一種用單片機(jī)控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)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(xiàn)等,其原理框圖如圖10所示。對于兩相線陣CCD,須要在其相關(guān)引腳加入適當(dāng)脈沖才能正常工作,主要有兩相時(shí)鐘脈沖ψA和ψB、轉(zhuǎn)移門ψTG、復(fù)位門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(qū)動脈沖由單片機(jī)控制產(chǎn)生。

　　CCD將光信號轉(zhuǎn)換成視頻脈沖信號后,經(jīng)差分放大和電平調(diào)整電路后,輸出滿足MAX120輸入信號范圍的信號（-5～+5V）,送入A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換信號、A/D轉(zhuǎn)換器狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)存儲器地址信號,經(jīng)一定的邏輯運(yùn)算后輸出A/D轉(zhuǎn)換的起始信號、地址產(chǎn)生器的計(jì)數(shù)信號以及送入AT89C52單片機(jī)計(jì)數(shù)端口用來控制轉(zhuǎn)換次數(shù)的計(jì)數(shù)信號。數(shù)據(jù)隔離器的作用是將A/D轉(zhuǎn)換部分的數(shù)據(jù)線與主機(jī)部分的數(shù)據(jù)線隔離,使兩部分可同時(shí)獨(dú)立工作,不會產(chǎn)生干擾,且在需要時(shí)可將A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果（在存儲器中）讀入主機(jī)進(jìn)行處理。地址產(chǎn)生器由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成,數(shù)據(jù)存儲器的地址線與計(jì)數(shù)器的輸出端相接,計(jì)數(shù)輸入信號有清零信號和計(jì)數(shù)信號。其中,清零信號受主機(jī)控制,每次對1幀CCD信號轉(zhuǎn)換前,必須將地址產(chǎn)生器清零,使2048個(gè)像元信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果從零地址開始依次存放;同樣,在讀存儲單元時(shí),也要先地址產(chǎn)生器清零。計(jì)數(shù)信號由邏輯控制單元提供,在A/D轉(zhuǎn)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(xù)操作就可以順序讀寫存儲器。地址分配器是主機(jī)用來給每個(gè)讀寫端口分配地址的。由于本系統(tǒng)的獨(dú)持設(shè)計(jì),每個(gè)數(shù)據(jù)存儲器只占用1個(gè)地址。只要反復(fù)對某一地址操作,就可將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出。

　　最后,由系統(tǒng)總控制單元采用適當(dāng)?shù)挠?jì)算對其進(jìn)行處理得到被測物圖像的信息。系統(tǒng)總控制單元除完成數(shù)據(jù)處理工作以外,還擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)存儲、CCD積分時(shí)間控制、PC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制等工作。

　　下面給出利用信號采集系統(tǒng)得到的實(shí)測光譜。圖11是用CCD實(shí)測的閃光燈泵浦可調(diào)諧摻鈦寶石激光器的輸出光譜。通過在激光腔內(nèi)加一鈮酸鈮晶體光電開關(guān),改變鈮酸晶體上的電壓,使不同波長的光在激光腔內(nèi)發(fā)生振蕩,從而實(shí)現(xiàn)鈦寶石調(diào)諧。這是一種新型的實(shí)現(xiàn)鈦定石調(diào)諧的實(shí)驗(yàn)方法,圖11所示光譜線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。每改變一次電壓就能很快地、準(zhǔn)確地得知輸出光的波長和帶寬。

　　2.用于光電倍增管輸出信號采集

　　根據(jù)被采集光譜信號的特征和采樣頻率的要求,我們設(shè)計(jì)了相應(yīng)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(jù)測量信號的強(qiáng)弱,相應(yīng)地調(diào)整光電倍增管的高壓,從而提高采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍。在這種工作模式下,由AT89C52完成信號采集過程控制和倍增管的高壓自動調(diào)整。控制完成信號的采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)存儲由一片6264完成,采集到的光譜強(qiáng)度通過并行口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

　　由于PMT的靈敏度高、精度高,常用來測量分子吸收光譜。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(xù)、在線的監(jiān)測方法。研究污染氣體分子的特征吸收光譜是準(zhǔn)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波長附近的特征吸收光譜,入射光的調(diào)制頻率日1kHz。