基于ADμC842的多波長計(jì)信號采集系統(tǒng)

1引言

激光波長/頻率測量儀器即波長計(jì)（wave-meter），可用來測量調(diào)諧激光器的輸出波長值，或者用于測量未知激光的波長值，在光頻標(biāo)研究領(lǐng)域有著重要的作用。激光波長計(jì)基于邁克爾遜干涉原理：兩束激光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，比對已知波長的參考激光和未知波長的被測激光的干涉條紋數(shù)目，可以獲得被測激光的波長/頻率值。

2基于邁克爾遜干涉儀的波長計(jì)原理

邁克爾遜波長計(jì)適合測量連續(xù)激光波長，其光學(xué)系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉原理，如圖1所示。

參考光源輸出光束1，經(jīng)多次反射，分為兩束同頻率的光，最后匯聚于B點(diǎn)發(fā)生干涉，由光探測器D1接收，作為參考信號。

待測光由光欄射入，與射出的參考光調(diào)整至重合；兩個(gè)反射器R1和R2安裝在同一可動(dòng)的平行導(dǎo)軌上。在波長計(jì)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)導(dǎo)軌沿軸向連續(xù)往返平動(dòng)，使參考光和待測光產(chǎn)生光程差，發(fā)生干涉現(xiàn)象，由光探測器D1和D2接收，由此得到它們的干涉條紋的信號。

圖1 邁克爾遜波長計(jì)結(jié)構(gòu)

單波長測量技術(shù)是經(jīng)過對干涉條紋信號細(xì)分、整形和計(jì)數(shù)電路分別獲得參考激光和被測激光干涉條紋數(shù)。根據(jù)參考激光波長值和兩組條紋數(shù)比值可直接求得被測激光波長值。

由于系統(tǒng)對光電信號只采用簡單的計(jì)數(shù)方式，當(dāng)混合頻率的激光（如同時(shí)射入綠光和紅光）射入波長計(jì)時(shí)就會得到錯(cuò)誤的波長值。

3．改進(jìn)方案

3.1方案制定

光電轉(zhuǎn)換后得到的光強(qiáng)信號是模擬電信號，需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，以便借助計(jì)算機(jī)分析。光強(qiáng)信號的采集要求采集速率高、數(shù)據(jù)存儲量大、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)以上性能需要具備三個(gè)參數(shù)。精度：AD轉(zhuǎn)換位數(shù)越高精度就越高；采樣速率：轉(zhuǎn)換速率越高對高頻信號越有利；存儲容量：大容量的存儲可以方便進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理。

雖然現(xiàn)有的ADC已經(jīng)達(dá)到上百兆的轉(zhuǎn)換速率，但通常是和單片機(jī)分離的獨(dú)立元件。而采用6000系列的DSP處理器又會增加成本和延長研發(fā)周期，根據(jù)信號的特點(diǎn)和系統(tǒng)快速采集的要求，研制了一個(gè)基于ADμC842單片機(jī)的激光波長計(jì)高速、大容量信號采集系統(tǒng)。

通常I/O數(shù)據(jù)有四種傳送方式,即：同步傳送、異步傳送、中斷傳送、DMA傳送。www.51kaifa.com

在上述三種數(shù)據(jù)傳送方式中，都要轉(zhuǎn)道CPU才能實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)小于其指令周期的高速數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集。這就限制了單片機(jī)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

DMA(Direct Memory Access)的含義是直接存儲器存取，這是一種由硬件來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的工作方式?，F(xiàn)今ADI公司推出了一款新型的ADμC842單片機(jī)，它將AD轉(zhuǎn)換、 DMA功能、單片機(jī)內(nèi)核集成一體，完全可以滿足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存儲器。

3.2 系統(tǒng)原理與組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ADμC842單片機(jī)及片外存儲器SDRAM、光電轉(zhuǎn)換電路、鎖相倍頻電路和上位PC機(jī)組成。被測光信號通過光探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲紸DμC842芯片的ADC端口；參考激光信號倍頻后用來觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，作為數(shù)據(jù)采集的時(shí)基以抵消驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)反射鏡掃描的速度不穩(wěn)。該系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成,下位機(jī)和上位機(jī)通過RS232來聯(lián)接。整個(gè)系統(tǒng)如圖2 所示。

