CN104374734A - 一种基于pc104总线的高性能近红外光谱分析装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光通信领域基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置及分析方法，采用何种硬件系统平台，在简化整机设计的同时，提高系统装置的可靠性、可生产性和可维修性；采用何种分光模块，可以提高红外光谱分析装置的分辨率；同时新替换的平台可兼容原有各模块，达到在简化设计的同时提高光谱仪的整体性能等问题；采用何种内部总线接口，不仅可以兼容分光模块、电机驱动模块等现有成熟模块驱动控制，而且还可以大大提高设计的集成度，整体提高数据的测量速度和整机的可靠性；采用何种系统平台，在优化控制界面，增强人机交互性的同时，完善提高数据测试和数据分析功能；结合新替换平台可以实现接口的丰富扩展，增强仪器本身的实用性和用户的应用场合等。

Description

一种基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置及分析方法

技术领域

本发明属于能近红外光谱分析技术领域，尤其涉及的是一种基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置及分析方法。

背景技术

在600nm～1700nm近红外光通信波段，专门用于测量分析激光光源、光器件和光通信传输系统的高性能近红外光谱分析仪，由于技术难度高，国内只有本单位有批量生产的产品。但是随着近年来用户对光谱测试和分析要求的不断提高，本单位原有国内采用单片机作为系统主控和数据处理模块的高性能光谱仪的缺陷越来越突出。

目前，国外有类似功能的仪器，但是由于国外对国内技术保密尚未发现与之相同的设计方案，而可查询的国内唯一应用于光通信领域的基于转动光栅的高性能大动态范围近红外光谱仪的系统设计方案框图如下图1所示：包括双通光栅单色仪、探测器、跨阻抗放大器、A/D、电源、电机驱动模块、单片机1、单片机2、接口模块、控制电路、键盘、LCD显示、打印机及软驱。

在原有的600nm～1700nm近红外光谱仪装置中，具有以下缺点：(1)通过两片单片机作为装置主控及数据处理分析平台，而由于单片机的系统资源有限，而且为串行工作模式，不利于大型的控制系统设计。因此原有设计中采用了大量的引脚复用，而且为实现系统逻辑控制，原有设计中利用了大量的74系列逻辑芯片进行逻辑设计，以上设计缺陷导致光谱分析仪装置系统设计复杂，系统可靠性、可生产性、可维修性变差，增加了仪器的重量和成本；(2)为实现整机入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双通光栅单色仪分光模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块等的协调操作，两片单片机在工作过程中不断的实施检测中断的产生，以相互交换对总线的控制权，导致整机的运作速度相对较慢；(3)由于单片机的时钟频率和工作模式的限制，导致数据处理的速度过慢，数据处理的效果不足，人机用户的操作性相对较差等缺陷；(4)从上图1中可以看到，原有分析装置仍然集成了软驱功能，增加设计复杂度、重量和成本，降低了可靠性，而且已远不具有实用性；(5)由于原有平台的局限性，没有以太网口、无线传输等功能，而且没有VGA接口，不能外接显示器，而原有LCD显示器又比较小，对一款高性能光谱分析仪来讲也是其一个很大的短板，不利于其应用领域的拓展。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置及分析方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置，其中，包括入射狭缝电机模块，用于调节入射狭缝宽度，从而调节进入双通光栅单色仪中的光通量；双通光栅单色仪分光模块，用于对进入到光谱分析装置中的待测光信号进行光谱分光作用；旋转光栅直流电机模块，用于调节光谱分光波长与光栅角度的关系，实现双通光栅单色仪分光模块中波长角度关系；光轴准直电机模块，用于对双通光栅单色仪中的光路进行准直校准；光衰减器电机模块，用于通过打开光衰减器，调节双通光栅单色仪输出光信号后进入到探测器的光强大小；用于出射狭缝电机模块：调节输出双通光栅单色仪的光通量及光谱分辨率；双色探测器，用于将双通光栅单色仪分光后的输出光信号转换为电信号；放大滤波模块，用于对双色探测器光电转后的模拟信号进行放大及滤波；AD转换模块：对放大滤波后的光谱信号进行AD转换；PC104总线接口模块，用于将AD转换后的数字数据通过PC104总线接口传输到主控机，进行处理；主控机，用于对采集到的光谱数据进行分析处理，同时实现光谱分析装置各参数的设置。

所述的基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置的分析方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：选好XP系统平台、双通光栅单色仪分光模块后，在分析整机入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块的逻辑工作方式之后，采用PC104总线接口作为主控CPU与下端各模块的控制和数据通信总线；

