基于A(yíng)DμC842的多波長(cháng)計信號采集系統

1引言

激光波長(cháng)/頻率測量?jì)x器即波長(cháng)計（wave-meter），可用來(lái)測量調諧激光器的輸出波長(cháng)值，或者用于測量未知激光的波長(cháng)值，在光頻標研究領(lǐng)域有著(zhù)重要的作用。激光波長(cháng)計基于邁克爾遜干涉原理：兩束激光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，比對已知波長(cháng)的參考激光和未知波長(cháng)的被測激光的干涉條紋數目，可以獲得被測激光的波長(cháng)/頻率值。

2基于邁克爾遜干涉儀的波長(cháng)計原理

邁克爾遜波長(cháng)計適合測量連續激光波長(cháng)，其光學(xué)系統采用邁克爾遜干涉原理，如圖1所示。

參考光源輸出光束1，經(jīng)多次反射，分為兩束同頻率的光，最后匯聚于B點(diǎn)發(fā)生干涉，由光探測器D1接收，作為參考信號。

待測光由光欄射入，與射出的參考光調整至重合；兩個(gè)反射器R1和R2安裝在同一可動(dòng)的平行導軌上。在波長(cháng)計工作時(shí)，驅動(dòng)電機拖動(dòng)導軌沿軸向連續往返平動(dòng)，使參考光和待測光產(chǎn)生光程差，發(fā)生干涉現象，由光探測器D1和D2接收，由此得到它們的干涉條紋的信號。

圖1 邁克爾遜波長(cháng)計結構

單波長(cháng)測量技術(shù)是經(jīng)過(guò)對干涉條紋信號細分、整形和計數電路分別獲得參考激光和被測激光干涉條紋數。根據參考激光波長(cháng)值和兩組條紋數比值可直接求得被測激光波長(cháng)值。

由于系統對光電信號只采用簡(jiǎn)單的計數方式，當混合頻率的激光（如同時(shí)射入綠光和紅光）射入波長(cháng)計時(shí)就會(huì )得到錯誤的波長(cháng)值。

3．改進(jìn)方案

3.1方案制定

光電轉換后得到的光強信號是模擬電信號，需要把模擬信號轉換成為數字信號，以便借助計算機分析。光強信號的采集要求采集速率高、數據存儲量大、模數轉換精度高等特點(diǎn)。

實(shí)現以上性能需要具備三個(gè)參數。精度：AD轉換位數越高精度就越高；采樣速率：轉換速率越高對高頻信號越有利；存儲容量：大容量的存儲可以方便進(jìn)行大量數據的處理。

雖然現有的ADC已經(jīng)達到上百兆的轉換速率，但通常是和單片機分離的獨立元件。而采用6000系列的DSP處理器又會(huì )增加成本和延長(cháng)研發(fā)周期，根據信號的特點(diǎn)和系統快速采集的要求，研制了一個(gè)基于A(yíng)DμC842單片機的激光波長(cháng)計高速、大容量信號采集系統。

通常I/O數據有四種傳送方式,即：同步傳送、異步傳送、中斷傳送、DMA傳送。www.51kaifa.com

在上述三種數據傳送方式中，都要轉道CPU才能實(shí)現。單片機系統無(wú)法實(shí)現小于其指令周期的高速數據傳輸及數據采集。這就限制了單片機在高速數據傳輸領(lǐng)域內的應用。

DMA(Direct Memory Access)的含義是直接存儲器存取，這是一種由硬件來(lái)執行數據傳送的工作方式?，F今ADI公司推出了一款新型的ADμC842單片機，它將AD轉換、 DMA功能、單片機內核集成一體，完全可以滿(mǎn)足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存儲器。

3.2 系統原理與組成

數據采集系統由ADμC842單片機及片外存儲器SDRAM、光電轉換電路、鎖相倍頻電路和上位PC機組成。被測光信號通過(guò)光探測器轉變?yōu)殡娦盘栞斎氲紸DμC842芯片的ADC端口；參考激光信號倍頻后用來(lái)觸發(fā)AD轉換，作為數據采集的時(shí)基以抵消驅動(dòng)電機拖動(dòng)反射鏡掃描的速度不穩。該系統由下位機和上位機組成,下位機和上位機通過(guò)RS232來(lái)聯(lián)接。整個(gè)系統如圖2 所示。

