CN104406694A - 便携式光谱仪数据采集处理与显示系统 - Google Patents

Abstract

一种便携式光谱仪数据采集处理与显示系统。CPLD时序驱动电路产生驱动脉冲信号、时钟脉冲信号及地址信号；CMOS光电探测阵列及读出电路在时钟脉冲信号的控制下检测待测量光束，将检测到的光信号转换成电信号，将电信号输出至前端放大电路；前端放大电路对电信号经过前端处理后将信号传递给AD转换电路；AD转换电路在时钟脉冲信号的控制下将从前端放大电路接收的处理后的电信号模数转换成数字信号，而且将数字信号传递给主控单元；主控单元根据从CPLD时序驱动电路接收的驱动脉冲信号、时钟脉冲信号以及地址信号，向存储器发送存储控制指令；存储器从CPLD时序驱动电路接收地址信号，并在主控单元的存储控制指令的时序控制下对数字信号进行存储。

Description

便携式光谱仪数据采集处理与显示系统

技术领域

本发明涉及光谱数据检测领域，特别涉及一种便携式光谱仪数据采集处理与显示系统。 

背景技术

光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理,对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备,广泛应用于化学分析、农业生产、环境监测、临床检验、工业检测以及航空航天遥感等领域。微型光谱仪中一般采用光栅分光。 

光谱仪器的电路部分主要包括线阵CCD(电荷耦合器件)探测器及外围电路，还包括微型光谱仪数据采集模块，例如A/D转换及接口设计等。在工作时，光束由狭缝进入微型光谱仪内部，经凹面光栅分光后汇聚到线阵CCD上，CCD将光信号转换为电信号由数据采集电路获取并传送给上位机。 

但是，传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足，不能满足现场检测、实时监测的要求。对于微型光谱仪来说，CCD器件本身的暗电流噪声、积分期间电荷注入噪声、转移期间电荷损失噪声出放大器噪声、信号数字化过程中可能产生的高频噪声、及信号传输过程中环境因素可能产生的随机噪声，使得在光谱功率比较低时，噪声引起的曲线很粗糙，不光滑。在微型光谱仪测量光源色度的应用中，通过对微型光谱仪输出的原始光谱信息进行处理，得到需要的色度信息，所以为了提高处理结果的准确性，有必要对原始光谱数据进行预处理，使噪声及无用信号的影响降到最小，提高微型光谱仪测量参数的准确性。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种体积小，测试速度快，实时性好，适用多种场合，具备无线通信接口，随时随地上传光谱数据的微型光谱数据采集处理与显示设备。 

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，包括：CMOS光电探测阵列及读出电路、CPLD时序驱动电路、前端放大电路、AD转换电路、存储器、主控单元和显示装置；其中，CPLD时序驱动电路产生并向主控单元传递用于光电探测器工作的驱动脉冲信号、用于AD转换电路执行模数转换的时钟脉冲信号、以及用于存储器的地址信号；CMOS光电探测阵列及读出电路从CPLD时序驱动电路接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下检测待测量光束，将检测到的光信号转换成电信号，而且将电信号输出至前端放大电路；前端放大电路对电信号经过前端处理后将处理后的电信号传递给AD转换电路；AD转换电路从CPLD时序驱动电路接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下将从前端放大电路接收的处理后的电信号模数转换成数字信号，而且将数字信号传递给主控单元；主控单元根据从CPLD时序驱动电路接收的驱动脉冲信号、时钟脉冲信号以及地址信号，向存储器发送存储控制指令；存储器从CPLD时序驱动电路接收地址信号，并在主控单元的存储控制指令的时序控制下对数字信号进行存储。 

