存儲器。轉換過程控制程序框圖如圖5所示。
用光電倍增管對小于10kHz調制頻率的慢變化光譜信號的測量,50kHz的采樣頻率可以滿足測量的要求,其采集電路可以適用于各種光電倍增管的輸出信號采集。我們選用12MHz的時鐘頻率,對軟件進行優化,其運行的時間為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整

　　在光電倍增管應用中,高壓的穩定性直接影響測量的精度。一般,光電倍增管的倍增級為10級左右,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的輸出對工作電壓非常敏感,使用時,必須用高穩定性的高壓電源。高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負載變化等的綜合穩定度必須優手所要求的光電倍增管穩定度1個數量級。我們選用的是由HAMAMATSU（濱松）公司生產的高壓模塊,其電壓最大漂移量為0.03%h。

　　為擴大動態范圍,須對光電倍增管的高壓進行動態調整。圖7是控制電壓和控制電阻上相應的輸出電壓的關系曲線。光電倍增管的專用高壓模塊通過改變高壓模塊調整端的電壓或電阻,來改變輸出端的高壓。調整電阻用10kΩ電位器,電壓調整范圍為0～1.4V。

　　圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。

　　為滿足不同的測量要求,需要設置三個量程。一般量程的調整為人工調整電位器,效率較低、精度不好控制。這里我們利用單片機控制可編程數字電位器X9C103來實現調整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線原理圖。根據測量輸出信號的強弱,相應調整PMT的高壓,并將調整的狀態通過并口送入計算機。X9C103是一個包含100個電阻單元的電阻陣列。在每個單元之間和任一端都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動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/降計數器,總阻值10kΩ、工作時鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動端位置存儲于非易失性存儲器中,可在上電時重新調用,滑動端位置數據可保存100年。X9C103是固態非易失性電位器,它與機械電位器相比有調節更精確、不受意外影響（振動、污染）、節省空間、易于安裝、滑動端位置易于由單片機或邏輯電路控制的優點,是理想的數控微調電位器。三線接口由單片機P0口控制1片74LS374來完成鎖存,軟件編程實現。

二、應用

　　為了滿足光譜采集的需要,我們設計了相應的信號采集電路,應用單片機控制A/D芯片完成對于兩種不同的探測器輸出信號的采集。實際應用表明,采集系統的信噪比、采樣頻率等性能可以滿足測量的要求。

　　1.用于CCD輸出信號采集

　　采用CCD測量光譜大大縮短了測量時間,減少了外界環境對測量精度的影響。對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時間變化的光源,采用CCD測量其光譜分析,能得到精確的測量結果。

　　單片機在其中要完成的工作是控制CCD時序脈沖的產生和高速A/D采樣頻率的實現等,其原理框圖如圖10所示。對于兩相線陣CCD,須要在其相關引腳加入適當脈沖才能正常工作,主要有兩相時鐘脈沖ψA和ψB、轉移門ψTG、復位門ψR,并且要輸出與CCD輸出信號同步的脈沖,作為信號采集的同步觸發信號,其主驅動脈沖由單片機控制產生。

　　CCD將光信號轉換成視頻脈沖信號后,經差分放大和電平調整電路后,輸出滿足MAX120輸入信號范圍的信號（-5～+5V）,送入A/D轉換器的輸入端。邏輯控制電路的輸入信號是CCD視頻脈沖同步信號、微處理器控制是否進行A/D轉換信號、A/D轉換器狀態信號和數據存儲器地址信號,經一定的邏輯運算后輸出A/D轉換的起始信號、地址產生器的計數信號以及送入AT89C52單片機計數端口用來控制轉換次數的計數信號。數據隔離器的作用是將A/D轉換部分的數據線與主機部分的數據線隔離,使兩部分可同時獨立工作,不會產生干擾,且在需要時可將A/D轉換器的轉換結果（在存儲器中）讀入主機進行處理。地址產生器由二進制計數器構成,數據存儲器的地址線與計數器的輸出端相接,計數輸入信號有清零信號和計數信號。其中,清零信號受主機控制,每次對1幀CCD信號轉換前,必須將地址產生器清零,使2048個像元信號的轉換結果從零地址開始依次存放;同樣,在讀存儲單元時,也要先地址產生器清零。計數信號由邏輯控制單元提供,在A/D轉換和讀存儲器期間,每對存儲器操作1次就使地址加1,連續操作就可以順序讀寫存儲器。地址分配器是主機用來給每個讀寫端口分配地址的。由于本系統的獨持設計,每個數據存儲器只占用1個地址。只要反復對某一地址操作,就可將存儲器中的數據讀出。

　　最后,由系統總控制單元采用適當的計算對其進行處理得到被測物圖像的信息。系統總控制單元除完成數據處理工作以外,還擔負著數據存儲、CCD積分時間控制、PC遠程數據傳輸和控制等工作。

　　下面給出利用信號采集系統得到的實測光譜。圖11是用CCD實測的閃光燈泵浦可調諧摻鈦寶石激光器的輸出光譜。通過在激光腔內加一鈮酸鈮晶體光電開關,改變鈮酸晶體上的電壓,使不同波長的光在激光腔內發生振蕩,從而實現鈦寶石調諧。這是一種新型的實現鈦定石調諧的實驗方法,圖11所示光譜線就是改變鈮酸鈮晶體電壓,用CCD實測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、準確地得知輸出光的波長和帶寬。

　　2.用于光電倍增管輸出信號采集

　　根據被采集光譜信號的特征和采樣頻率的要求,我們設計了相應的信號采集電路,如圖12所示。它的采樣頻率為50kHz,同時根據測量信號的強弱,相應地調整光電倍增管的高壓,從而提高采集系統的動態范圍。在這種工作模式下,由AT89C52完成信號采集過程控制和倍增管的高壓自動調整。控制完成信號的采集、數據存儲和數據的傳輸。數據存儲由一片6264完成,采集到的光譜強度通過并行口送入計算機進行處理。

　　由于PMT的靈敏度高、精度高,常用來測量分子吸收光譜。利用光譜法檢測空氣中污染氣體的含量,是目前常用的快捷、連續、在線的監測方法。研究污染氣體分子的特征吸收光譜是準確測量的關鍵。圖13是利用光電倍增管測得的SO2特片吸收光譜。它是用氘燈日光源,光經過含有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。在50kHz采樣頻率下測得SO2在300nm波長附近的特征吸收光譜,入射光的調制頻率日1kHz。