基于AT89S52控制的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

圖8所示為濱松公司高壓模塊的原理框圖。

為滿足不同的測量要求,需要設置三個量程。一般量程的調(diào)整為人工調(diào)整電位器,效率較低、精度不好控制。這里我們利用單片機控制可編程數(shù)字電位器X9C103來實現(xiàn)調(diào)整倍增管高壓,圖9是X9C103的接線原理圖。根據(jù)測量輸出信號的強弱,相應調(diào)整PMT的高壓,并將調(diào)整的狀態(tài)通過并口送入計算機。X9C103是一個包含100個電阻單元的電阻陣列。在每個單元之間和任一端都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元的位置由片選輸入端CS、升/降輸入端U/D、增加輸入端INC控制。它類似于TTL升/降計數(shù)器,總阻值10kΩ、工作時鐘250kHz、工作電壓+5V,滑動端位置存儲于非易失性存儲器中,可在上電時重新調(diào)用,滑動端位置數(shù)據(jù)可保存100年。X9C103是固態(tài)非易失性電位器,它與機械電位器相比有調(diào)節(jié)更精確、不受意外影響（振動、污染）、節(jié)省空間、易于安裝、滑動端位置易于由單片機或邏輯電路控制的優(yōu)點,是理想的數(shù)控微調(diào)電位器。三線接口由單片機P0口控制1片74LS374來完成鎖存,軟件編程實現(xiàn)。

二、應用

為了滿足光譜采集的需要,我們設計了相應的信號采集電路,應用單片機控制A/D芯片完成對于兩種不同的探測器輸出信號的采集。實際應用表明,采集系統(tǒng)的信噪比、采樣頻率等性能可以滿足測量的要求。

1.用于CCD輸出信號采集

采用CCD測量光譜大大縮短了測量時間,減少了外界環(huán)境對測量精度的影響。對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時間變化的光源,采用CCD測量其光譜分析,能得到精確的測量結(jié)果。

單片機在其中要完成的工作是控制CCD時序脈沖的產(chǎn)生和高速A/D采樣頻率的實現(xiàn)等,其原理框圖如圖10所示。對于兩相線陣CCD,須要在其相關引腳加入適當脈沖才能正常工作,主要有兩相時鐘脈沖ψA和ψB、轉(zhuǎn)移門ψTG、復位門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)一定的邏輯運算后輸出A/D轉(zhuǎn)換的起始信號、地址產(chǎn)生器的計數(shù)信號以及送入AT89C52單片機計數(shù)端口用來控制轉(zhuǎn)換次數(shù)的計數(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)線與主機部分的數(shù)據(jù)線隔離,使兩部分可同時獨立工作,不會產(chǎn)生干擾,且在需要時可將A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果（在存儲器中）讀入主機進行處理。地址產(chǎn)生器由二進制計數(shù)器構(gòu)成,數(shù)據(jù)存儲器的地址線與計數(shù)器的輸出端相接,計數(shù)輸入信號有清零信號和計數(shù)信號。其中,清零信號受主機控制,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,也要先地址產(chǎn)生器清零。計數(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。地址分配器是主機用來給每個讀寫端口分配地址的。由于本系統(tǒng)的獨持設計,每個數(shù)據(jù)存儲器只占用1個地址。只要反復對某一地址操作,就可將存儲器中的數(shù)據(jù)讀出。

后,由系統(tǒng)總控制單元采用適當?shù)挠嬎銓ζ溥M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,還擔負著數(shù)據(jù)存儲、CCD積分時間控制、PC遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制等工作。

下面給出利用信號采集系統(tǒng)得到的實測光譜。圖11是用CCD實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,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,從而實現(xiàn)鈦寶石調(diào)諧。這是一種新型的實現(xiàn)鈦定石調(diào)諧的實驗方法,圖11所示光譜線就是改變鈮酸鈮晶體電壓,用CCD實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,我們設計了相應的信號采集電路,如圖12所示。它的采樣頻率為50kHz,同時根據(jù)測量信號的強弱,相應地調(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,采集到的光譜強度通過并行口送入計算機進行處理。

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確測量的關鍵。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。