一種便攜式光譜采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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2．1 CCD驅(qū)動及CCD預(yù)處理電路設(shè)計的研究
CCD的正常工作需要精確時鐘的配合，選用TCD1208AP線陣CCD作為本文的光電轉(zhuǎn)換器件，其需要四路時鐘脈沖的驅(qū)動：SH，φ1，φ2，RS。四路脈沖的幅值為5 V，屬于標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平。在驅(qū)動設(shè)計時可以使用微處理器來實現(xiàn)也可以使用FPGA或者CPLD等邏輯陣列來實現(xiàn)。但微處理器的時鐘精確度相對于邏輯陣列比較低，且存在相位不同步的問題，因此，本文設(shè)計的方案使用CPLD來實現(xiàn)，其芯片為Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4，其IO口具有5 V電平的輸出能力，可以和TCD1208AP直接連接而無需其他電平轉(zhuǎn)換芯片，硬件連接圖如圖3所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/192783.htm
CPLD使用10 MHz的有源晶振輸入，為了提高CPLD的驅(qū)動能力，使用了反相器74HC04對CPLD輸出的驅(qū)動脈沖進(jìn)行放大，由于74HC04的反相作用，因此，CPLD的驅(qū)動脈沖的高低電平與正常驅(qū)動CCD的脈沖必須是反相的。CPLD輸入的時鐘clk為10 MHz，通過HLD硬件編程語言實現(xiàn)十分頻，輸出1 MHz的CCD復(fù)位脈沖。
1．2 節(jié)討論利用VOS與VDOS的加減運(yùn)算來實現(xiàn)光譜
信號中直流電平的濾除，硬件則利用運(yùn)算放大器來實現(xiàn)這一過程。本系統(tǒng)采用AD公司的AD8051運(yùn)算放大器，其工作帶寬最高達(dá)110MHz，較低的建立時間使得其處理高頻信號的能力較強(qiáng)，根據(jù)基本運(yùn)算放大器計算規(guī)則，得出輸出信號Vout為：
調(diào)節(jié)R9的值則可以改變Vout的輸出值，此時的Vout就是沒有直流電平的物質(zhì)光譜吸收信號。
經(jīng)過處理后的物質(zhì)吸收光譜信號，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊，在該模塊可以對光譜信號中的復(fù)位脈沖進(jìn)行濾除，從而得到有效的光譜信號。采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是BB公司的8 bit模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，其采樣率可以達(dá)到60 MHz以及49．5 DB的高信噪比，使得其轉(zhuǎn)換速率和精度滿足光譜采集系統(tǒng)的高速和高精度的要求。ADS830需要4個時鐘周期才能完成數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字信號的輸出，在接收ADS830轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號時需要控制好接收數(shù)據(jù)的時刻，以便準(zhǔn)確無誤的得到需要的數(shù)據(jù)。
圖4為使用ADS830來進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換電路，ANALOGIN輸入則是通過AD8051后處理的不帶直流電平的光譜數(shù)據(jù)。由于ADS830的輸入端電壓范圍是1．5～3．5 V，因此，為了使得經(jīng)過AD8051的光譜信號處于這一范圍，需要通過調(diào)節(jié)R9的值來實現(xiàn)。D1～D8則是轉(zhuǎn)換后的光譜信號，該信號送入微處理器進(jìn)行后續(xù)處理。
2．2 光譜數(shù)據(jù)處理電路及液晶顯示動態(tài)曲線研究
本文采用的微處理器是STC公司的STC89C52RC，其帶有額外的P4口，使得IO口資源更加豐富，由于這款單片機(jī)的內(nèi)核是基于C51的，因此其機(jī)器周期還是傳統(tǒng)的12T模式，但是STC可以通過下載程序的模式設(shè)置來使用6T模式工作，即超頻工作。本系統(tǒng)微處理器的時鐘為24 MHz，使用6T模式工作：6個時鐘周期為一個機(jī)器周期，指令周期為0．25 ns。由于其內(nèi)部存儲資源的限制：內(nèi)存為512個字節(jié)，ROM空間為8 K。如果直接對ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，并且轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)的速率達(dá)到了1 MHz(周期1 ns)?；谝陨蟽牲c(diǎn)，需要使用緩沖裝置來暫存數(shù)據(jù)，以便單片機(jī)有效的對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
文中采用了具有先進(jìn)先出特性的異步FIFO芯片IDT7205，其內(nèi)部有8 K字節(jié)的存儲空間，可以有效地對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。RS為其復(fù)位脈沖，低電平有效，一個有效的復(fù)位需要W和R處于高電平才能完成，只有在RS有效低電平過后，W和R才能進(jìn)行操作。復(fù)位后的IDT7205讀寫指針
地址相等且位于0位置。EF和FF為指示標(biāo)志位，其中EF為內(nèi)部空標(biāo)志位，其有效的低電平說明此時IDT7205里數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完，等待寫入數(shù)據(jù)，而FF則表示內(nèi)部數(shù)據(jù)空間已經(jīng)寫滿，需要盡快讀出里面的數(shù)據(jù)。IDT7205復(fù)位后，這兩者都處于低電平，因此在編程的時需要進(jìn)行區(qū)分。
圖5為IDT7205的硬件連接圖，其中D1～D8為ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字光譜信號，Q1～Q3則與STC89C52RS連接，這樣單片機(jī)就有比較充足的時間和空間來處理光譜信號，并對處理后的信號進(jìn)行顯示。
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