光栅光谱仪中的高速数据采集系统

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(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

光谱仪是光谱分析中必不可缺的仪器，它的主要功能是分析物质的光谱组成，如波长、强度等.近年来，随着电荷耦合器件(Charge couple device，CCD)性能的不断提高，在光谱仪上的感光探测器件选用线阵CCD不断增多，线阵CCD能将入射光转换为信号电荷并按像元逐个输出，具有噪声低、光谱响应宽以及精度和灵敏度高等特点[1].难点在于对线阵CCD输出信号的高速采集与处理以及CCD本身需要驱动电路[2].由于需要对CCD信号的大量高速传输或数据采集，因此中断查询法不易实现，即使实现也是速度很慢.参考现有的CCD信号数据采集与处理系统，主要有两种，有基于DSP的CCD高速测量系统，使用DSP、复杂可编程逻辑器件(CPLD)和先进先出(First in first out，FIFO)存储器[3-5]；还有就是基于单片机的直接存储器存取(Direct access memory，简称DMA)方式[6]，考虑到价格因素，选用后一种方案.

单片机本身不具备DMA方式的功能，同时现有的控制芯片也无法单独完成控制.用数字逻辑电路设计了CCD驱动电路[7]和DMA控制电路，A/D转换选用AD1674，CPU选用89C52，因为89C52的P0要复用,用74HC245P作隔离.

1 系统构成

系统结构如图1所示.

图1 系统构成框图

该系统由线阵CCD、CCD驱动电路、单片机控制系统、RAM存储器、DMA传输电路和A/D转换器构成.该单片机系统采用89C52芯片，HM6264LP-70芯片作为外部64k静态RAM使用， A/D(AD1674JN)转换器的工作范围是存储器的全部64k地址，其数据在DMA周期写入，在非DMA周期由单片机读出.RAM的地址与DMA地址发生器的输出相连，RAM的数据总线与数据切换电路相连，通过控制电路，在DMA写入周期，AD1674JN转换器的数据写入RAM，在非DMA周期，RAM的数据总线切换连接至89C52的DB总线(P0口)，把写入RAM的数据读入单片机，RAM的地址由单片机控制DMA地址发生器产生，读入的数据有单片机通过USB的扩展口传递给上位机进行数据处理.驱动电路不断发出符合CCD时序的脉冲，当需要采样时，单片机通知控制电路允许驱动电路发出的同步时钟对DMA地址发生器清零，清零信号同时通知控制电路让数据切换电路把AD1674JN转换器的数据总线与RAM相连，从此控制电路接管控制AD1674JN转换器、DMA地址发生器、RAM存储器，在驱动电路的统一时钟下工作，AD1674JN转换器的数据写入RAM，单片机边处理数据边等待DMA地址发生器的溢出信号，DMA地址发生器由4个16位二进制计数器产生，DMA地址发生器的溢出信号引起单片机中断，同时通知控制电路让数据切换电路把RAM数据总线与单片机相连，单片机收回控制权，发信号给控制电路，输出时钟给控制电路，从RAM存储器中读取数据，这样就实现了CCD输出数据经A/D转换后以DMA方式的块数据采集.

2 硬件组成与信号采集电路

2.1 硬件组成

2.1.1 A/D转换器

AD1674JN芯片内部自带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器，采样频率为100 kHz，转换时间为10 μs.结合实际考虑以及为了简化电路设计，系统采用AD1674JN的单极输入连接电路(图2)，其输入模拟电压的范围在0～10 V之间，完全满足CCD实际输出信号的要求.

图2 单极输入时的连接电路

2.1.2 单片机芯片

AT89C52是一款低电压、高性能的COMS 8位单片机，它由美国ATMEL公司生产，其片内含可重复擦写的只读程序存储器(PEROM 8 kbytes)和随机存取数据存储器(RAM 256 bytes)，同时内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，设计使用其最大时钟频率为24 MHz.8255A是一款可编程输入输出接口芯片，它由Intel公司生产，其具有PA口、PB口和PC口3个8位的并行I/O口，其中PC口又分高4位口(PC7—PC4)及低4位口(PC3—PC0)，它们都能应用软件编程来改变I/O的工作方式[8].

2.1.3 线阵CCD器件

图3 CCD驱动脉冲波形

2.1.4 静态RAM、总线切换路和DMA地址发生器

静态RAM HM6264LP-70是一款高速、低功耗及带读写控制的64k的8位字节静态COMS存储器，典型存取时间为70 ns.静态RAM容量的选择有以下公式决定：

(1)

即

(2)

因此需要64k的8位字节静态COMS存储器.

2.2 信号采集电路

信号采集电路如图4所示，该电路由1片A/D转换芯片、1片静态RAM和2片16位二进制计数

图4 信号采集电路

图5 MR和信号产生电路

图6 信号采集时序图

表1 HM6264LP-70真值表

表2 AD1674JN真值表

结合实际应用，分别对工作电压为12 V的卤钨灯和工作电压为140 V的氘灯进行光谱检测，其检测光谱图如图7，8所示.

图7 卤钨灯光谱图

图8 氘灯光谱图

3 结 论

利用DMA实现单片机控制系统对线阵CCD信号的高速采集与实时处理.将此DMA电路运用于自行开发的光谱仪中，并结合C-T型光学系统，可实现对光谱测量范围为300～600 nm的线阵CCD信号高速实际采集处理.该设备的基本功能是分析物质的谱线波长、强度等，同时该光栅光谱仪由光栅，线阵CCD，放大电路，A/D转换电路，计算机等组成，可以说该设备集光机电于一体.正是由于CCD和光栅的有效结合，突破了原单色仪每次只能检测一个信号的局限，而CCD能够一次接收到分布在空间的多个信号，因此大大提高了光谱仪的工作效率.

本文得到浙江工业大学自然科学研究基金(2012XZ002)的资助。

参考文献：

[1] WANG Qing-you. Applied technology of CCD[M]. Tianjin: Publishing House of Tianjin University,2000:36-45.

[2] 徐丹阳，童建平，陈鲤江，等.基于IC的积分时间和频率可调的线阵CCD驱动[J].浙江工业大学学报，2010，38(1):67-70.

[3] XU Da-cheng, WENG Gui-rong. High-speed data acquisition system for liner array CCD[J]. Journal of Transducer Technology,2002,21(9):45-50.

[4] 沈永增，王炜，郑敏.IROM启动下的U-Boot自动烧写功能的实现[J].浙江工业大学学报，2013，41(6):651-654.

[5] 宋秀兰，吴晓波.多处理器通信机制设计[J].浙江工业大学学报，2010，38(4):426-429.

[6] WANG Xin, CHEN Ji, CAO Jiu-da, et al. High-speed data acquisition and real-time processing system for linear CCD[J]. Journal of Optoelectronics Laser,2008,19(2):174-177.

[7] ZHANG Zhi-hui, TIAN Di YANG Yi-xian. Methods for design of linear CCD driving circuit[J]. Instrument Technique and Sensor,2004(6):32-34.

[8] 张毅刚，彭喜元，姜守达，等.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004:88-92.

[9] WANG Qing-you. Application technique of image sensor[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006:106-110.