一种用单片机控制的光谱数据采集系统

二、应用

为了满足光谱采集的需要，我们设计了相应的信号采集电路，应用单片机控制A/D芯片完成对于两种不同的探测器输出信号的采集。实际应用表明，采集系统的信噪比、采样频率等性能可以满足测量的要求。

1.用于CCD输出信号采集

采用CCD测量光谱大大缩短了测量时间，减少了外界环境对测量精度的影响。对于闪光灯、荧光和磷光等强度随时间变化的光源，采用CCD测量其光谱分析，能得到精确的测量结果。 单片机在其中要完成的工作是控制CCD时序脉冲的产生和高速A/D采样频率的实现等，其原理框图如图10所示。


对于两相线阵CCD，须要在其相关引脚加入适当脉冲才能正常工作，主要有两相时钟脉冲ψA和ψB、转移门ψTG、复位门ψR，并且要输出与CCD输出信号同步的脉冲，作为信号采集的同步触发信号，其主驱动脉冲由单片机控制产生。 CCD将光信号转换成视频脉冲信号后，经差分放大和电平调整电路后，输出满足MAX120输入信号范围的信号（-5～+5V），送入A/D转换器的输入端。逻辑控制电路的输入信号是CCD视频脉冲同步信号、微处理器控制是否进行A/D转换信号、A/D转换器状态信号和数据存储器地址信号，经一定的逻辑运算后输出A/D转换的起始信号、地址产生器的计数信号以及送入AT89C52单片机计数端口用来控制转换次数的计数信号。数据隔离器的作用是将A/D转换部分的数据线与主机部分的数据线隔离，使两部分可同时独立工作，不会产生干扰，且在需要时可将A/D转换器的转换结果（在存储器中）读入主机进行处理。地址产生器由二进制计数器构成，数据存储器的地址线与计数器的输出端相接，计数输入信号有清零信号和计数信号。其中，清零信号受主机控制，每次对1帧CCD信号转换前，必须将地址产生器清零，使2048个像元信号的转换结果从零地址开始依次存放；同样，在读存储单元时，也要先地址产生器清零。计数信号由逻辑控制单元提供，在A/D转换和读存储器期间，每对存储器操作1次就使地址加1，连续操作就可以顺序读写存储器。地址分配器是主机用来给每个读写端口分配地址的。由于本系统的独持设计，每个数据存储器只占用1个地址。只要反复对某一地址操作，就可将存储器中的数据读出。 最后，由系统总控制单元采用适当的计算对其进行处理得到被测物图像的信息。系统总控制单元除完成数据处理工作以外，还担负着数据存储、CCD积分时间控制、PC远程数据传输和控制等工作。 下面给出利用信号采集系统得到的实测光谱。


图11是用CCD实测的闪光灯泵浦可调谐掺钛宝石激光器的输出光谱。通过在激光腔内加一铌酸铌晶体光电开关，改变铌酸晶体上的电压，使不同波长的光在激光腔内发生振荡，从而实现钛宝石调谐。这是一种新型的实现钛定石调谐的实验方法，图11所示光谱线就是改变铌酸铌晶体电压，用CCD实测的钛宝石激光器的输出光谱线。每改变一次电压就能很快地、准确地得知输出光的波长和带宽。


2.用于光电倍增管输出信号采集

根据被采集光谱信号的特征和采样频率的要求，我们设计了相应的信号采集电路，如图12所示。


它的采样频率为50kHz，同时根据测量信号的强弱，相应地调整光电倍增管的高压，从而提高采集系统的动态范围。在这种工作模式下，由AT89C52完成信号采集过程控制和倍增管的高压自动调整。控制完成信号的采集、数据存储和数据的传输。数据存储由一片6264完成，采集到的光谱强度通过并行口送入计算机进行处理。 由于PMT的灵敏度高、精度高，常用来测量分子吸收光谱。利用光谱法检测空气中污染气体的含量，是目前常用的快捷、连续、在线的监测方法。研究污染气体分子的特征吸收光谱是准确测量的关键。图13是利用光电倍增管测得的SO2特片吸收光谱。它是用氘灯日光源，光经过含有SO2气体的吸收波，由光谱仪分光，在出射狭缝处用光光倍增管接收光谱信号。在50kHz采样频率下测得SO2在300nm波长附近的特征吸收光谱，入射光的调制频率日1kHz。