步骤2：采用FPGA作为下位机的数据处理和控制芯片，利用FPGA产生局部总线，协调入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块的逻辑工作方式；

步骤3：装置加电开机后，仪器首先进行各功能状态的自检，自检通过后若进行一次测量时，首先设置相应的中心波长、光谱扫描带宽、光衰减倍数、视频带宽、光谱分辨率；

步骤4：通过PC104总线接口发送到下位机数据控制和处理电路，通过下位机的局部总线控制芯片的逻辑控制，将各项指令发送到入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块；

步骤5：入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双通光栅单色仪分光模块、双色探测器模块开始工作的同时，启动数据采集和处理单元，采集到的数据再通过局部传输总线经PC104接口传输到主处理器平台，做数据处理及显示；

步骤6：主处理器设置实时检测入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、放大滤波模块的工作状态，并将状态结果反馈到主处理器；如遇到异常工作状态，设置主处理器自动调整工作状态，或设置测试人员手动设置，以使光谱分析装置工作在最佳状态。

采用上述方案以实现下述目标：(1)在拥有国内唯一高性能基于双通光栅单色仪技术的光谱仪基础上，重新规划设计方案，发明一种具有更高可靠性、可生产性和可维修性；重量更轻；功能更强大的光谱分析装置；(2)采用何种内部总线接口，不仅可以兼容原有光模块、电机驱动等现有成熟模块驱动控制，减少不必要的控制时间损耗，而且还可以大大提高设计的集成度，减少不必要的外围电路，整体提高数据的测量速度，减小仪器本身的重量；(3)采用新的系统平台之后，可对软件进行重新设计，在优化控制界面的同时，使其数据测试和数据分析功能更加强大，以适应新时代下光通信领域的快速发展；同时可在高性能的平台下设计软件，增强人机交互性，软件升级更加方便；(4)采用新的系统平台之后，可对系统装置外部通信接口进行扩展，如增加VGA显示接口、以太网接口、无线传输等通信功能，同时采用更大的显示器和触摸操作增强仪器的实用性。

附图说明

图1现有技术中利用单片机作为主控模块的系统示意图。

图2为本发明基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置系统框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明的装置,如图2所示,包括：入射狭缝电机模块1：调节入射狭缝宽度，从而调节进入双通光栅单色仪中的光通量；双通光栅单色仪分光模块2：对进入到光谱分析装置中的待测光信号进行光谱分光作用；旋转光栅直流电机模块3：调节光谱分光波长与光栅角度的关系，实现双通光栅单色仪分光模块中波长角度关系；光轴准直电机模块4：对双通光栅单色仪中的光路进行准直校准；光衰减器电机模块5：通过打开光衰减器，调节双通光栅单色仪输出光信号后进入到探测器的光强大小；出射狭缝电机模块6：调节输出双通光栅单色仪的光通量及光谱分辨率；双色探测器7：将双通光栅单色仪分光后的输出光信号转换为电信号；放大滤波模块8：对双色探测器光电转后的模拟信号进行放大及滤波；AD转换模块9：对放大滤波后的光谱信号进行AD转换；PC104总线接口模块10：将AD转换后的数字数据通过PC104总线接口传输到主控机，进行处理；主控机11：对采集到的光谱数据进行分析处理，同时实现光谱分析装置各参数的设置。

本发明装置的分析方法的如下：

(1)在600nm～1700nm高性能近红外光谱仪装置中使用成熟的XP作为主控系统平台，进行功能模块控制、数据处理；

(2)选好XP系统平台、双通光栅单色仪分光模块之后，在分析整机入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块的逻辑工作方式之后，决定采用PC104总线接口作为主控CPU与下端各模块的控制和数据通信总线；

(3)选定好系统平台和接口控制方式之后，经过综合分析决定采用FPGA作为下位机的数据处理和控制芯片，利用FPGA产生局部总线，协调入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双通光栅单色仪分光模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块的逻辑工作方式，整机装置的系统框图；

(4)装置加电开机后，仪器首先进行各功能状态的自检，自检通过后若进行一次测量时，首先通过CPU软件参数设置界面，设置好相应的中心波长、光谱扫描带宽、光衰减倍数、视频带宽、光谱分辨率等参数；