优选地，主控单元从存储器读取数字信号，并且将读出的数字信号传递给显示装置。 

优选地，主控单元和显示装置之间采用WIFI通信。 

优选地，显示装置包括LCD显示屏。 

优选地，显示装置包括触摸显示屏。 

优选地，前端处理包括放大处理。 

优选地，CMOS光电探测阵列及读出电路包括1×64的CMOS光电探测阵 列。 

优选地，所述存储器为静态RAM。 

优选地，所述存储器为先入先出静态RAM。 

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中： 

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统的功能框图。 

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统采用的具体时序控制示例。 

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。 

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。 

为了降低光谱采集系统中硬件电路的复杂性，使便携式光谱采集与显示设备更为小型化，本发明提出了一种基于CMOS线阵光电探测器的光谱采集系统设计方案。该光谱采集系统主要包括高灵敏度的1×64光电探测阵列及相关读出电路，基于CPLD(Complex Programable Logic Device)的光电探测器时序驱动电路，为使采集数据得以直观进行测试该系统还包括STM32F407作为主控单元的数据处理、显示及无线传送模块。该光谱采集系统在微光条件具有较好的信噪比及应用前景。 

具体地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的便携式光谱仪数据 采集处理与显示系统的功能框图。 

如图1所示，根据本发明优选实施例的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统包括：CMOS光电探测阵列及读出电路10、CPLD时序驱动电路20、前端放大电路30、AD转换电路40、存储器50、主控单元60和显示装置70。 

其中，CPLD时序驱动电路20产生并向主控单元60传递用于光电探测器工作的驱动脉冲信号、用于AD转换电路40执行模数转换的时钟脉冲信号、以及用于存储器50的地址信号等。CPLD时序驱动电路20配合主控单元60(微控制器)一起保证整个系统的运行和工作。 

CMOS光电探测阵列及读出电路10从CPLD时序驱动电路20接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下检测待测量光束，将检测到的光信号转换成电信号，而且将电信号输出至前端放大电路30。 

前端放大电路30对电信号经过诸如放大之类的前端处理后将处理后的电信号传递给AD转换电路40。 

AD转换电路40从CPLD时序驱动电路20接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下将从前端放大电路30接收的处理后的电信号模数转换成数字信号，而且将数字信号传递给主控单元60。 

主控单元60根据从CPLD时序驱动电路20接收的驱动脉冲信号、时钟脉冲信号以及地址信号，向存储器50发送存储控制指令。 

存储器50从CPLD时序驱动电路20接收地址信号，并在主控单元60的存储控制指令的时序控制下对数字信号进行存储。 

主控单元60可以从存储器50读取数字信号，并且将读出的数字信号传递给显示装置70，由此可以将采集的值实时显示在LCD屏幕上，也可以通过触摸屏按键观察数据的折线图和柱状图。相应的，例如，显示装置70包括LCD显示屏或触摸显示屏。 

更具体地说，对于光电探测器件与读出电路芯片，需要为读出电路提供相应的时序控制，才能保证芯片正常的工作。下面描述可以采用的具体时序控制 示例。 

在具体实施例中，时序控制板主要采用了CPLD时序驱动电路20的CPLD时序驱动及基于STM32的主控单元60。时钟信号Cp、循环控制信号(即数字最后一位输出信号)Td、复位信号Reset、第一路采样输出控制信号Sh1和第二路采样输出控制信号Sh2的具体实现波形图如图2所示。 

在CMOS光电探测阵列及读出电路10中的1×64CMOS光电探测阵列中，采用64路读出单元分别对64个像元同时并行进行采样保持；采样保持后，在后面的缓冲输出中，通过数字逻辑时序控制采用串行输出，CMOS光电探测阵列及读出电路10中的1×64CMOS光电探测阵列的数字逻辑时序控制如下图2所示，图2中可以看出由Sh1和Sh2信号在cp信号下共同控制数字D触发器(由CPLD编程实现)输出。其中D触发器重复64个单元。从而控制整个读出阵列有序的读出。CPLD输出Sh1与Sh2，Td的相关管脚与STM32主控单元相连，在Td信号的控制下在同步将Sh1及Sh2的差值信号送入到RAM(存储器50)中。每侦测到Td信号完成对64个像元的采样。 

