QE65000光纤光谱仪内部结构分析

裴 昊 亓夫军

（中国海洋大学，山东 青岛 266100）

1 QE65000光纤光谱仪概述

QE65000光纤光谱仪作为一种新型仪器，集探测器、光学平台和电子学的最新科技于一身，构架了一个非常灵敏的系统。因其可以提供极高的光谱响应能力和光学分辨率，故可作为科学研究提供强有力的手段。事实上，在Ocean Optics公司研发的诸多产品中，QE65000光纤光谱仪最为灵敏，具有高达90%的量子效率（量子效率被定义为光子转换为光电子的效率）、高速的信号处理速度以及高信噪比。故而在实际的科研应用中，QE65000光纤光谱仪非常适合用来测量光信号非常弱的情形，如荧光光谱、DNA序列、天文学研究，薄膜反射光测量等。

2 QE65000光纤光谱仪光学部分构成

2.1 QE65000光纤光谱仪内部构件

QE65000光谱仪内部构件及其功能：a.SMA连接器：连接光谱仪和光纤，光由输入光纤通过此连接器进入光具座；b.狭缝：位于连接器之后，可以用狭缝大小来调节进入光具座的光亮，控制光谱分辨率；c.滤光器：光在进入光具座之前，先要通过滤光器，以限制波长范围；d.准直光镜：使进入光具座的光线汇聚到光谱仪的光栅上；e.光栅：使光线发生衍射，分散后的光线打在聚焦镜上；f.聚焦镜：将光线聚焦在CCD上；g.CCD探测器：QE65000核心部件；h.OFLV滤光片：消除高阶衍射。

2.2 Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面阵探测器

QE65000光纤光谱仪采用了Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面阵探测器，分辨率为1044×64，测量波长可覆盖200-1100nm。相比于线阵CCD，面阵式CCD探测器的优点体现在两个方面。其一、面阵CCD通过内部电路对像素进行纵向的运算，显著地提高了信噪比和信号处理速度。其二、面阵CCD可以更好地利用由于狭缝高度而获得额外的入射光，大大地提高了系统的灵敏度。

由于该CCD结构为薄型背照式，所以它在紫外区具有与生俱来的极高的响应，它还可以通过板载的热电致冷器（降温达到 -15°C）来降低暗噪声，使探测器的积分时间最多提升至15分钟，大大提升微光应用下探测范围。

3 QE65000光纤光谱仪电子部分构成(见图)

QE65000光谱仪板的波长校准系数已写入QE65000的存储芯片里，通过光谱仪运行软件可简单方便地读取这些光谱仪专有参数，校准光谱仪的测试波长，以实现与PC机的快速通讯。

3.1 QE65000光谱仪芯片结构

EZ-USB FX2芯片包括1个8051处理器、1个串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)、1个 USB 收发器、8.5KB 片上 RAM、4KB FIFO存储器以及1个通用可编程接口（GPIF）。FX2是一个全面集成的解决方案，它占用更少的电路板空间，并缩短开发时间。EZ-USB FX2拥有1个独特的架构，其中包括1个智能串行接口引擎（SIE）。它执行所有基本的USB功能，将嵌入式MCU解放出来以用于实现专用的功能，并保证其持续的高性能的传输速率。FX2还包括2个通用可编程接口（GPIF），允许它“无胶粘接”，即可与任何ASIC或DSP进行连接，并且它还支持所有通用总线标准，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USB FX2完全适用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。

3.2 EZ-USB FX2 USB通讯原理

EZ-USB FX2提供了一种独持架构，使USB接口和应用环境直接共享FIFO，而微控制器可不参与数据传输但允许以FIFO或RAM的方式访问这些共享FIFO。这种被称之为“量子 FIFO”（Quantum FIFO）的处理架构，较好地解决了USB高速模式的带宽问题。

具体来说，USB执行OUT传输，将EP2端点设成512字节四重FIFO。在USB端和外部接口端都不知道有四重FIFO。USB端只要有一个FIFO为“半满”，就可以继续向外发送数据。而当FIFO写“满”时，FX2会自动将其转换至外部接口端，排除等候读取；并将USB接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到USB接口上，以供其继续写数据。外部接口端与此相似，只要有一个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，则自动将其转换到USB接口端，排除等候写入；并将外部接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到外部接口上，供其继续读取数据。

在USB协议中，定义端点作为数据的接收器和发送器。主机发送4个bit的地址和1个bit的方向来选择端点，因此USB最多可有 32个端点定义：IN0～IN15和 OUT0～OUT15。在高速模式下的端点缓存结构中，FX2定义了7个端点。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端点缓存。EP0是默认的控制传输端点，既是IN端点也是OUT端点。EP1IN、EP1OUT支持块、中断和同步传输。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件访问；而EP2、4、6和8无需固件干涉即可同片外互传高速数据。FX2端点配置方式非常灵活。EP2、4、6和8是大容量高带宽的数据传输端点，可设为IN或OUT端点的一种，能配置成多种形式以适应带宽需要。

全速模式时，每个OUT传输发送OUT数据包，并不考虑外设是否处于“忙”状态而不能接收数据。针对这种浪费带宽的情况，在高速模式时推荐使用新的PID类型“PING”。主机先对OUT端点发出个较短的“PING”，访问当前外设是否有数据空间来存放OUT的数据包。仅仅当外部设备回答“ACK”时，主机才发送较长OUT数据包。

ACK（Acknowledge）表示成功，数据接收无误。

NAK（Negative Acknowledge）表示忙，需要重新发送。

3.3 EZ-USB FX2串口连接器结构

除了采用USB通讯之外，QE65000光谱仪还备有一个30针的串口连接器，其高速电子系统还可以通过RS-232接口灵活的与各种组件和外部设备接驳，包括PC,PLC以及其他嵌入式设备。

30针串口连接器包含I2C总线系统，SPI总线系统，RS-232总线系统，10个用户可编程的数字输入/输出线以及一个外部触发线。在实际使用中一般通过PIN1(RS232 Rx):串口信号接收端；PIN 2(RS232 Tx):串口信号发送端；PIN 5(Ground):地线；PIN 12(VCC or 5VIN)5V:电源来进行串口通讯。

需要说明的是，在使用串口通讯时，QE65000光谱仪需要一个＋5V电源。同时Spectra Suite波谱软件（仪器自带软件）也不支持通过串口操作光谱仪，需要根据附带的串口命令集，自己编写软件用于串口操作。

[1]QE65000 Data Sheet.Ocean Optics

[2]QE65000 Fiber Optic Spectrometer Installation and Operation Manual.Ocean Optics