CN101839768A

CN101839768A - 一种基于cpld和labview的便携式光纤光谱仪

Info

Publication number: CN101839768A
Application number: CN201010171799A
Authority: CN
Inventors: 隋成华; 杨洋; 童建平; 魏高尧
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2010-09-22

Abstract

一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂可编程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；CPLD负责产生CCD正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送计算机进行后期处理。本发明的有益效果：性能稳定、分辨率高、灵敏度高、体积小、功耗低、价格低、使用方便。

Description

一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪

技术领域

本发明属于光电检测仪器领域，尤其是光谱测量技术领域，具体涉及是便携式光纤光谱仪。

背景技术

光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具，是现代天文、化学、物理各研究领域和生产领域的有利工具。随着科学技术的发展，在地矿勘探、生物医学、环境检测等领域对光谱仪器提出了微型化的要求。与以往的大型光谱仪器相比，便携式光谱仪具有体积小、重量轻、功耗低、使用灵活、性价比高等优点；同时微型光谱仪可以作为光电接口设备与光纤探头联合使用，使测量更加方便。便携式光纤光谱仪的研究越来越受到重视，成为了目前世界各国光谱仪器研制的热点。据资料不完全统计，在光谱仪器领域，国外有8家知名生产厂商而国内有7家主要生产厂商；在便携式光谱仪器领域，国外有7家知名厂商而国内仅有两家，而且多为便携式分光光度计。此外国外还有众多的微型光谱仪生产厂家，有着相当高的销售额，总体来说，国内的微型光谱仪市场几乎被国外仪器垄断。因此，研究和开发高性能、多功能、低成本以及具有完全自主知识产权的便携式光谱仪具有一定的实际意义。

光谱仪中的光电探测器CCD的驱动电路有四种设计方案：EPROM驱动、IC驱动、单片机驱动以及可编程逻辑器件驱动。在专利《一种便携式光谱仪》(101532878)中，CCD时序是由单片机产生的。单片机驱动方法与EPROM方法有些相似，EPROM方法每改变地址就输出新的状态数据。单片机法每改变一次端口输出指令就改变了输出数据。在这种设计方法中，硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷。可编程逻辑器件(PLD)设计法实现的系统集成度高、速度快、可靠性好。系统每一功能模块完成后可单独仿真，整个系统完成时也可以在计算机上进行仿真，不需要外部仪器就可以检查修改设计中的问题。PLD包括CPLD和FPGA，在《基于CCD的小型化光谱仪的设计与研究》一文中采用的是FPGA芯片EPIC3T144C8来产生CCD驱动时序，它的上位机的光谱处理软件的设计采用的是Visual Basic6.0。FPGA属于小粒度PROM型单元，集成规模大，包含的基本单元多，但是单元处理能力较弱、工作速度通常较低；脱机使用时需要与PROM联用，不能加密，延时不可预测，适用于逻辑相对简单的数据密集型系统。对于应用程序，可以采用VB、VC++等语言来编写。这些语言都能够与系统底层硬件相联系，但是在用VC++、VB等语言编写软件的过程要编写大量的代码。

发明内容

为了解决现有便携式光谱仪光电探测器CCD的驱动电路存在资源浪费较多、频率较低的缺陷，本发明提供了一种在保证光谱仪微型化的同时实现宽光谱高分辨率的测试要求的基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪。

本发明的技术方案：

一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于：包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂可编程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器CCD，所述光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件CPLD负责产生CCD正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；所述A/D转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送上位机进行后期处理。

进一步，所述两片发射镜是非球面凹面反射镜，分别是准直物镜和聚焦物镜。

进一步，所述光谱探测器CCD与A/D转换电路之间设有信号调理电路，所述信号调理电路将电信号进行放大和降噪处理。

进一步，所述上位机采用LABVIEW软件进行光谱分析。

入射光通过入射光纤、经过狭缝、进入到准直物镜准直后，入射到闪耀光栅上，经过闪耀光栅分光入射到聚焦物镜，最后聚焦于CCD上，进行相应的信号采集。

入射光束经光学系统准直分光后，按波长顺序聚焦于CCD探测器的像敏面上，由CCD探测器将其转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理。CPLD负责产生CCD正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号。单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送上位机进行后期处理。

上位机利用LABVIEW开发光谱分析，其功能模块包括通信、CCD暗电流的处理及滤波，波长定标，峰值探测，波形显示，文件保存等。

利用基于CPLD设计的硬件电路代替集成电路可以有效的减小电路板面积，从而减小光谱仪器的体积；利用LABVIEW虚拟仪器软件开发光谱仪的上位机应用程序，具有功能强大、人机交互界面友好、使用灵活等优点。

本发明的有益效果：波长宽、性能稳定、分辨率高、灵敏度高、体积小、功耗低、价格低、重量轻、使用方便。

附图说明

图1是光学平台的设计原理图；

图2是系统硬件电路原理框图；

图3是信号调理电路图；

图4是信号高速采集与存储系统图；

图5是CPLD内部功能各模块框架结构关系图；

图6是CPLD顶层文件的设计输入图；

图7是JSXS3文件的设计输入图；

图8是利用CPLD产生的采集一帧图像仿真波形图；

图9是放大的CCD时序仿真图。

具体实施方式

下面结合图1～9对本发明作进一步说明：

参照图1、图2，一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅G；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂可编程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器CCD，所述光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件CPLD负责产生CCD正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；所述A/D转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送上位机进行后期处理。

