采用線(xiàn)陣CCD的便攜式光譜采集系統設計

2．2 光譜數據處理電路及液晶顯示動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)研究

　　本文采用的微處理器是STC公司的STC89C52RC，其帶有額外的P4口，使得IO口資源更加豐富，由于這款單片機的內核是基于C51的，因此其機器周期還是傳統的12T模式，但是STC可以通過(guò)下載程序的模式設置來(lái)使用6T模式工作，即超頻工作。本系統微處理器的時(shí)鐘為24 MHz，使用6T模式工作：6個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機器周期，指令周期為0．25 ns。由于其內部存儲資源的限制：內存為512個(gè)字節，ROM空間為8 K。如果直接對ADS830轉換后的數字信號進(jìn)行處理，會(huì )導致數據的丟失，并且轉換后的光譜數據的速率達到了1 MHz（周期1 ns）?；谝陨蟽牲c(diǎn)，需要使用緩沖裝置來(lái)暫存數據，以便單片機有效的對光譜數據進(jìn)行處理。

　　文中采用了具有先進(jìn)先出特性的異步FIFO芯片IDT7205，其內部有8 K字節的存儲空間，可以有效地對光譜數據進(jìn)行緩沖。RS為其復位脈沖，低電平有效，一個(gè)有效的復位需要W和R處于高電平才能完成，只有在RS有效低電平過(guò)后，W和R才能進(jìn)行操作。復位后的IDT7205讀寫(xiě)指針

　　地址相等且位于0位置。EF和FF為指示標志位，其中EF為內部空標志位，其有效的低電平說(shuō)明此時(shí)IDT7205里數據已經(jīng)讀取完，等待寫(xiě)入數據，而FF則表示內部數據空間已經(jīng)寫(xiě)滿(mǎn)，需要盡快讀出里面的數據。IDT7205復位后，這兩者都處于低電平，因此在編程的時(shí)需要進(jìn)行區分。

　　圖5為IDT7205的硬件連接圖，其中D1～D8為ADS830轉換后的數字光譜信號，Q1～Q3則與STC89C52RS連接，這樣單片機就有比較充足的時(shí)間和空間來(lái)處理光譜信號，并對處理后的信號進(jìn)行顯示。

　　文中設計的光譜采集系統可以使用電腦端和LCD端兩種方式來(lái)實(shí)現光譜數據的顯示，描繪其吸光度曲線(xiàn)，并得出吸收峰峰值和對應于該峰峰值的波長(cháng)。電腦端的顯示比較簡(jiǎn)單，通過(guò)PC機較強的數據處理能力能較好較快地顯示吸光度曲線(xiàn)，而對于LCD19264來(lái)說(shuō)，則有比較多的細節需要處理。文中采用的是帶背光的LCD19264液晶來(lái)進(jìn)行吸光度曲線(xiàn)的顯示，該液晶只有192*64的分辨率，因此要進(jìn)行吸光度曲線(xiàn)的顯示，需要對光譜數據進(jìn)行壓縮。CCD的有效像元有2 160個(gè)，要在19264上進(jìn)行顯示，有兩種方法：使用翻屏來(lái)實(shí)現或者使用數據壓縮的方式實(shí)現。通過(guò)觀(guān)察CCD采集的光譜信號發(fā)現，吸收峰峰值只在一個(gè)或幾個(gè)特定的波長(cháng)出現，而其他波長(cháng)處的吸光度值則基本一致。因此，文中使用壓縮的方法來(lái)實(shí)現吸光度曲線(xiàn)在液晶上的顯示。通過(guò)設定采樣閥值，把2 160個(gè)數據壓縮為192個(gè)字節的光譜數據，采集的機理是：對低于該閥值的光譜數據則丟棄不用，而對高于其閥值的光譜數據進(jìn)行存儲，并比較前后兩個(gè)光譜數據的大小，若相等，則只采用其中的一個(gè)數據。如果檢測到峰峰值比較大的光譜數據，則把此時(shí)采集的序號和峰值的幅度進(jìn)行存儲，方便在液晶上顯示峰值吸光度。

　　利用LCD19264來(lái)繪制動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，需要特殊的編程方式來(lái)實(shí)現。LCD19264是以字節方式寫(xiě)入的，也就是一次寫(xiě)入需要準備8bit的數據位。動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)的顯示則是以點(diǎn)（相當于1位）的方式進(jìn)行繪制的，因此繪制動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)時(shí)需要把字節與點(diǎn)進(jìn)行轉換。19264其行是以頁(yè)來(lái)進(jìn)行操作的，而列則是按單列來(lái)操作，64列為一屏，總共3屏，在LCD19264上畫(huà)點(diǎn)，橫坐標則是液晶的列，而縱坐標則通過(guò)頁(yè)來(lái)實(shí)現，即橫坐標有192個(gè)點(diǎn)，縱坐標有64個(gè)點(diǎn)（8頁(yè)），列與橫坐標一致，因此不需要轉換，而縱坐標由于和液晶的8頁(yè)對應，因此需要進(jìn)行轉換。按照液晶的結構（圖6）從上到下依次為0頁(yè)，1頁(yè)，3頁(yè)，……，7頁(yè)。例如：要找到50對應于哪一頁(yè)，首先需要算出50對應于8頁(yè)中的哪一頁(yè)，50／8=6，因此50對應于第6頁(yè)。具體在哪一位可以通過(guò)對50取8的余數，50％8=2，那么我們就可以確定50對應于LCD19264的第6頁(yè)上的第2位，通過(guò)在該位寫(xiě)入高電平，則可以把50繪制在液晶上。

　　3 光譜采集系統測試結果及分析

　　通過(guò)對方案進(jìn)行驗證以及對設計的系統電路圖進(jìn)行多次調試和修改，得到了便攜式分光光度計硬件結構圖（圖7）。使用了接插件把LCD19264和TCD1208AP連接于系統接口上，方便擴展性能更好的器件，JTAG口和RS232口主要用來(lái)實(shí)現CPLD程序、單片機程序的下載，同時(shí)RS232口還兼有上傳采集數據到PC端的功能。