ADμC842芯片進(jìn)行信號高速采集是可以采用外部觸發(fā)方式的，也就是將方波觸發(fā)脈沖輸入到單片機(jī)的觸發(fā)端，每輸入一個(gè)方波，單片機(jī)就對信號進(jìn)行一次采集并將其存儲。

由抽樣定理可知，要保證從信號抽樣后的離散時(shí)間信號無失真地恢復(fù)原始時(shí)間連續(xù)信號（即抽樣不會導(dǎo)致任何信息丟失），必須滿足：信號是頻帶受限的(信號頻率區(qū)間有限)；采樣率至少是信號最高頻率的兩倍。利用NE564鎖相環(huán)芯片將參考光進(jìn)行16倍頻后，倍頻信號作為觸發(fā)信號，可以滿足抽樣定理。這樣即可保證在待采集信號頻率不穩(wěn)定的情況下，采集到不失真的信號。www.51kaifa.com

ADμC842芯片是一種內(nèi)嵌MCU 的高性能多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 只是內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器有限, 加上62512芯片這種快閃存儲器可解決這些問題。最后將采集好的信號進(jìn)行FFT變換得到光譜信號，可以很直觀的觀察到光的頻域特性，進(jìn)而可以解決兩種頻率不同的光同時(shí)射入波長計(jì)中造成計(jì)數(shù)值錯(cuò)誤的問題。www.51kaifa.com

3.3 工作原理

3.3.1 DMA允許與響應(yīng)

單片機(jī)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時(shí)或進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)對DMA置低以便禁止DMA狀態(tài)。當(dāng)DMA允許為１時(shí)，進(jìn)入DMA預(yù)備狀態(tài)，等待外部觸發(fā)信號輸入。 DMA觸發(fā)信號可以是周期信號的過零脈沖，也可以是單脈沖信號放大整形輸出。DMA允許后的第一個(gè)觸發(fā)脈沖到來，單片機(jī)開始數(shù)據(jù)采集和傳送。

3.3.2 數(shù)據(jù)線與地址線的控制

總線的選擇控制由ALE允許信號控制兩組74LS373三態(tài)鎖存器，使其分別處于開通和高阻狀態(tài)。P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，采用分時(shí)復(fù)用功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和地址信號分時(shí)在同一物理線路下傳輸。

2 信號采集系統(tǒng)原理框圖

3.3.3 DMA塊數(shù)據(jù)傳輸

在主程序開頭，CPU預(yù)先通過指令把要輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)送入DMA控制器中的計(jì)數(shù)器，并把這些輸入數(shù)據(jù)在內(nèi)存存放的起始地址送給DMA控制器中的地址寄存器。然后，CPU便可執(zhí)行主程序中的其它程序，同時(shí)也是等待DMA控制器發(fā)來的中斷請求。

3.3.4 響應(yīng)過程的結(jié)束

DMA控制器把地址寄存器中的輸入數(shù)據(jù)在內(nèi)存的地址發(fā)送給內(nèi)存儲器，并控制把數(shù)據(jù)端口中輸入數(shù)據(jù)存入內(nèi)存儲器的相應(yīng)存儲單元，然后使計(jì)數(shù)器減1并判斷它是否等于0。如果其內(nèi)容不為0，（采集數(shù)據(jù)量不足），則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件編寫

4.1下位機(jī)軟件編寫

為適應(yīng)不同工作情況的需求,ADμC842 片內(nèi)ADC 模塊內(nèi)的所有部件都能方便地通過3個(gè)SFR寄存器來設(shè)置：

(1)ADCCON1 —控制轉(zhuǎn)換和采樣時(shí)間

MD1 MD0：控制ADC的工作模式。二者的不同取值分別對應(yīng)著ADC掉電；ADC正常工作；不執(zhí)行轉(zhuǎn)換周期時(shí)ADC掉電；不執(zhí)行轉(zhuǎn)換周期ADC待機(jī)的四種工作模式。

CK1 CK0：設(shè)置送入ADC時(shí)鐘的主時(shí)鐘分頻系數(shù)?？蛇x分頻系數(shù)分別為2、4、8、32。

AQ1 AQ0：選擇采樣保持電路采樣輸入信號的時(shí)間。可選的采樣時(shí)鐘數(shù)為1、2、3、4個(gè)ADC時(shí)鐘。

T2C：當(dāng)該位被置1時(shí)，將由定時(shí)器2的溢出中斷來啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。

