一种高精度光谱信号采集系统的设计及应用

中图分类号：ＴＰ２１２文献标志码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
ｎｉｑｕｅｓｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒａｎｄｃｈｏｏｓｉｎｇ１６ｂｉｔｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＡ／Ｄｔｏａｃｑｕｉｓｉｔｅｓｐｅｃ —
ａｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｓｉｇｎａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇ￥３Ｃ２４４０
ＷＡＮＨａｎ — ｗｅｉ，ＩＯＮＧＷｅｉ，ＬＩＭｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ｖ０ｌ＿３７ＮＯ．１Ｆｅｂ．２Ｏ１３
一
Hale Waihona Puke 种高精度光谱信号采集系统的设计及应用
万汉伟，龙伟，李蒙，张晓
（南昌大学信息工程学院，江西南昌３３００３１）
摘
要：介绍一种高精度光谱信号采集系统的设计方法及其在连续分光式生化分析仪中的应用。系统以基于
ＡＲＭ技术的￥３Ｃ２４４０为控制核心，采用基于数字电位器的柔性增益放大电路设计技术，并选用１６位高分辨率Ａ／Ｄ对光谱信号进行数据采集，实现了生化分析仪吸光度准确度偏差不大于０．０ｌＡｂｓ的性能指标。生化分析仪的临床应用表明，系统具有运行稳定、抗干扰能力强和精度高等优点。关键词：高精度；光谱信号数据采集；￥３Ｃ２４４０；数字电位器；生化分析仪
ｔｅｍｈａｓａｓｅｒｉｅｓｏｆｍｅｒｉｔｓ，ｓｕｃｈａｓｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄＳＯｏｎ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒａｌｔｙｐｅｏｆｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｚｅｒｏｆ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｓｉｇｎａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；￥３Ｃ２４４０；ｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ；ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｚｅｒ
第３７卷第１期２０１３年２月文章编号：１００６ — ０４６４（２０１３）０１ — ００２６ — ０４
南昌大学学报（理科版）
ｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
ｔｒｏｓｃｏｐｙｓｉｇｎａｌ，ｈａｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｎｏｍｏｒｅｔｈａｎ０．Ｏ１Ａｂｓｉｎａｂｓｏｒｂａｎｃｅａｃｃｕｒａｃｙｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅｃｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｚｅｒｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓ —
ｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎＡＲＭｔｅｃｈｎｏｌｉｇｙａｓｃｏｎｔｒｏｌｃｏｒｅ，ｃｏｍｂｉｎｅｉｎｇｆｌｅｘｉｂｌｅｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｔｅｃｈ—

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OSA原理和应用

OSA原理和应用OSA（光谱分析仪，Optical Spectrum Analyzer）是一种测量光信号频率分布和强度的仪器，它对于光学通信、光学传感和光电子设备的研究和开发具有重要意义。

OSA的工作原理是通过将待测光信号的频谱分解成一系列不同频率的光波，然后使用光谱分析技术进行测量和分析。

OSA的原理可以从以下两个方面来解释：干涉和光谱分解。

首先，OSA利用干涉原理来测量光信号的频率信息。

在OSA中，待测光信号与一个参考光信号通过一束分束器进行干涉，产生干涉图样。

调节分束器的相对位置，可以改变干涉图样的位置，从而改变干涉的瞬时频率。

因此，通过不断调节分束器的位置，可以扫描整个光信号的频谱。

这种干涉技术允许OSA实现高分辨率的光谱测量。

其次，OSA利用光谱分解原理来测量光信号的频率和强度信息。

分束器后的光信号通过光栅或光子晶体等光学元件进行分光，将光信号按照不同频率进行分解。

每一个频率分量通过一个探测器进行检测，检测到的光功率通过电信号转化得到光信号的强度。

通过对每个频率分量进行检测和转化，可以获得整个光信号的频率和强度分布。

这种光谱分解技术能够实现高分辨率、高精度的光谱测量。

OSA的应用非常广泛。

在光通信领域，OSA可用于测量光纤传输中的光信号频率和强度，从而实现对光通信系统性能的监测和优化。

OSA在光谱分布和频率起伏的分析中也可以用于光通信系统的调制解调器测试。

此外，光电子设备的研究和开发也需要对光信号的频谱进行测量和分析，OSA可以提供高分辨率、高灵敏度的测量结果，以帮助优化光电子器件的性能。

另外，OSA也可以应用于光学传感领域。

通过对传感器产生的光信号进行测量和分析，可以得到传感器的光谱分布和频率起伏信息，从而实现对物理量的测量。

例如，OSA可用于煤矿安全监测中的瓦斯浓度和温度检测，以及环境监测中的大气成分和污染物浓度检测。

OSA在生物医学领域也具有重要的应用，如可用于检测生物标记物、分析药物等。

基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计

基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计刘伟;张存善【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2011(19)2【摘要】提出了一种基于PIC单片机和AD7705实现模拟信号的高精度采集的设计方案.选用PIC18F458为主控制芯片,AD7705为A/D转换器,通过SPI通讯接口进行连接,其中利用6N136对接口进行光电隔离来提高通讯可靠性.根据所采集信号的不同范围,在信号输入前端加入滤波电路然后通过MCP602和反馈电阻进行相应倍数的精密放大以满足AD7705的采集范围要求,并且采用MCP1525为AD7705提供基准电压以保证信号采集的精准度.此外,为了使PIC18F458能够保持高效稳定地工作,采用HT7044组成单片机复住电路.实验结果表明,该系统应用于工业现场进行模拟信号采集,无论是采集精度还是稳定性都达到了理想的效果,实现了模拟信号的高精度采集.%A design based on PIC microcontroller andAD7705 to realize precision acquisition of analog signal was designed. It used PIC 18F458 as main control chip , AD7750 for the A/D converter. Through SPI communication interface to connect. which use a 6N136 optical isolation on the interface to improve communications reliahility. According to the different range of the signal collected in the filter circuit input front end and then joined the MCP602 and feedhack through the appropriate multiple of the precision resistor to enlarge the scope to meet the requirements of collecting AD7705 and MCP1525 provides reference voltage to AD7705 ensure the signal acquisition accuracy. In addition, inorder to maintain PIC18F458 working more efficient and stable, it composed by HT7044 microcontroller reset c:ircuit. Experimental results that the system used in industrial site analog data acquisition, both the accuracy or stahility of the collection have achieved the desired results and achieved highprecision analog signal acquisition.【总页数】4页(P185-188)【作者】刘伟;张存善【作者单位】中国人民解放军93756部队,天津,300130河;北工业大学信息工程学院,天津,300130;河北工业大学信息工程学院,天津,300130【正文语种】中文【中图分类】TP335+.1;TP274+.2【相关文献】1.基于PIC18F458和AD7705的信号采集系统 [J], 高廷正;何道清;刘雷2.基于单片机的高精度信号采集系统设计 [J], 王强;许肖梅;陈东升3.基于AD7705及FPGA的光信号采集系统设计 [J], 赖义汉;傅智河4.基于AD7705及FPGA的光信号采集系统设计 [J], 赖义汉;傅智河;5.基于STM32F427单片机的高精度信号采集系统设计 [J], 廖丁毅;曾维卓因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种高精度分光光度计系统的设计与应用