(5)根据步骤(4)所设置的参数，通过PC104总线接口发送到下位机数据控制和处理电路，通过下位机的局部总线控制芯片的逻辑控制，将各项指令发送到入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双通光栅单色仪分光模块、双色探测器模块、放大滤波模块等；

(6)根据步骤(5)所传来的参数，各相应模块开始工作；

(7)各测量模块开始正常工作之后，同时启动AD数据采集和处理单元，采集到的数据再通过局部传输总线经PC104接口传输到主处理器平台，做更进一步的数据处理、显示；

(8)在步骤(1)～(7)工作的同时，主处理器要实时检测光谱仪装置的工作状态，并将各模块的状态结果反馈到主处理器，如遇到异常工作状态，要么主处理器自动调整工作状态，要么测试人员手动设置，以使光谱分析装置工作在最佳状态。

本发明针对以上现有技术的缺点，提出一种在XP系统下的基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置，以实现下述目标：(1)在拥有国内唯一高性能基于双通光栅单色仪技术的光谱仪基础上，重新规划设计方案，发明一种具有更高可靠性、可生产性和可维修性；重量更轻；功能更强大的光谱分析装置；(2)采用何种内部总线接口，不仅可以兼容原有光模块、电机驱动等现有成熟模块驱动控制，减少不必要的控制时间损耗，而且还可以大大提高设计的集成度，减少不必要的外围电路，整体提高数据的测量速度，减小仪器本身的重量；(3)采用新的系统平台之后，可对软件进行重新设计，在优化控制界面的同时，使其数据测试和数据分析功能更加强大，以适应新时代下光通信领域的快速发展；同时可在高性能的平台下设计软件，增强人机交互性，软件升级更加方便；(4)采用新的系统平台之后，可对系统装置外部通信接口进行扩展，如增加VGA显示接口、以太网接口、无线传输等通信功能，同时采用更大的显示器和触摸操作增强仪器的实用性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置，其特征在于，包括入射狭缝电机模块，用于调节入射狭缝宽度，从而调节进入双通光栅单色仪中的光通量；双通光栅单色仪分光模块，用于对进入到光谱分析装置中的待测光信号进行光谱分光作用；旋转光栅直流电机模块，用于调节光谱分光波长与光栅角度的关系，实现双通光栅单色仪分光模块中波长角度关系；光轴准直电机模块，用于对双通光栅单色仪中的光路进行准直校准；光衰减器电机模块，用于通过打开光衰减器，调节双通光栅单色仪输出光信号后进入到探测器的光强大小；用于出射狭缝电机模块：调节输出双通光栅单色仪的光通量及光谱分辨率；双色探测器，用于将双通光栅单色仪分光后的输出光信号转换为电信号；放大滤波模块，用于对双色探测器光电转后的模拟信号进行放大及滤波；AD转换模块：对放大滤波后的光谱信号进行AD转换；PC104总线接口模块，用于将AD转换后的数字数据通过PC104总线接口传输到主控机，进行处理；主控机，用于对采集到的光谱数据进行分析处理，同时实现光谱分析装置各参数的设置。

2.如权利要求1所述的基于PC104总线的高性能近红外光谱分析装置的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选好XP系统平台、双通光栅单色仪分光模块后，在分析整机入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块的逻辑工作方式之后，采用PC104总线接口作为主控CPU与下端各模块的控制和数据通信总线；

步骤2：采用FPGA作为下位机的数据处理和控制芯片，利用FPGA产生局部总线，协调入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双色探测器模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块的逻辑工作方式；

步骤3：装置加电开机后，仪器首先进行各功能状态的自检，自检通过后若进行一次测量时，首先设置相应的中心波长、光谱扫描带宽、光衰减倍数、视频带宽、光谱分辨率；

步骤4：通过PC104总线接口发送到下位机数据控制和处理电路，通过下位机的局部总线控制芯片的逻辑控制，将各项指令发送到入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、放大滤波模块、AD转换模块、PC104总线模块；

步骤5：入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、双通光栅单色仪分光模块、双色探测器模块开始工作的同时，启动数据采集和处理单元，采集到的数据再通过局部传输总线经PC104接口传输到主处理器平台，做数据处理及显示；

步骤6：主处理器设置实时检测入射狭缝电机模块、旋转光栅直流电机模块、光轴准直电机模块、光衰减器电机模块、出射狭缝电机模块、放大滤波模块的工作状态，并将状态结果反馈到主处理器；如遇到异常工作状态，设置主处理器自动调整工作状态，或设置测试人员手动设置，以使光谱分析装置工作在最佳状态。