ADμC842芯片進(jìn)行信號高速采集是可以采用外部觸發(fā)方式的，也就是將方波觸發(fā)脈沖輸入到單片機的觸發(fā)端，每輸入一個(gè)方波，單片機就對信號進(jìn)行一次采集并將其存儲。

由抽樣定理可知，要保證從信號抽樣后的離散時(shí)間信號無(wú)失真地恢復原始時(shí)間連續信號（即抽樣不會(huì )導致任何信息丟失），必須滿(mǎn)足：信號是頻帶受限的(信號頻率區間有限)；采樣率至少是信號最高頻率的兩倍。利用NE564鎖相環(huán)芯片將參考光進(jìn)行16倍頻后，倍頻信號作為觸發(fā)信號，可以滿(mǎn)足抽樣定理。這樣即可保證在待采集信號頻率不穩定的情況下，采集到不失真的信號。www.51kaifa.com

ADμC842芯片是一種內嵌MCU 的高性能多通道數據采集系統, 只是內部的數據存儲器有限, 加上62512芯片這種快閃存儲器可解決這些問(wèn)題。最后將采集好的信號進(jìn)行FFT變換得到光譜信號，可以很直觀(guān)的觀(guān)察到光的頻域特性，進(jìn)而可以解決兩種頻率不同的光同時(shí)射入波長(cháng)計中造成計數值錯誤的問(wèn)題。www.51kaifa.com

3.3 工作原理

3.3.1 DMA允許與響應

單片機系統開(kāi)機運行時(shí)或進(jìn)行內部數據處理時(shí)應對DMA置低以便禁止DMA狀態(tài)。當DMA允許為１時(shí)，進(jìn)入DMA預備狀態(tài)，等待外部觸發(fā)信號輸入。 DMA觸發(fā)信號可以是周期信號的過(guò)零脈沖，也可以是單脈沖信號放大整形輸出。DMA允許后的第一個(gè)觸發(fā)脈沖到來(lái)，單片機開(kāi)始數據采集和傳送。

3.3.2 數據線(xiàn)與地址線(xiàn)的控制

總線(xiàn)的選擇控制由ALE允許信號控制兩組74LS373三態(tài)鎖存器，使其分別處于開(kāi)通和高阻狀態(tài)。P0口為地址/數據復用總線(xiàn)，采用分時(shí)復用功能來(lái)實(shí)現數據信號和地址信號分時(shí)在同一物理線(xiàn)路下傳輸。

2 信號采集系統原理框圖

3.3.3 DMA塊數據傳輸

在主程序開(kāi)頭，CPU預先通過(guò)指令把要輸入數據個(gè)數送入DMA控制器中的計數器，并把這些輸入數據在內存存放的起始地址送給DMA控制器中的地址寄存器。然后，CPU便可執行主程序中的其它程序，同時(shí)也是等待DMA控制器發(fā)來(lái)的中斷請求。

3.3.4 響應過(guò)程的結束

DMA控制器把地址寄存器中的輸入數據在內存的地址發(fā)送給內存儲器，并控制把數據端口中輸入數據存入內存儲器的相應存儲單元，然后使計數器減1并判斷它是否等于0。如果其內容不為0，（采集數據量不足），則繼續采集數據。

4 系統軟件編寫(xiě)

4.1下位機軟件編寫(xiě)

為適應不同工作情況的需求,ADμC842 片內ADC 模塊內的所有部件都能方便地通過(guò)3個(gè)SFR寄存器來(lái)設置：

(1)ADCCON1 —控制轉換和采樣時(shí)間

MD1 MD0：控制ADC的工作模式。二者的不同取值分別對應著(zhù)ADC掉電；ADC正常工作；不執行轉換周期時(shí)ADC掉電；不執行轉換周期A(yíng)DC待機的四種工作模式。