析仪临床应用表明：系统具有连续光谱分布范围广、分光精度高、运行稳定和检测可靠等优点。
关键词：全息凹面光栅；复杂可编程逻辑器件；ｌｎｍ精密分光；分光光度计
中图分类号：０４３９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２０１３）Ｏ１－０１０２－０３
ｓｐｅｅｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ
０引言
ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｌｏｆ１ｎｍｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ３２０￣８００ｎｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｐｅｃｔｒｕｍ．ＣｌｉｎｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎａｌｙｚｅｒｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｓｔｈｅｃｏｒｅｓｅｎｓｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｈｏｗＳｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｃｏｎｔｉｎＨＯＵＳｓｐｅｃｔｒｕｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｃｏｐｅ，ｈｉｇｈｓｐｅｅｔｌ。ａｌｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｒ＇１ｅ

HAAS-2000高精度快速光谱分析系统操作指南

1. 设计完全符合相应国际及国家标准的要求；
2. 内壁涂层主要材料选用诗贝伦R98高反射涂层，采用特殊工艺喷涂，不易脱落，化学稳定性好,日久不易泛黄。
0.3米积分球（诗贝伦高反射率涂层）
侧边开孔：测试时，此圆形盖子可以取下，用于放置LED夹具。
8芯航空插头：连接积分球内部的LED灯座，用于定标及普通 LED的测试。
4. RS-232通讯接口：用于连接计算机 COM口。
0.3米积分球（诗贝伦高反射率涂层）
结构：
1. 此积分球直径为0.3米，由两个半球组成。
2. 积分球内的LED灯座以倾斜 45°的方式固定，用于放置普通小功率LED ；同时积分球侧边开孔，用于满足各类 power LED的测试。
主要特点：
step5
step6
step7
step8
4. HAAS-2000 光纤的安装步骤（3）
step8
5. HAAS2000 电源线的连接
电源线
6. LED300E RS232数据线连接
RS232数据线
7. LED300E 电源线的连接
电源线
8. 积分球内部灯座航空插头连接
积分球内部灯座8芯航空插头对积分球定标或使用球内插座测试时连接
4）. LED白光分类操作
➢ 点击添加
➢ 在输入对话框中填写分类名称。
➢ 点击右图中的添加，根据需要添加色品坐标（x， y）的组数，坐标值需依次按顺时针或逆时针方向输入，不能交叉输入，输入值直接在界面上修改，输入完毕后，软件根据色品坐标值形成一个封闭的区域
➢ 红色的十字叉标示的被测LED的色坐标，处在四边形框内，说明符合
1）. 进入操作菜单下的快速光谱仪【定标】，如图所示。

