基于A(yíng)T89S52控制的光譜數據采集系統的設計

圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。

為滿(mǎn)足不同的測量要求,需要設置三個(gè)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(lái)實(shí)現調整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線(xiàn)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(tài)通過(guò)并口送入計算機。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(fǎng)問(wèn)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(lèi)似于TTL升/降計數器,總阻值10kΩ、工作時(shí)鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動(dòng)端位置存儲于非易失性存儲器中,可在上電時(shí)重新調用,滑動(dòng)端位置數據可保存100年。X9C103是固態(tài)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(dòng)、污染）、節省空間、易于安裝、滑動(dòng)端位置易于由單片機或邏輯電路控制的優(yōu)點(diǎn),是理想的數控微調電位器。三線(xiàn)接口由單片機P0口控制1片74LS374來(lái)完成鎖存,軟件編程實(shí)現。

二、應用

為了滿(mǎn)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(shí)際應用表明,采集系統的信噪比、采樣頻率等性能可以滿(mǎn)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(shí)間,減少了外界環(huán)境對測量精度的影響。對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時(shí)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(shí)序脈沖的產(chǎn)生和高速A/D采樣頻率的實(shí)現等,其原理框圖如圖10所示。對于兩相線(xiàn)陣CCD,須要在其相關(guān)引腳加入適當脈沖才能正常工作,主要有兩相時(shí)鐘脈沖ψA和ψB、轉移門(mén)ψTG、復位門(mén)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(fā)信號,其主驅動(dòng)脈沖由單片機控制產(chǎn)生。

CCD將光信號轉換成視頻脈沖信號后,經(jīng)差分放大和電平調整電路后,輸出滿(mǎn)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(jìn)行A/D轉換信號、A/D轉換器狀態(tài)信號和數據存儲器地址信號,經(jīng)一定的邏輯運算后輸出A/D轉換的起始信號、地址產(chǎn)生器的計數信號以及送入AT89C52單片機計數端口用來(lái)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(xiàn)與主機部分的數據線(xiàn)隔離,使兩部分可同時(shí)獨立工作,不會(huì )產(chǎn)生干擾,且在需要時(shí)可將A/D轉換器的轉換結果（在存儲器中）讀入主機進(jìn)行處理。地址產(chǎn)生器由二進(jìn)制計數器構成,數據存儲器的地址線(xiàn)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(chǎn)生器清零,使2048個(gè)像元信號的轉換結果從零地址開(kāi)始依次存放;同樣,在讀存儲單元時(shí),也要先地址產(chǎn)生器清零。計數信號由邏輯控制單元提供,在A(yíng)/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(xiě)存儲器。地址分配器是主機用來(lái)給每個(gè)讀寫(xiě)端口分配地址的。由于本系統的獨持設計,每個(gè)數據存儲器只占用1個(gè)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。

后,由系統總控制單元采用適當的計算對其進(jìn)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(zhù)數據存儲、CCD積分時(shí)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(shí)測光譜。圖11是用CCD實(shí)測的閃光燈泵浦可調諧摻鈦寶石激光器的輸出光譜。通過(guò)在激光腔內加一鈮酸鈮晶體光電開(kāi)關(guān),改變鈮酸晶體上的電壓,使不同波長(cháng)的光在激光腔內發(fā)生振蕩,從而實(shí)現鈦寶石調諧。這是一種新型的實(shí)現鈦定石調諧的實(shí)驗方法,圖11所示光譜線(xiàn)就是改變鈮酸鈮晶體電壓,用CCD實(shí)測的鈦寶石激光器的輸出光譜線(xiàn)。每改變一次電壓就能很快地、準確地得知輸出光的波長(cháng)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(shí)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(dòng)態(tài)范圍。在這種工作模式下,由AT89C52完成信號采集過(guò)程控制和倍增管的高壓自動(dòng)調整?？刂仆瓿尚盘柕牟杉?、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(guò)并行口送入計算機進(jìn)行處理。

由于PMT的靈敏度高、精度高,常用來(lái)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(xiàn)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(guān)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(jīng)過(guò)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(cháng)附近的特征吸收光譜,入射光的調制頻率日1kHz。