CK1 CK0：設置送入ADC時(shí)鐘的主時(shí)鐘分頻系數?？蛇x分頻系數分別為2、4、8、32。

AQ1 AQ0：選擇采樣保持電路采樣輸入信號的時(shí)間?？蛇x的采樣時(shí)鐘數為1、2、3、4個(gè)ADC時(shí)鐘。

T2C：當該位被置1時(shí)，將由定時(shí)器2的溢出中斷來(lái)啟動(dòng)ADC轉換。

EXC：當該位被置1時(shí)，將由外部引腳CONVST的外部輸入信號來(lái)啟動(dòng)ADC轉換。

(2)ADCCON2 —控制ADC 通道選擇和轉換模式www.51kaifa.com

ADCI：ADC 中斷標志位。在A(yíng)DC 轉換結束時(shí)由硬件置位；當MCU 響應中斷服務(wù)子程序時(shí)由硬件清除。

DMA：DMA 模式使能位。置1 時(shí)啟動(dòng)ADC 的DMA 模式進(jìn)行工作。

CCONV：連續轉換位。置1 時(shí)ADC 進(jìn)入連續轉換模式。www.51kaifa.com

SCONV：?jiǎn)未无D換位。置1 時(shí)開(kāi)始單個(gè)轉換周期；轉換結束時(shí)SCONV 位自動(dòng)復位至0。

CS3 CS2 CS1 CS0：通道選擇位。0—7對應8個(gè)模擬輸入通道，8為溫度傳感器，15 為停止DMA工作。

(3)ADCCON2 —ADC 狀態(tài)指示

BUSY：ADC 忙狀態(tài)位。

其為只讀狀態(tài)位，為1 時(shí)表示ADC正處在轉換周期或校準周期中。

其余位：保留。

在DMA模式下，無(wú)需單片機控制，系統可以自動(dòng)將AD轉換的結果存入指定的位置。DMA 方式用于對快變信號的某一段時(shí)間的采樣,可以通過(guò)上位機對這一段時(shí)間的信號進(jìn)行精確的譜分析。

4.2上位機軟件編寫(xiě)

上位機軟件采用VB可視化編程工具。采用多線(xiàn)程方式編寫(xiě)接收、發(fā)送和處理命令字節。界面中顯示采集數據結果。數據接收由串口通信來(lái)完成，上位機部分還可提供數據趨勢顯示功能，可動(dòng)態(tài)顯示數據一段時(shí)間內的變化趨勢。數據趨勢圖用折線(xiàn)圖表示。在同一直角系中可顯示被測參數隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。

圖 4 通過(guò)VT RS232上位機程序再現采集數據的圖形及再現圖形

5. AD采樣調試結果

如圖3所示，用信號發(fā)生器發(fā)出兩種波形，抽樣波形為方波，待采樣波形為鋸齒波，以便驗證DMA模式的A/D轉換的正確性，做了如下的實(shí)驗。

待采樣波形為鋸齒波經(jīng)過(guò)DMA轉換后，通過(guò)程序DeBug V2可以通過(guò)RS232通信串口，在PC機上在線(xiàn)看數據，如圖4?？梢则炞C，采集數據的正確性，可以證明DMA工作正常。

6． 結論

ADμC842 作為一種新型的微控制器, 具有一般單片機所不能比擬的強大功能。它內部集成的8 通道高精度ADC , 同時(shí)在A(yíng)DC采集的時(shí)候能夠采用外部觸發(fā)連續轉化的DMA 模式, 采集頻率高達420kHz。本課題主要利用ADμC842 的ADC模塊的外部觸發(fā)DMA模式, 實(shí)現了對激光波長(cháng)計內部的信號的高速大容量采集,達到了預期的效果，為多波長(cháng)的測量技術(shù)的研究提供了前期方案。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn):目前國內大多數基于邁克爾遜原理的波長(cháng)計采用簡(jiǎn)單的光電轉換、倍頻和計數的方式測量激光波長(cháng)值，雖然精度越來(lái)越高，但當射入多波長(cháng)值的激光時(shí)，測量就會(huì )發(fā)生錯誤。本系統利用雙路光跟蹤采集信號的方法，通過(guò)參考光信號觸發(fā)外部DMA功能實(shí)現對待測光信號的采集，克服了這一缺陷，可以測量多波長(cháng)的激光值。

參考文獻

1.張航，李擁軍，孫鐵錚，于濤．PXA255在CCD圖像采集中的應用．微計算機信息，2006，10-1：84-85

2. 李剛. ADμC8XX 系列單片機原理與應用技術(shù). 北京: 北京航天航空大學(xué)出版社, 2002.www.51kaifa.com

3. ADμC842 Users Manual. Analogy Devices,Inc, 2004.

4. 何立民.單片機應用技術(shù)選編.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

5. 徐愛(ài)卿.單片微型計算機應用和開(kāi)發(fā)系統.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,1995.