基于FPGA的FTIR光谱仪采集系统的设计

㊀２０２１年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：国家自然科学基金项目（６１８６５００２）；贵州省科技支撑计划项目（ＳＹ［２０１７］２８８１）；贵州大学引进人才项目（２０１６０２）；中央引导地方科技发展专项项目（［２０１７］４００４）收稿日期：２０２０－０９－２６基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计贾明俊１，陆安江１，赵㊀麒２，白忠臣１，卢学敏１，袁钱图１（１贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５；２贵州民族大学机械电子工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５）㊀㊀摘要：为了满足人们对于食品药品安全检测快速便携的需要，团队设计一种高速便携，延时低㊁精度高的新型ＦＴＩＲ光谱仪㊂光谱采集系统分为上位机和下位机２部分，系统的上位机软件设计是采用跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）是由编程实现的，下位机的光电部分采用了ＭＥＭＳ微镜使仪器小型化，而下位机采集部分控制主板使用了ＺＹＢＯ㊂使用了ＤＡＣ驱动动镜移动以及ＡＤＣ用于参考光和样本光数据的同步采集，进而利用多个串口实现了与上位机的完成指令控制以及采集数据传输㊂低波特率串口用于接收上位机控制指令㊂２个高波特率串口发送ＦＩＦＯ缓存的光谱数据㊂经试验验证采集系统的ＡＤＣ㊁ＤＡＣ及ＵＡＲＴ的时序控制满足了高速高效的需求㊂但是在便携上可进一步提高，下一步考虑通过利用Ｌｉｎｕｘ将上位机部分移植ＺＹＢＯ内㊂采集控制设计完全使用了ｖｅｒｉｌｏｇ代码进行了仿真与实测，发挥了ＦＰＧＡ的灵活特性，利用例化法提高了采集速率㊂关键词：ＦＴＩＲ；光谱仪；采集；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ中图分类号：ＴＨ７４４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０２－００４７－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＦＴＩＲＳｐｅｃｔｒｕｍＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＪＩＡＭｉｎｇ⁃ｊｕｎ１，ＬＵＡｎ⁃ｊｉａｎｇ１，ＺＨＡＯＱｉ２，ＢＡＩＺｈｏｎｇ⁃ｃｈｅｎ１，ＬＵＸｕｅ⁃ｍｉｎ１，ＹＵＡＮＱｉａｎ⁃ｔｕ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｇＤａｔａａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｅｏｐｌｅｆｏｒｆｏｏｄａｎｄｄｒｕｇｓａｆｅｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｆａｓｔａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅｗａｙ，ａｎｅｗＦＴＩＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅ，ｌｏｗｄｅｌａｙａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｔｅａｍ．Ｓｐｅｃｔｒａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｉ⁃ｖｉｄｅｄｉｎｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｆｏｒｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｒｏｓｓ⁃ｐｌａｔｆｏｒｍＣ＋＋ｇｒａｐｈｉｃａｌｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）ｔｏｍａｋｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒｔｏｆｌｏｗｅｒｕｎｉｔ，ｉｔｕｓｅｄＭＥＭＳｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓｔｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｐａｒｔｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｍｏｎｉｔｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄｔｏｏｋａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅＺＹＢＯｏｆＸｉｌｉｎｘ．ＤＡＣｄｒｏｖｅｍｏｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒｍｏｖｉｎｇａｎｄＡＤＣｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅｆｅｒｔｏｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｓａｍｐｌｅｌｉｇｈｔｄａｔａ，ｓｏｔｈａｔｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉ⁃ｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．Ｌｏｗｂａｕｄｒａｔｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｅｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．ＴｗｏｈｉｇｈｂａｕｄｒａｔｅｓｍｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅＡＤＣ．ＴｈｅｔｉｍｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆＤＡＣａｎｄＵＡＲＴｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓｐｏｒｔａｂｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｓｔｅｐ，ｉｔｓｃｏｎ⁃ｓｉｄｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｐａｒｔｉｓｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅＺＹＢＯｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＬｉｎｕｘ．Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｍａｄｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｖｅｒｉｌｏｇｃｏｄｅｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｅｘｅｒｔｓｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＦＰＧＡ，ａｎｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＴＩＲ；ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ０㊀引言因为不同物质对于红外光谱的吸收与反射情况不同，近红外光谱分析便成了分析物质的重要方法㊂ＦＴＩＲ光谱仪就是其中重要使用工具之一［１－３］，此类光谱仪广泛用于化工㊁军事㊁农牧业㊁林业㊁环保㊁制药工艺等领域㊂由于传统的光谱仪体积庞大㊁延时高㊁便携性差等缺点［４－８］，无法满足实时在线测试的需求㊂本文研究了一种实时在线的ＦＴＩＲ光谱仪［９－１０］，国内很多光谱仪都是ＣＣＤ光谱采集系统，本文利用ＦＰＧＡ高速㊁高效㊁灵活性强的优势设计了一种硬件描述语言的采集系统［１１－１５］㊂通过使用ＡＤ７９０３将采集的光ＰＤ信号转换为数字量，利用ＤＡＣ８５６８将存入ＲＯＭ的㊀㊀㊀㊀㊀４８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀预制电压数字量转换为模拟量从而驱动ＭＥＭＳ微镜，最终实现的快速ＦＴＩＲ光谱仪最高分辨率达到了０．０６ｃｍ－１，具有１６位的采样精度与１ＭＳＰＳ的转换速度㊂经验证，基本满足了现场在线测试需求㊂１㊀原理分析如图１所示，本次设计的干涉仪基于迈克尔逊干涉仪原理，采用分波阵面法产生干涉信号，图中虚线表示动镜移动时的位置，整个系统由动镜㊁定镜㊁窄带光源㊁分束器以及探测器构成㊂动镜与定镜相互垂直且到分束器初始距离相同，且分束器与动镜和定镜分别构成４５ʎ夹角㊂整个工作过程由光源发出入射光，入射光经过分束器，一半的入射光反射到定镜上再经过定镜全反射回分束器经透射到达光电探测器，于此同时，另一半的入射光经过透射到达ＭＥＭＳ动镜，由于动镜的移动而产生光程差，这样就会导致经过动镜全反射的光再经过分束器反射后汇聚在探测器时产生干涉，探测器将干涉信号采集下来㊂动镜的移动距离决定着干涉仪的性能㊂理想情况下，动镜的移动距离是匀速变化的，但是ＭＥＭＳ电热式微镜在不同电压情况下其弯曲度不是理想的线性，因此会导致附加谱线㊂因此本次设计的光谱仪通过增加同步采集参考光，经过ＣＰＵ利用Ｂａｕｌｔ方法最终提高采样精度㊂图１㊀干涉仪框图２㊀模块设计如图２所示，整个系统由２部分组成，分别是上位机跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）通过编程形成，主要功能是对下位机输送操作指令㊁对于发回的光谱数字数据进行分析并绘制光谱图㊂下位机部分有３个细分模块，第一部分是光电生成部分，系统有２路光源，分别是参考光源和样本光源，它们通过迈克尔逊干涉原理的干涉仪产生等光程差的相干干涉；由此产生的不同光强同步转换为数字量㊂第二部分由硬件底层采集电路组成，主要完成Ｉ／Ｖ转换㊁放大㊁滤波得到稳定的数据信号㊂第三部分是ＦＰＧＡ控制处理部分，用于实现对ＡＤＣ㊁ＤＡＣ㊁ＲＳ２３２的时序控制，设计出符合器件技术手册要求的ｖｅｒｉｌｏｇ时序代码，最后要将每个模块整合在一个ｔｏｐ文件下，所有时序都按要求的方式运行㊂最终通过引脚绑定至ＥＭＩＯ引出㊂最后整个系统密切配合完成光谱绘制㊂图２㊀光谱仪系统３㊀模块设计３．１㊀ＤＡＣ光谱仪分辨率可以表示一个仪器的分辨能力，对于波长为ａ１和ａ２的２个单色光，定义Δａ＝ａ１－ａ２为分辨率㊂在最大光程差ｌ处，ａ１，ａ２分别有ｎ和ｎ＋１个余弦波，定义动镜最远位移为ｌ，则有：２ｌ＝ｎ／ａ１＝（ｎ＋１）／ａ２（１）Δａ＝ａ１－ａ２（２）Δａ＝１２ｌ（３）不难得出，动镜的移动距离决定着光谱仪的分辨率，设置多分辨率的光谱仪，就需要不同最大光程差移动距离，本系统的光程差有０．０３３㊁０．０１５㊁０．０２４ｃｍ，所以驱动ＭＥＭＳ微镜就需要给出不同的电压㊂分别对应８㊁４㊁６Ｖ，这是由ＭＥＭＳ微镜移动与电压关系决定的，而且由于驱动速度不同直接影响着光谱仪动镜加速度，所以驱动频率应在建议频率之下㊂为此设置了１－２－５Ｈｚ的频率以验证最好效果㊂为了满足多通道㊁高精度㊁低延时的要求㊂选用了ＤＡＣ８５６８器件，ＤＡＣ８５６８具有８个通道㊁１６位精度㊂满足了本采集系统驱动设计需求㊂设计ＭＥＭＳ四通道等距移动即可㊂ＤＡＣ控制时序相对复杂㊂对于参考电压外接口，如果不使用就需要接电容后再接地滤波㊂ＤＡＣ８５６８的使用需要一些指令的输入，首先是将器件复位，设计选用所有通道复位到０㊂接着把ｌＤＡＣ加载引脚设置为无效㊂因为使用同步加载模式不需要加载控制㊂接下来就是ｐｏｗｅｒｏｎ步骤了，这里有２点须注意，一个就是选择ＦｌｅｘｉｂｌｅＭｏｄｅ，因为ＳｔａｔｉｃＭｏｄｅ会不断关闭内㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计４９㊀㊀部参考，还有一个就是使用稳定的内部参考，故此选择０９０Ａ操作语句㊂在这种语句控制下，器件一直使用内部参考电压并且无需反复重启㊂最后一个语句是所有寄存器写０，输入所有指令后ＤＡＣ８５６８与普通ＤＡＣ工作方式相同，控制命令如图３定位流程㊂再通过技术手册得知主要问题在于同步脚ＳＹＮＣ何时拉高拉低和３２个ｓｃｌｋ给入㊂Ｃｌｒ直接拉高即可㊂图３㊀指令图３．２㊀ＡＤＣＡＤＣ采集数据的频率需要根据所采信号的最大频率设定，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应该为被采频率的２倍以上，而我们一般习惯使用过采样㊂所以需要计算被采信号的最高频率ｆｍａｘ㊂根据本次设计的光谱探测范围为９００２６００ｎｍ，则相应的波数υ为：１／２６００１／９００ｎｍ－１㊂根据最大移动距离Ｌ值为０．０３３ｃｍ，完成一次扫描的时间（Ｔ）在最快驱动频率５Ｈｚ情况下为０．２ｓ㊂设速度为ｖ，根据式（４）：ｆｍａｘ＝２υｖ＝２υＬＴ（４）得到最大信号频率为３．６ｋＨｚ，据此综合考虑选择了ＤＡＣ８５６８型号的ＡＤＣ器件㊂该器件具有１６位的高精度双通道模拟输入㊁吞吐速率为１ＭＳＰＳ㊁支持轨到轨的转换㊂查看技术手册，选用了符合要求的四线同步采样模式（ＣＳ模式），根据设计要求，主机通过一个片选ＣＯＮＶＥＲＴ和同一个时钟ＳＣＬＫ同时控制２个从机工作实现同步采集㊂通常所有的ＡＤＣ时序设计都是围绕技术手册进行的，第一步看ｓｃｌｋ，查看得知ｓｃｌｋ最小周期为１１．５１６ｎｓ，但是一般选用典型时钟速率，故而选用５０ＭＨｚ时钟作为串行时钟㊂接着看ＣＮＶ，设计主要关注何时拉低拉高，同时要明确这是一个先转换后采集的过程，另外要关注保持建立时间㊂最后，ＡＤ７９０３也和大部分器件一样，下降沿数据逐渐输入，所以上升沿串行取出㊂最终利用ｖｉｖａｄｏ编写的主体代码如图４所示㊂３．