EXC：當(dāng)該位被置1時(shí)，將由外部引腳CONVST的外部輸入信號來啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。

(2)ADCCON2 —控制ADC 通道選擇和轉(zhuǎn)換模式www.51kaifa.com

ADCI：ADC 中斷標(biāo)志位。在ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)由硬件置位；當(dāng)MCU 響應(yīng)中斷服務(wù)子程序時(shí)由硬件清除。

DMA：DMA 模式使能位。置1 時(shí)啟動(dòng)ADC 的DMA 模式進(jìn)行工作。

CCONV：連續(xù)轉(zhuǎn)換位。置1 時(shí)ADC 進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。www.51kaifa.com

SCONV：單次轉(zhuǎn)換位。置1 時(shí)開始單個(gè)轉(zhuǎn)換周期；轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)SCONV 位自動(dòng)復(fù)位至0。

CS3 CS2 CS1 CS0：通道選擇位。0—7對應(yīng)8個(gè)模擬輸入通道，8為溫度傳感器，15 為停止DMA工作。

(3)ADCCON2 —ADC 狀態(tài)指示

BUSY：ADC 忙狀態(tài)位。

其為只讀狀態(tài)位，為1 時(shí)表示ADC正處在轉(zhuǎn)換周期或校準(zhǔn)周期中。

其余位：保留。

在DMA模式下，無需單片機(jī)控制，系統(tǒng)可以自動(dòng)將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入指定的位置。DMA 方式用于對快變信號的某一段時(shí)間的采樣,可以通過上位機(jī)對這一段時(shí)間的信號進(jìn)行精確的譜分析。

4.2上位機(jī)軟件編寫

上位機(jī)軟件采用VB可視化編程工具。采用多線程方式編寫接收、發(fā)送和處理命令字節(jié)。界面中顯示采集數(shù)據(jù)結(jié)果。數(shù)據(jù)接收由串口通信來完成，上位機(jī)部分還可提供數(shù)據(jù)趨勢顯示功能，可動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢。數(shù)據(jù)趨勢圖用折線圖表示。在同一直角系中可顯示被測參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。

圖 4 通過VT RS232上位機(jī)程序再現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的圖形及再現(xiàn)圖形

5. AD采樣調(diào)試結(jié)果

如圖3所示，用信號發(fā)生器發(fā)出兩種波形，抽樣波形為方波，待采樣波形為鋸齒波，以便驗(yàn)證DMA模式的A/D轉(zhuǎn)換的正確性，做了如下的實(shí)驗(yàn)。

待采樣波形為鋸齒波經(jīng)過DMA轉(zhuǎn)換后，通過程序DeBug V2可以通過RS232通信串口，在PC機(jī)上在線看數(shù)據(jù)，如圖4?？梢则?yàn)證，采集數(shù)據(jù)的正確性，可以證明DMA工作正常。

6． 結(jié)論

ADμC842 作為一種新型的微控制器, 具有一般單片機(jī)所不能比擬的強(qiáng)大功能。它內(nèi)部集成的8 通道高精度ADC , 同時(shí)在ADC采集的時(shí)候能夠采用外部觸發(fā)連續(xù)轉(zhuǎn)化的DMA 模式, 采集頻率高達(dá)420kHz。本課題主要利用ADμC842 的ADC模塊的外部觸發(fā)DMA模式, 實(shí)現(xiàn)了對激光波長計(jì)內(nèi)部的信號的高速大容量采集,達(dá)到了預(yù)期的效果，為多波長的測量技術(shù)的研究提供了前期方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):目前國內(nèi)大多數(shù)基于邁克爾遜原理的波長計(jì)采用簡單的光電轉(zhuǎn)換、倍頻和計(jì)數(shù)的方式測量激光波長值，雖然精度越來越高，但當(dāng)射入多波長值的激光時(shí)，測量就會發(fā)生錯(cuò)誤。本系統(tǒng)利用雙路光跟蹤采集信號的方法，通過參考光信號觸發(fā)外部DMA功能實(shí)現(xiàn)對待測光信號的采集，克服了這一缺陷，可以測量多波長的激光值。

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