所述两片发射镜是非球面凹面反射镜，分别是准直物镜M1和聚焦物镜M2。

所述光谱探测器CCD与A/D转换电路之间设有信号调理电路，所述信号调理电路将电信号进行放大和降噪处理。

所述上位机采用LABVIEW软件进行光谱分析。

本发明中的闪耀光栅G为600线/mm，闪耀波长为400mm闪耀角为7.4°，闪耀方向为13.9°。

所述信号调理电路采用的是AD8041芯片，电路图见图3。图4所示的是信号高速采集与处理系统图，CCD选用的是东芝公司的TCD1304AP，实际有效的光敏单元为3648个光电二极管，A/D选用的是12位高速AD9223芯片，所以至少需要3648/1024K×12(约为3.56K×8)的存储单元，因此选用两片6264(8K×8)存储器来存储A/D转换后的数字信号。单片机开机复位后，置P1.0为0，置P1.1为0，置P1.2为0，置P1.5为高，置P1.7为低，P3.0和P3.1均置为高，此时6264处于写状态，与门A1和A2截断了clk信号进入，即计数器不能工作，此时将这两个计数器清零，之后等待ICG下降沿到来，单片机P3.2检测到ICG为低的时候，置P1.2为高电平，此时and1还不能让CLK通过，当ICG再变为高电平时CLK通过，这时计数器C1就开始计数了，从D0数到D31以及S1，即计数到33便产生溢出，这时单片机检测到P1.4为高电平，再将P1.0置为高，这时与门A2就开通让CLK信号通过，提供给A/D芯片时钟信号，这样A/D就开始工作了，同时由于经过或门和非门后的低电平后使得两片6264被选通，这样转换后的数据就可以存储于6264中，当然这要配合计数器C2产生地址，计数器二的时钟信号也是CLK，这样就可以同步控制A/D转换和存储，当存完所有数据时，计数器C2将产生溢出信号，单片机检测到P1.6为高电平时，将置P1.7为高，隔离A/D和存储器，再置P1.0为低电平，不让CLK信号进入，最后置P3.0、P3.1为0，再让单片机产生读脉冲P1.1，让其进入计数器C2作为计数器C2的时钟，将RAM里存储的数据分时复用的传输到CPU，再由CPU通过USB接口送到PC机。

图5是CPLD内部功能各模块框架结构关系，CPLD芯片选用的是Altera公司的EPM7064S，它属于Altera公司CPLD器件MAX7000系列，是基于乘积项的CPLD适于实现高速、复杂的组合逻辑。EPM7064S拥有1250个可用门和在系统可编程(ISP)功能，并保证擦除100次以上。通过Altera公司的设计软件QUARTUS II软件提供的层次化的设计，顶层文件采用的是图形块输入设计法，在图形文件中调用VHDL文本设计各个模块元件。图中的六个模块COUNTERC1、COUNTERC2、DIV12、CCDSHIXU1、ADSHIXU1、COUNTERICG1模块均由VHDL文本输入方式设计。图6是设计的顶层文件结构，图7是模块JSXS3的内部结构。

当完成CPLD设计后，采集一帧图像仿真的图如图8所示，图中o_m_clk为2MHz，将直接输出至CCD，o_ad_clk是o_m_clk的四分频。它是A/D转换的时钟，将不会立即输出，原因是CCD第一个工作周期采光的数据将在第二个工作周期输出。CCD驱动时序如图9所示。

利用Labview开发光谱分析，其功能模块包括通信、CCD暗电流的处理及滤波，波长定标，峰值探测，波形显示，文件保存等。在Labview环境下进行USB通信，必须在Labview库中有可执行的USB节点函数，通过此节点函数可以将Labview与USB底层驱动相连接，只有这样才可以通过Labview软件对该USB设备进行读写操作和控制。虽然在Labview环境下Labview本身并没有提供与USB底层驱动相连接动态库，但是通过Labview的“调用库函数节点”模块可以很容易地调用自己开发或者其他公司提供的硬件设备的驱动程序。数据处理部分我们应用LABVIEW功能模块(Functions Palette)上“数组”(Array)和“分析”(Analyze)库中的众多模块处理数据。“峰值检测”(Waveform Peak Detection)模块实现“带阈值的多极值查找”功能，只需设定查找目标和阈值，输入数据，就会输出此阈值上的多个峰(谷)的位置、幅值等信息。如果仅需最大峰，则可以使用“数组最值”(ArrayMax&Min)模块。用“写电子表格文件”(Write To Spreadsheet File)模块实现数据的保存，“读电子表格文件”(Read form Spreadsheet File)模块实现数据导入功能，设定已存数据文件路径、选择读取部分还是全部数据，就可以输出波长和对应光强组成的二维数据。光谱图的显示使用坐标图(XY Graph)控件。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims

1.一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于：包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂可编程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器CCD，所述光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件CPLD负责产生CCD正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；所述A/D转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送上位机进行后期处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于：所述两片发射镜是非球面凹面反射镜，分别是准直物镜和聚焦物镜。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于：所述光谱探测器CCD与A/D转换电路之间设有信号调理电路，所述信号调理电路将电信号进行放大和降噪处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于：所述上位机采用LABVIEW软件进行光谱分析。