３㊀ＵＡＲＴ及数据缓存设计选用了ＣＰ２１０１串口并设置４６０８００的最大图４㊀代码图波特率传输机制㊂数据采集和数据控制字宽度不一样，所以对于ＵＡＲＴ做了不同的处理，对于下位机接收ＵＡＲＴ采用普通的ＵＡＲＴ机制，１０ｂｉｔ数据，包括１个起始㊁１个结束和８ｂｉｔ数据㊂ＵＡＲＴ＿ｒｘ时刻保持等待状态，等着上位机指令㊂只要上位机有指令发出，则立刻分析㊂对于采集的数据，下位机ＵＡＲＴ＿ｔｘ采用了１６位发送方式并且例化了２个发送ｔｘ，这样做有助于提高传输速率，ＡＤＣ的数据是１６位的，所以设计１６位发送更有利于理解㊂这样做也发挥了ＦＰＧＡ灵活多变的特点㊂在数据缓冲时，利用了比较常用的ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ深度很大，达到１００００ｂｉｔ，之所以这样做是因为串口相对于采集的吞吐率过大，所以１ｓ内数据也需要大的缓存空间，在ＦＩＦＯ设计中最重要的是关注读写使能的设置，ＦＩＦＯ的写使能选用Ａ／Ｄ采集的ｄａｔａｒｅａｄｙ，保障了写入数据的可靠，读使能选用ｔｘ＿ｂｕｓｙ，保证了发送的有序㊂ＦＩＦＯ的空ｅｍｐｔｙ也作为ｔｘ的数据有效标识，保证了ｔｘ不传输空数据和无效数据㊂４㊀系统仿真对于整个系统的设计，遵循着自顶向下的设计方式，即首先给出设计方案整体架构，然后依据需求将系统各部分模块化，每个接口放在顶层，每个模块单独设计好，设计出满足需要的模块小单元㊂正是基于这样的原因，必须在仿真时先对模块测试是否符合需求，然后再对整体仿真，对每个用例都要测试㊂保证系统的可靠性㊂㊀㊀㊀㊀㊀５０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀４．１㊀ＡＤＣ仿真对于ＡＤＣ测试代码，需要给出的激励有时钟ａｄ＿ｓｃｌｋ和输入的数字数据ａｄ＿ｓｄｏ１（２）以及启动信号ａｄ＿ｓｔａｒｔ㊂经过查看仿真图５可以看出，在时钟与信号有效时，Ａ／Ｄ数据转换并没有立即开始，直到ａｄ＿ｓｔａｒｔ启动后，数据采集才开始，片选ａｄ＿ｃｎｖ拉高㊁采集过程循环进行，ａｄ＿ｄａｔａ也输出了寄存的数值，得出结论满足时序要求㊂图５㊀ＡＤＣ仿真时序４．２㊀ＤＡＣ仿真ＤＡＣ时序首先必须有时钟ｃｌｋ㊁复位ｒｓｔ以及启动ｄａ＿ｓｔａｒｔ指令㊂查看仿真图６可以看到，在ｒｓｔ无效㊁ｃｌｋ有效时，ＤＡＣ并没有立即输出信码Ｄｉｎ，这是因为ｄａ＿ｓｔａｒｔ没有启动，时序仿真在启动ｓｔａｒｔ有效后立即进入工作状态㊂在启动信号有效时，持续进行信码输出㊂图６㊀ＤＡＣ仿真时序４．３㊀系统仿真对于ＵＡＲＴ串口没有单独测试㊂把它作为系统代码测试的一部分进行了综合仿真㊂在系统仿真图７中，仿真了上位机发送代码ｓｅｎｄｄａｔａ为８ｈ１０指令，即ＡＤＣ㊁ＤＡＣ同时工作，可以从图７看到ｒｘｄ拉低发生了接收，最后可以看到寄存器ｒｘ＿ｄａｔａ成功接收了８ｈ１０㊂可见指令正确接收㊂紧接着系统在得到ｒｘ＿ｄａｔａ的信息码后，ＡＤＣ和ＤＡＣ的ｓｔａｒｔ都拉高启动㊂ＡＤＣ和ＤＡＣ随后都进入工作模式㊂在数据有效后采集数据通过２个ＵＡＲＴ发送到发送线ｔｘｄ１和ｔｘｄ２㊂最终得出时序仿真符合要求㊂５㊀实际测试本次设计主要测试有ＤＡＣ驱动测试㊁ＡＤＣ采集测试㊂主要用到仪器有ＧＤＳ－２２０４Ａ（２００ＭＨｚ）㊁小型ＭＥＭＳ干涉仪㊁１３１０ｎｍ的近红外作为参考光源㊁ＣＰＵ主机㊂整体布局图如图８所示，示波器主要为了观察ＡＤＣ采集输入信号与ＤＡＣ的输出信号，首先测试图７㊀采集系统仿真时序ＦＰＧＡ输出电压数据与频率是否符合要求，图９是１Ｈｚ与６．６Ｖ的测试结果，可以看出三角波十分标准㊂验证了驱动没有问题，下一步就可以进行采集设置了，首先利用信号发生器产生一个三角波，然后利用ＭＡＴＬＡＢ将串口发回数据绘制出来，结果如图１０所示，虽然有少许毛刺，但是经计算是输入的２０ｋＨｚ三角波，最后在ＡＤＣ和ＤＡＣ都符合要求时，进行系统连接，最终采集的光谱信号如图１１所示，可以看出水和空气的光谱具有明显的特征差别㊂最终得出，光谱仪采集部分结果基本符合设计要求，后期进一步的光谱数据处理交由ＣＰＵ部分处理㊂图８㊀布局图图９㊀驱动电压图１０㊀采集三角波㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计５１㊀㊀图１１㊀水和空气采集的相对强度图６㊀结论与不足设计的基于ＦＰＧＡ的光谱采集系统，经仿真论证设计满足要求，并且改变了多数利用ＡＲＭ设计驱动底层器件的现状，为广大科研人员提供了一个更为可靠的路线㊂与此同时，采用ＦＰＧＡ设计整个下位机系统，不仅缩短了开发周期，而且节约了成本㊂利用ＦＰＧＡ开发的系统不仅更加高速高效灵活，而且便携升级换代也可以发挥技术沉淀的优势㊂但是整套系统还可以进一步提高，集成度也可进一步优化㊂在下一步设计中，从ＡＲＭ与ＦＰＧＡ结合的角度出发，开发更加小型化的设备㊂参考文献：［１］㊀王国龙，高少华，朱胜杰，等．基于开路式傅里叶变换红外光谱仪现场实测法的污水处理单元ＶＯＣｓ排放核算研究［Ｊ］．环境科学学报，２０２０，４０（３）：８６５－８７０．［２］㊀李忠兵，许贤泽，乐意，等．ＦＴＩＲ光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１２（８）：２８１－２８４．［３］㊀李妍，李胜，高闽光，等．ＦＴＩＲ光谱仪中傅里叶插值采样方法的研究［Ｊ］．红外与激光工程，２０１８，２７９（１）：２７６－２８１．［４］㊀ＧＥＩＳＳＥＬＨ，ＷＩＮＦＩＥＬＤＪＳ，ＢＥＲＧＧＰＡ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ⁃ｍａｔｃｈｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｎｔｈｅｌｏｗ⁃ｅｎｅｒｇｙｂｒａｎｃｈｏｆｔｈｅＳｕｐｅｒ⁃ＦＲＳｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｌａｒｇｅ⁃ｅｍｉｔｔａｎｃｅｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃｆｒａｇｍｅｎｔｂｅａｍｓ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ＆ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ．Ｂ，ＢｅａｍＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈＭａｔｅ⁃ｒｉａｌｓａｎｄＡｔｏｍｓ，Ｂ，２０１３，３１７：１０．１０１６／ｊ．ｉｍｂ．２０１３．０７．０６４．［５］㊀ＹＵＸＩＮＭ，ＹＡＮＧＰ，ＸＵＡＮＬ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｄｒｏｐｌｅｔｐｉｐｅｔｔｉｎｇｅｎａｂｌｅｄｂｙａｐｌｕｇ⁃ａｎｄ⁃ｐｌａｙｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｐｉ⁃ｐｅｔｔｉｎｇｃｈｉｐ［Ｊ］．ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，２０１８，１０：１０３９［６］㊀ＭＩＬＨＯＮＥＪ，ＦＬＡＮＡＧＡＮＫ，ＮＯＲＮＢＥＲＧＭＤ，ｅｔａｌ．Ａｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｌｏｗ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｓ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉ⁃ｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２０１９，９０（６）：０６３５０２．