一种便携式光谱采集系统的设计与实现

选择来实现。通过把采样的时刻设定在有效的光谱信号区域，并把该时刻视频信号的电压值转换为数字量，以便进行后续的信号处理过程。而采样的脉冲有两种来源，一是通过引入额外的脉冲源，通过精确的控制来实现；二是使用CCD的复位脉冲RS来实现，通过观察发现CCD的复位脉冲RS的脉宽区恰好位于CCD有效的光谱信号区域，因此可以用复位脉冲作为模拟到数字信号转换部分的采样脉冲输入端。

2 光谱采集系统中关键硬件电路设计
光谱采集系统的硬件电路主要用来实现物质吸收光谱的采集、转换以及对转换后的光谱数据进行适当的处理，因此，稳定、高精度的硬件电路是光谱采集系统有效精确工作的基础。
2．1 CCD驱动及CCD预处理电路设计的研究
CCD的正常工作需要精确时钟的配合，选用TCD1208AP线阵CCD作为本文的光电转换器件，其需要四路时钟脉冲的驱动：SH，φ1，φ2，RS。四路脉冲的幅值为5 V，属于标准的TTL逻辑电平。在驱动设计时可以使用微处理器来实现也可以使用FPGA或者CPLD等逻辑阵列来实现。但微处理器的时钟精确度相对于逻辑阵列比较低，且存在相位不同步的问题，因此，本文设计的方案使用CPLD来实现，其芯片为Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V电平的输出能力，可以和TCD1208AP直接连接而无需其他电平转换芯片，硬件连接图如图3所示。

CPLD使用10 MHz的有源晶振输入，为了提高CPLD的驱动能力，使用了反相器74HC04对CPLD输出的驱动脉冲进行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驱动脉冲的高低电平与正常驱动CCD的脉冲必须是反相的。CPLD输入的时钟clk为10 MHz，通过HLD硬件编程语言实现十分频，输出1 MHz的CCD复位脉冲。
1．2 节讨论利用VOS与VDOS的加减运算来实现光谱
信号中直流电平的滤除，硬件则利用运算放大器来实现这一过程。本系统采用AD公司的AD8051运算放大器，其工作带宽最高达110MHz，较低的建立时间使得其处理高频信号的能力较强，根据基本运算放大器计算规则，得出输出信号Vout为：

调节R9的值则可以改变Vout的输出值，此时的Vout就是没有直流电平的物质光谱吸收信号。
经过处理后的物质吸收光谱信号，进入AD转换模块，在该模块可以对光谱信号中的复位脉冲进行滤除，从而得到有效的光谱信号。采用的AD转换芯片是BB公司的8 bit模拟到数字转换芯片，其采样率可以达到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其转换速率和精度满足光谱采集系统的高速和高精度的要求。ADS830需要4个时钟周期才能完成数据采样和数字信号的输出，在接收ADS830转换的数字信号时需要控制好接收数据的时刻，以便准确无误的得到需要的数据。

图4为使用ADS830来进行光谱数据数字化的转换电路，ANALOGIN输入则是通过AD8051后处理的不带直流电平的光谱数据。由于ADS830的输入端电压范围是1．5～3．5 V，因此，为了使得经过AD8051的光谱信号处于这一范围，需要通过调节R9的值来实现。D1～D8则是转换后的光谱信号，该信号送入微处理器进行后续处理。
2．2 光谱数据处理电路及液晶显示动态曲线研究
本文采用的微处理器是STC公司的STC89C52RC，其带有额外的P4口，使得IO口资源更加丰富，由于这款单片机的内核是基于C51的，因此其机器周期还是传统的12T模式，但是STC可以通过下载程序的模式设置来使用6T模式工作，即超频工作。本系统微处理器的时钟为24 MHz，使用6T模式工作：6个时钟周期为一个机器周期，指令周期为0．25 ns。由于其内部存储资源的限制：内存为512个字节，ROM空间为8 K。如果直接对ADS830转换后的数字信号进行处理，会导致数据的丢失，并且转换后的光谱数据的速率达到了1 MHz(周期1 ns)。基于以上两点，需要使用缓冲装置来暂存数据，以便单片机有效的对光谱数据进行处理。
文中采用了具有先进先出特性的异步FIFO芯片IDT7205，其内部有8 K字节的存储空间，可以有效地对光谱数据进行缓冲。RS为其复位脉冲，低电平有效，一个有效的复位需要W和R处于高电平才能完成，只有在RS有效低电平过后，W和R才能进行操作。复位后的IDT7205读写指针
地址相等且位于0位置。EF和FF为指示标志位，其中EF为内部空标志位，其有效的低电平说明此时IDT7205里数据已经读取完，等待写入数据，而FF则表示内部数据空间已经写满，需要尽快读出里面的数据。IDT7205复位后，这两者都处于低电平，因此在编程的时需要进行区分。

图5为IDT7205的硬件连接图，其中D1～D8为ADS830转换后的数字光谱信号，Q1～Q3则与STC89C52RS连接，这样单片机就有比较充足的时间和空间来处理光谱信号，并对处理后的信