由此，可以实现使得存储器50在主控单元60的存储控制指令的时序控制下对数字信号进行存储。 

需要说明的是，图2所示的时序图仅仅是为了便于理解而提供的本发明优选实施例所采用的具体时序控制示例，本发明显然可以采用其它适当时序进行控制。 

优选地，为了提高仪器性能，CMOS光电探测阵列及读出电路10采用了高灵敏度的1×64的CMOS光电探测阵列。 

主控单元60和显示装置70之间的数据通信可以采用WIFI模块，可随时上传光谱数据，使微型光谱仪性能更实用化。 

使用STM32F407上内置的ADC采集从CMOS光电探测阵列读出的两路信号(光信号和暗信号)，对两路信号做差(取绝对值)，得到共64个像元的数值，并将采集的值实时显示在LCD显示屏，也可以通过触摸显示屏按键观察数据的 折线图和柱状图。另外，使用wifi功能，可以把数据传输到PC，在配套的PC软件上观测、分析数据。 

在一种具体实施方式中，主控芯片(含MCU)采用的是ST公司的STM32F407，主要功能是协调各模块之间的工作，接收数据并将数据存于静态RAM，最终通过WIFI(无线收发)模块传输至PC主机或在LCD直接显示光谱及无线收发模块。采用STM32系列微控制器是因为它具有指令少、程序执行速度快、周期短和低功耗性等优点，特别是低功耗的特点，对便携式的测量仪器至关重要。 

更具体地说，待测量光束可以由光纤通过光纤稱合器导入光学系统，经过光学平台后将不同波长的光分散投射到CMOS光电探测器上的不同位置，经过光电效应转换，将光信号转化为电信号，把电信号经过放大等处理后进入AD转换部分，将模拟的电信号转换为数字信号，之后在CPLD和微控制器的配合工作下存入到存储器50(例如，静态RAM，优选地为先入先出静态RAM)中，再把数据通过无线收发模块传输到PC主机及后端触摸式LCD。 

本发明提供了一种体积小，测试速度快，实时性好，适用多种场合，具备无线通信接口，随时随地上传光谱数据的微型光谱数据采集处理与显示设备。具体地，随着新型光电探测器件与方法的不断发展，光谱仪日益微型化，集成化。光谱仪的探测接收系统是光谱仪器的重要组成部分，它的微型化对整个光谱仪的微型化起着关键作用。本发明提供了一种基于CMOS光电探测器的微型光谱仪数据采集与显示系统设计方案，该微型光纤光谱仪数据采集与显示仪硬件安装后的整体实物仪的尺寸为98mm*65mm*35mm，由此可见此次设计在尺寸上已经完成微型化的目标，另外该微型光谱仪可与PC机通过WIFI模块进行通信及数据传输同时自带触摸屏LCD显示，给光谱仪现场应用及远程数据传输带来了极大便利。 

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技 术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (9)

1.一种便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于包括：CMOS光电探测阵列及读出电路、CPLD时序驱动电路、前端放大电路、AD转换电路、存储器、主控单元和显示装置；

其中，CPLD时序驱动电路产生并向主控单元传递用于光电探测器工作的驱动脉冲信号、用于AD转换电路执行模数转换的时钟脉冲信号、以及用于存储器的地址信号；

CMOS光电探测阵列及读出电路从CPLD时序驱动电路接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下检测待测量光束，将检测到的光信号转换成电信号，而且将电信号输出至前端放大电路；

前端放大电路对电信号经过前端处理后将处理后的电信号传递给AD转换电路；

AD转换电路从CPLD时序驱动电路接收时钟脉冲信号，并且在时钟脉冲信号的控制下将从前端放大电路接收的处理后的电信号模数转换成数字信号，而且将数字信号传递给主控单元；

主控单元根据从CPLD时序驱动电路接收的驱动脉冲信号、时钟脉冲信号以及地址信号，向存储器发送存储控制指令；

存储器从CPLD时序驱动电路接收地址信号，并在主控单元的存储控制指令的时序控制下对数字信号进行存储。

2.根据权利要求1所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，主控单元从存储器读取数字信号，并且将读出的数字信号传递给显示装置。

3.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，主控单元和显示装置之间采用WIFI通信。

4.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，显示装置包括LCD显示屏。

5.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，显示装置包括触摸显示屏。

6.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，前端处理包括放大处理。

7.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，CMOS光电探测阵列及读出电路包括1×64的CMOS光电探测阵列。

8.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，所述存储器为静态RAM。

9.根据权利要求1或2所述的便携式光谱仪数据采集处理与显示系统，其特征在于，所述存储器为先入先出静态RAM。