［７］㊀ＢＡＢＵＮＴＳＲＡ，ＢＡＤＡＬＹＡＮＡＧ，ＧＵＲＩＮＡＳ，ｅｔａｌ．Ｃａｐａ⁃ｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｈｉｇｈ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＥＰＲ／ＥＳＥ／ＯＤＭＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｂｒｉｄｇｅｓａｎｄａｃｒｙｏ⁃ｇｅｎ⁃ｆｒｅｅｍａｇｎｅｔｏ⁃ｏｐｔｉｃａｌｃｒｙｏｓｔａｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓ⁃ｏｎａｎｃｅ，２０２０，５１：１０．１００７／ｓ００７２３－０２０－０１２３５－９．［８］㊀ＧＺＡＵＫＵＵＪＬＺ，ＡＯＵＡＤＩＢ，ＭÁＴＹÁＳＬＵＫÁＣＳ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃ⁃ｔｉｎｇｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ⁃ｂａｓｅｄａｄｕｌｔｅｒａｎｔｓｉｎｗｈｅｙｐｒｏｔｅｉｎｐｏｗｄｅｒｕｓｉｎｇｂｅｎｃｈｔｏｐａｎｄｈａｎｄｈｅｌｄＮＩＲｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｐｌａｓｔｉｃＢａｇ［Ｊ］．Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２０２０，２５（１１）：１０．３３９０／ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ２５１１２５２２．［９］㊀ＫＲＩＳＴＥＮＳＥＮＧＨ，ＫＬＡＵＳＥＮＭＭ，ＨＡＮＳＥＮＶＡ，ｅｔａｌ．Ｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｒｉｈａｌｏｍｅｔｈａｎｅｃｏｎ⁃ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎａｗａｒｍｐｕｂｌｉｃｓｗｉｍｍｉｎｇｐｏｏｌｕｓｉｎｇａｎｕｎｓｕ⁃ｐｅｒｖｉｓｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｉｎｌｅｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｆｆ⁃ｓｉｔｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ［Ｊ］．ＲａｐｉｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２０１０，２４（１）：３０－３４．［１０］㊀ＺＨＥＮＧＢＷ，ＺＨＡＮＧＷ，ＷＵＴＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｏｕｂｌｅ⁃ｒｉｎｇｆｕｓｉｏｎｎｅｕｔｒｏｎｔｉｍｅ⁃ｏｆ⁃ｆｌｉｇｈｔｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍａｔＨＬ－２Ｍ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ⁃ｎｉｑｕｅｓ，２０１９，３０（１２）：１７５．［１１］㊀ＴÜＲＫ，ＭＵＳＴＡＦＡ，ＴＵＮＣＥＲ，ｅｔａｌ．Ｓａｈａｄａｐｒｏｇｒａｍｌａｎａｂｉｌｉｒｋａｐｄｉｚｉｌｅｒｉｋｕｌｌａｎｌａｒａｋｋｉｋａｎａｌｌｄａｒｂｅｇｅｎｉｌｉｋｍｏｄüｌａｓｙｏｎｌｕｓｉｎｙａｌｌｅｒｉｎｒｅｔｉｍｉ：ｂｉｒＨ－Ｋｐｒüｄｎüｔüｒüｃü．（Ｔｕｒｋｉｓｈ）．［Ｊ］．ＦｉｒａｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，２１（２）：１３３－１４０．［１２］㊀ＺＥＮＧＨ，ＣＨＥＮＲ，ＺＨＡＮＧＣ，ｅｔａｌ．［ＡＣＭＰｒｅｓｓｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ⁃Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，ＣＡＬＩ⁃ＦＯＲＮＩＡ，ＵＳＡ（２０１８．０２．２５－２０１８．０２．２７）］Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＦｉｅｌｄ⁃ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙｓ⁃ＦＰＧＡ＼ᵡ１８－ＡＦｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｉｎｇＨｉｇｈＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＣＮＮＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｎＦＰ⁃ＧＡｓ［Ｃ］／／Ａｃｍ／ｓｉｇｄａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＡＣＭ，２０１８：１１７－１２６．［１３］㊀ＤＵＤ，ＸＵＸ，ＹＡＭＡＺＡＫＩＫ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈａｒｄｗａｒｅＰｌｃｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｄｄｅｒｄｉａｇｒａｍｔｏｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｌａｎｇｕａｇｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１０，４９（５－８）：６１５－６２６．［１４］㊀ＬＡＮＤＭＡＮＮＣ，ＫＡＬＬＲ．Ｇｒａｐｈｉｃａｌｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｓａｈｉｇｈ⁃ｌｅｖｅｌｄｅｓｉｇｎｅｎｔｒｙｍｅｔｈｏｄｆｏｒＦＰＧＡ⁃ｂａｓｅｄｄａｔａａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６１３：２９６－３０６．［１５］㊀ＣＨＯＩＤＧ，ＫＩＭＭＨ，ＪＥＯＮＧＪＨ，ｅｔａｌ．ＡｎＦＰＧＡｌｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅ２７－Ｍｂｐｓ８－ｓｔａｔｅＴｕｒｂｏｄｅ⁃ｃｏｄｅｒ［Ｊ］．ＥｔｒｉＪｏｕｒｎａｌ，２００７，２９（３）：３６３－３７０．作者简介：贾明俊（１９９５），硕士研究生，主要研究ＦＰＧＡ应用及嵌入式开发㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５２８１９４６２１＠ｑｑ．ｃｏｍ陆安江（１９７８），副教授，博士，现主要从事光电子技术应用方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３９１４６５６５＠ｑｑ．ｃｏｍ。

高精度线阵CCD驱动与信号采集方法设计

高精度线阵CCD驱动与信号采集方法设计肖静文;程维明;刘伟;奚日辉【摘要】利用C8051F单片机的高速特点和可编程计数器阵列(PCA)模块,结合适当外围电路完成电荷耦合装置(CCD)的驱动.同时,采用其自带的高速AD转换功能完成CCD的信号采集.实验测试结果表明:该方法稳定可行,且外围电路简单,驱动频率可调,有实际的使用价值.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2014(028)004【总页数】5页(P342-346)【关键词】电荷耦合装置;单片机;信号采集【作者】肖静文;程维明;刘伟;奚日辉【作者单位】上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海工程技术大学机械工程学院,上海201620;上海博亚检测设备有限公司,上海200444【正文语种】中文【中图分类】TH39线阵电荷耦合装置(CCD)图像传感器是一种能将光学图像信号转换成一维时序信号的器件，因其高精度、高灵敏度、快速响应的特点，被广泛应用于图像扫描、产品尺寸非接触测量等方面[1－2].CCD时序的设计直接关系到CCD能否正常稳定地工作，而CCD输出信号的采集也影响着系统的测量精度.由于CCD的驱动与信号采集对控制芯片的要求较高，普通单片机的运算处理速度一般达不到要求，所以常采用现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等复杂的微控制器，或两种以上控制器相结合的方法[4－5]，这样势必会增加系统的复杂程度和开发成本.本文基于C8051F单片机的高精度线阵CCD的驱动与信号采集方法设计，利用C8051F单片机的高速特点和可编程计数器阵列(PCA)模块，结合适当外围电路完成CCD的驱动.同时，采用其自带的AD转换功能和DMA(Direct Memory Access)控制器完成CCD的信号采集.本方法对整个测量系统来说，使得硬件电路相对简单，节约了开发成本.1 整体设计思想本文采用日本东芝公司生产的型号为TCD1711DG的光电传感器，其具有7 450像素，像素尺寸为4.7 μm ×4.7 μm，中心距为4.7 μm，是一种高精度长线阵CCD图像传感器，其驱动脉冲电压值为5 V，饱和输出信号电压典型值为3 V.微控制器选用美国Silicon Labs公司生产的C8051F系列单片机中的C8051F060，该单片机是一种完全集成的混合系统级芯片，具有与MCS-51兼容的微控制器内核，在使用 25 MHz时钟时，可达到25MIPS(每秒百万条指令)的峰值速度，并具有一个片内可编程计数器/定时器阵列(PCA)，包含两个可编程转换速率最大为1 Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器ADC，带DMA控制器，工作电压为2.7～3.6 V，整体设计框图如图1所示.利用C8051F060单片机的PCA模块产生一路高频方波脉冲，由驱动脉冲发生电路将方波信号处理成满足要求的相应CCD驱动时序，CCD的输出信号先通过信号预处理电路进行跟随、放大后，送入C8051F060单片机自带的AD转换模块，完成数据采集与模数转换，利用DMA控制器将采集的数据存储到外部存储器中.图1 整体设计框图Fig.1 Overall design diagram2 驱动方法设计不同型号的CCD有其特定的驱动时序，各路驱动脉冲必须严格配合驱动时序，才能使CCD正常稳定地工作.图1为TCD1711DG驱动时序图[6].图2 TCD1711DG驱动时序图Fig.2 TCD1711DG drive timing chart由图2可见，该线阵CCD需5路驱动脉冲，包括转移脉冲SH、两路时钟脉冲φ1和φ2、复位脉冲RS和钳位脉冲CP.其视频输出信号采用双路输出形式，分奇偶两列并行转移，由OS1、OS2并行输出.TCD1711DG的4路驱动脉冲φ1、φ2、RS和 CP的频率一样，只是占空比不同，脉冲φ1和φ2的占空比为1∶2，RS和CP脉冲的占空比为1∶4.该线阵CCD的典型频率为1 MHz，最大频率为30 MHz，对最小频率没作要求.驱动时序的稳定产生还应结合软件程序的设计才能够完成.TCD1711DG驱动电路设计如图3所示.图3 TCD1711DG驱动电路图Fig.3 TCD1711DG drive circuit diagram利用C8051F060单片机的PCA模块产生1 MHz方波脉冲[7]，由 CEX0引脚输出，考虑到 AD转换速度最大为1 Msps，为了保证转换的正确完成，利用二分频电路产生0.5 MHz脉冲作为φ1驱动脉冲，通过反相器将φ1驱动信号反相作为φ2驱动脉冲.利用单稳态触发器使RS信号在φ1信号第一个脉冲的下降沿触发，CP信号在RS信号的第一个脉冲的下降沿触发.为了确定SH信号积分时间，定时器3在自动重装载方式下对φ1脉冲进行计数.根据TCD1711DG驱动时序图，所设定的计数次数应大于或等于3 797次，并且当φ1、φ2在转移完成设定的脉冲个数后，要维持一段时间的高电平脉冲.因此，当溢出进入中断程序后，首先置P1.2引脚为低电平，通过与非门使得输出为高电平，根据时序要求，延时0.5 μs 后，P1.0 与 P1.1引脚将 RS触发器置“1”;延时1.5 μs后，将 RS 触发器置“0”;再延时0.5 μs后，将 P1.2 引脚置为高电平，从而恢复1 MHz脉冲信号的3 信号采集方法设计TCD1711DG传感器的视频输出信号分奇偶两列并行转移，由OS1、OS2并行输出两列离散的模拟信号，其中混有各种噪声，尤其是复位噪声.因此，在视频信号送入单片机AD转换前，应先经过信号预处理电路处理，信号采集电路如图4所示.OS1、OS2两路输出信号先分别通过射极跟随电路，降低输出电阻，提高输出电压的精度和稳定性，然后，送入运算放大器AD8031，对CCD输出信号进行放大的同时，将输出信号极性反相，因为CCD的输出信号是负极性的[8].在AD8031的输出端接入RC低通滤波器，对复位信号进行滤波后送入C8051F060单片机自带的两个16位ADC模块，进行模数转换.由于线阵CCD光敏元信号的输出与模数转换必须在时间上同步，否则，无法识别模数转换后的数据对应哪个像元.因此，AD转换触发源分别采用外部ADC转换启动信号CNVSTR0和CNVSTR1的上升沿，如图3所示.将CP信号接入CNVSTR0和CNVSTR1引脚，ADC0和ADC1应在单端方式下，配置为同步采样，同时对OS1和OS2输出的奇偶信号进行转换.另外，由于AD采集的数据量较大，需采用自带的DMA控制器将数据存储到外部存储器中，等待对采集到的信号进行后续处理，如滤波、边缘检测等.图4 信号采集电路图Fig.4 Signal aquisition circuit diagram4 实验结果该驱动方法已经通过实验测试，驱动波形稳定，驱动效果良好.其中，5路驱动脉冲可通过示波器显示，如图5(a)、5(b)、5(c)所示.依据此方法设计，CCD的实际视频输出信号如图5(d)所示的OS1和OS2两路脉冲信号，在光照条件下反应灵敏，视频电压信号幅值变化明显，说明CCD电路工作完全正常.图5 脉冲信号Fig.5 Pulse signal本文对高精度长线阵CCD的驱动和信号采集方法设计，采用高性能单片机C8051F060为主控制器，结合RS触发器等完成CCD的驱动，在满足CCD要求的情况下，避免了使用复杂控制器，并利用其自带的AD模块完成数据采集与转换，简化了电路.通过实验测试，验证了本方法的可行性和稳定性，为后续图像处理奠定了基础.该线阵CCD驱动和信号采集方法，外围电路简单，开发成本较低，驱动频率精准且可调，有实际使用价值.参考文献:[1]张殿富，赵源.基于FPGA的线阵CCD驱动时序及模拟信号处理的设计[J].电子设计工程，2009，17(1):41－43.[2]王慧华，.一种基于新型单片机的CCD驱动电路设计[J].邢台职业技术学院学报，2009，26(1):79 －82.[3]应朝龙，周亮，王诚成，等.CCD线阵驱动模块设计与实现[J].电子测量技术，2009，32(10):47 －48，84.[4]章琦，陈惠明，毛玉兵，等.线阵CCD驱动时序及信号采集系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010(2):75－77.[5]黄文林，扬光永，胡国清.基于CPLD和Verilog的高精度线阵CCD驱动电路设计[J].科学技术与工程，2012，12(30):8052 －8056.[6]TOSHIBA.TCD1711DG[EB/OL].(2014－01 －30)[2014 －07 －20]..[7]屈少华，陈阳，程永进.基于单片机的线阵CCD驱动及采集系统的设计[J].电子技术，2012，39(4):42－44.[8]林海棠.糖液浓度在线测量系统的研究与开发[D].杭州:浙江工业大学，2012.。

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量引言大气中的甲烷是一种重要的温室气体，对全球气候变化有着重要的影响。

准确测量大气中甲烷的浓度对于了解气候变化、评估温室气体排放以及制定应对气候变化的政策具有重要意义。

目前，许多的甲烷浓度测量方法中基于腔衰荡光谱技术的测量方法因其高灵敏度、高分辨率和快速响应等优点而备受关注。

本文将介绍基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量方法，并探讨其在环境监测中的应用前景。

一、腔衰荡光谱技术概述腔衰荡光谱技术是一种基于光学波谱的高精度、高灵敏度的气体浓度测量技术。

其基本原理是通过将气体与光腔相互作用，利用光腔中的衰荡特性来测量气体浓度。

典型的腔衰荡光谱系统包括激光源、光学腔、探测器等组件。

激光源产生具有一定波长和频率的激光，经过光腔后，被吸收或散射的气体分子会引起光腔中的光强发生变化，通过检测这种变化可以反推出气体浓度。

1. 光学腔设计光学腔的设计是基于腔衰荡光谱技术的关键。

通常采用高反射率镜和半透明镜构成的腔体，以最大限度地增强光与气体分子的相互作用。

腔体的长度和几何形状对光学腔的性能有着重要影响，需要根据具体的实验条件进行合理设计和优化。

2. 激光源选择由于甲烷分子的吸收特性，一般选择在1.6um至1.7um波长范围内的近红外激光作为光源。

这种波长范围的激光具有较高的能量，可以穿透大气中的其他气体而被甲烷吸收，从而实现对甲烷浓度的测量。

3. 数据处理与分析光谱信号的采集和处理是测量过程中的关键环节。

一般采用光电二极管、光谱仪等光学探测器进行光谱信号的采集。

采集到的光谱信号需要进行滤波、放大和数字化处理，然后通过比对标准谱线来得出大气中甲烷的浓度。

基于腔衰荡光谱技术的大气甲烷浓度测量方法具有高精度、高灵敏度和高分辨率等优点，适用于对大气中微量气体成分的测量。

目前该技术已经在环境监测、气候变化研究、工业生产等领域得到了广泛应用。

随着该技术的不断改进和发展，其应用前景也将更加广阔。

基于线阵CCD的光谱信号高速数据采集系统设计

ＳｙｔｍｓｄｏｎｅｒＣＣＤｓｅＢａｅｎＬｉａ
ＷＡＮＧＷｅ — ｎＴｕ，ＡＮＧＬｉＧｉａ，ＡＮＴＷｌｅ，ＡＯａ－ｎＸｉｏｍｉｇ
（ａｏａｏｙｏｎｉｎｎａｐｃｒｓｏｙＡｈｉｎｔｕｅｏｔｓａｄＦｎｃａｉ，Ｌｂｒｔｒｆｖｏｍｅｔｌｅｔｏｃｐ，ｎｕｓｔｔｆｉｎｉｅＭｅｈｎｃＥｒＳＩｉＯｐｃｓＣｉｅｅＡｃｄｍｙｏｃｎｅ，ｆｉ３０１Ｃｈｎ）ｈｎｓａｅｆｉｃｓＨｅｅ２０３，ｉａＳｅ
度、高密度和高性能的可编程逻辑器件。ＦＧＰＡ最大的优点是
使用非常灵活，在不改变外围电路的情况下，设计不同的片内逻辑就能实现不同的电路功能，而缩短了系统的开发周期，从
令，ＳＵＢ设备按照该命令完成对ＦＧＰＡ数据采集参数的初始化
ＬＢ光谱、ＩＳ荧光光谱等技术相结合，在化工、农业等领域得到了
广泛的应用，为成分快速分析和生产过程的实时监控提供了很
好的测量手段。光电管、电倍增管、光电管、释电器件和光硅热
ＣＤ等元件都可以作为光谱仪的光探测元件，电管、电Ｃ光光
ｔｍｎｅｕｅｔｅｃｓ，ｐｃｒｌｓｇａｉｈｓｅｄｄｔｃｕｓｔｎｓｓｅｏｎａＤｂｓｄｏＰＡｎＢ２０ｗｓｄ－ｅａｄｒｄｃｈｏｔａｓｅｔａｉｎｌｈｇ－ｐｅａａａｑｉｉｏｙｔｍｆｉｅｒＣＣａｅｎＦＧａｄＵＳ．ａｅｉｌ

aq6370d光谱仪工作原理

aq6370d光谱仪工作原理AQ6370D光谱仪是一款高性能的光谱分析仪器，广泛应用于光谱学研究和物质分析等领域。

它采用了多种先进的技术和设计，实现了高精度的光谱测量和分析。

本文将从以下几个方面阐述AQ6370D光谱仪的工作原理：1.光谱分离技术AQ6370D光谱仪采用了光谱分离技术，将输入的光信号分离成不同的波长成分。

该技术基于干涉原理，通过多束光线干涉形成的明暗相间的条纹来实现光谱分离。

干涉仪与分光系统是实现这一过程的核心部件。

2.干涉仪与分光系统干涉仪是AQ6370D光谱仪的核心部件之一，它由分束器、反射镜和聚焦镜等组成。

输入光信号经过分束器后被分成两束相干光，分别经过两个反射镜反射回来，再次经过分束器后形成干涉条纹。

这些干涉条纹经过聚焦镜聚焦后，形成光谱图像，从而实现了光谱分离。

3.光学探测器AQ6370D光谱仪采用了高灵敏度的光学探测器，能够对不同波长的光信号进行测量和分析。

这些探测器能够将光信号转化为电信号，便于后续的数据处理和解析。

4.数据处理与解析AQ6370D光谱仪在数据处理和解析方面采用了先进的算法和技术，能够对探测器输出的电信号进行精确的解析和处理。

这些算法能够识别和提取不同波长的光信号，并计算其强度和分布情况，从而得到精确的光谱数据。

5.环境参数测量与控制AQ6370D光谱仪能够对实验环境参数进行实时监测和控制，以确保实验结果的准确性和可靠性。

这些参数包括温度、湿度、压力等，通过内部传感器进行测量和控制，保障了实验过程的稳定性和安全性。

6.安全与保护AQ6370D光谱仪具备完善的安全保护功能，能够保证实验过程的安全性和可靠性。

它采用了多种保护措施，如过流保护、过压保护、过温保护等，能够在异常情况下及时切断电源或启动保护功能，避免设备损坏和人员伤亡。

7.系统集成与校准AQ6370D光谱仪采用了高度集成化的设计，各个部件之间的连接和配合都经过严格的校准和调试，确保了测量结果的准确性和一致性。

激光光谱仪的原理及其在材料分析中的应用

激光光谱仪的原理及其在材料分析中的应用激光光谱仪是一种利用激光作为光源进行光谱分析的仪器。

它可以对材料的成分、结构和性质进行非常精确的分析，对于实现材料的快速检测和精确表征具有重要意义。

本文将详细介绍激光光谱仪的原理和在材料分析中的应用。

激光光谱仪的原理可以从两个方面来解释，即激光产生原理和光谱分析原理。

在激光产生方面，激光器会通过一个激发源产生一束具有高度聚束性、单色性和相干性的激光光束。

激发源可以是气体激光器、半导体激光器、固体激光器等，其中最常见的是气体激光器和半导体激光器。

在光谱分析方面，激光光束会通过样品并与样品中的原子、分子等相互作用，产生能谱信号。

这些信号会通过光谱仪的接收系统进行采集和分析。

激光光谱仪在材料分析中的应用非常广泛。

首先，激光光谱仪在无损材料分析中起着重要的作用。

通过对材料的光谱信号进行分析，可以确定材料的成分、结构和性质，而且无需对样品进行破坏性的测试。

这种无损性的测试方法对于宝贵的、难以再生的样品特别有用。

例如，在考古和文物修复领域，激光光谱仪常常用来对文物进行分析，以确定其材料和制作工艺，为文物保护和修复提供科学依据。

其次，激光光谱仪在材料表征和质量控制中也起到至关重要的作用。

通过对材料进行光谱分析，可以检测材料中的杂质、缺陷和变形等问题，并对材料的物理和化学性质进行准确的表征。

这对于材料生产和质量控制有着重要的意义。

例如，激光光谱仪可以用来检测钢材中的成分和温度分布，帮助钢铁生产厂家实现精确的质量控制，提高产品质量和生产效率。

另外，激光光谱仪在环境监测和生物医学领域也有广泛的应用。

在环境监测中，激光光谱仪可以对空气、水、土壤等样品进行光谱分析，以确定其中的污染物和有害物质的种类和浓度。

这对于环境保护和污染治理非常重要。

在生物医学领域，激光光谱仪可以用于检测生物样品中的化学成分、生物分子的结构和功能等信息，对于疾病的早期诊断和治疗具有重要的意义。

虽然激光光谱仪在材料分析中的应用非常广泛，但是也存在一些挑战和限制。

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