CN105223173A - 一种可本地进行数据操作的荧光光谱测量仪 - Google Patents

Abstract

一种可本地进行数据操作的荧光光谱测量仪，本仪器包括：主控制器11、电源模块21、通信模块31、存储模块41、数据采集模块51、电机控制模块61、显示模块71。在本仪器中，电机控制模块控制光栅和狭缝使数据采集模块采集到序列采样点的荧光数据，经本地处理器处理后存储在本地；显示模块将结果显示在本地显示器上；通讯模块通过通信接口与其它通信设备连接并传输数据；以上各模块的协调运行都依赖于本地主控制器。本发明的主要特点就是在下位机本地完成数据采集、数据存储、数据处理与分析和结果显示等全部内容，在光学检测、生物化学分析、工业自动检测、天文研究等领域都有重要应用。

Description

一种可本地进行数据操作的荧光光谱测量仪

技术领域：

本发明涉及光学检测、生物化学分析、工业自动检测、天文研究等领域的荧光光谱测量技术。

背景技术：

光谱仪器是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器，它是利用物质对光的选择吸收和发射现象进行物质的定性和定量分析的光电式分析仪器。各种物质都有其特定的发射和吸收光谱，也就是说光谱能够反映物质的特性，据此可以辨别特定物质的存在与否和含量多少。光谱仪器已经广泛地应用于各种光学检测、生物化学分析、工业自动检测、天文研究等领域，能够完成对物质辐射的研究、对光与物质相互作用的研究、对物质结构及其能级分布与变化的研究、对物质的定性和定量的光谱分析以及星体的研究等。目前光谱仪存在以下几个方面的问题：一是光谱仪本身只能采集数据，对数据的分析需要上位机完成；二是不能在本测量仪上显示采集到的数据，不能满足用户实时直观与分析数据要求；三是没有存储设备，不能满足突发事件发生时对数据的保护要求。

发明内容：

本发明的目的是克服现在光谱仪器测量光谱存在的问题，提供一种能独立地完成数据的采集、分析、显示、储存、传输，并且效率更高的光谱测量仪。

为了实现上述目的，本发明采用嵌入式ARM11芯片作为光谱仪的中央处理单元，完成相应的主控制器功能，技术方案是：一种可本地处理的荧光光谱测量仪器。光谱仪包括主控制器、电源模块、数据采集模块、电机控制模块、通信模块、显示模块、存储模块。通过电机控制模块控制光栅和狭缝的位置选择，进而完成数据采集，显示模块显示采集结果，数据存储到存储模块，通讯模块可以建立与其它机器的联系，方便信息传输。以上各模块的协调运行都依赖于主控制器的强大运行能力。

主控制器采用ARM11作为处理器，ARM11具有数量众多的外围接口，丰富的功能模块和高速的运算速率不仅能够使用一片主控制器把基本电路都连接起来，而且可以完美的支持嵌入式操作系统。主控器ARM11控制光谱仪的电机、电压、光源、数据采集等而使其成为协作的整体。

显示模块使用带有触摸功能的LCD。LCD能够直观的显示采集到的光谱数据，触摸屏可以输入对光谱仪的设置参数，方便人机交互。

存储模块使用支持热插拔的SD卡存储，SD卡不仅能够有效保存数据，而且可以方便地和其他机器进行数据传输

数据采集模块中的AD转换采用多通道AD转换芯片，前级放大电路可以实现不同输入量级的信号采集。

本发明的有益效果是：本测量装置使用ARM11作为主控制器，运算速率高，内存空间大，能够加载操作系统，独立地完成数据的采集、分析、显示、储存、传输；并且ARM11具有丰富的引脚，可以使用一片主控制器连接采集、显示、储存、传输等电路，使电路结构简化，功耗降低，可靠性得到提高。带触摸功能的LCD能够方便用户对光谱数据进行本地处理。在本装置中使用多通道AD转换芯片，能够同时采集光谱信号和激发光强信号，提高测量数据的准确性。本测量装置的设计也符合电子产品低功耗、高可靠、小型化的要求，定会在未来光谱测量领域得到广泛使用

附图说明：

图1荧光光谱仪功能框图

图中：11、主控制器；21、电源模块；31、通讯模块；41、存储模块；51、数据采集模块；61、电机控制模块；71、显示模块。

图2荧光光谱电路结构图

具体实施方式：

为了能够更清楚的了解各模块之间的相互作用及各模块的具体电路结构，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

由图1可知，光谱仪包括主控制器11、电源模块21、通信模块31、存储模块41、数据采集模块51、电机控制模块61、显示模块71。启动电源后，用户在显示模块71的LCD上输入命令，主控器11解析命令，然后调节电机控制模块61的步进电机的运行状态，启动数据采集模块51。采集结果经主控制器11分析后显示在LCD屏上，存储在存储模块41的SD卡中。其他设备可通过通信模块31与光谱仪进行交互。

图2为光谱仪具体电路结构图。其中主控制器采用s3c6410，此芯片资源丰富，有众多的引脚、丰富的外设接口、快速的运算速率，能够很好的满足本光谱仪的需求。

电源模块21由稳压电源1和按键2组成，由于本仪器不同芯片所需电源大小不同，例如主控制器电压为3.3V，电机和电机驱动芯片电压为24V，运算放大器和模拟开关芯片电压为正负12V，A/D转换芯片电压为5V，所以需要不同类型的稳压电源1。按键2的作用是为了启动电源。

显示模块71由LED3和LCD4组成，LED需要两个，一个是为了指示光谱仪的电源是否正常，另一个为了说明光谱仪中各个电机工作是否正常；LCD显示光谱仪的操作界面。为了能够清楚地观察采集数据，进行光谱仪设定，本仪器采用尺寸为8英寸、分辨率为600X800的DMT80600C080_01T四线电阻式触摸显示屏。

存储模块41采用SD卡5，SD卡不仅支持热插拔，而且存取速度快。本仪器采用容量为8G的SD卡。

通讯模块31使用USB6通信，USB较串口具有更大的传输速度，更强的抗干扰性，能够保证数据快速可靠的传输。

数据采集模块51由激发光强采集模块7、荧光光强采集模块8和光电倍增管电压控制模块9组成。荧光光强采集模块8采集荧光数据，以便用户分析；激发光强采集模块7和光电倍增管电压控制模块9分别采集激发光强和控制光电倍增管电压，它们的作用是为了使采集到的荧光数据更便于观察。在激发光强采集模块7和荧光光强采集模块8中，多倍放大电路中分别采用OPA627、AD8521作为前后端集成放大器，模拟开光使用D5201G，AD转换芯片使用AD7606-4，它具有多路转换通道，而且转换速率快、转换精度高。在光电倍增管电压控制模块9中，使用DA0802作为DA转换芯片，OPA627作为放大芯片。

本发明中设有步进电机控制模块，该模块包括电机驱动芯片10、12，和光电开关11，并通过电机驱动芯片10控制两个狭缝电机，通过电机驱动芯片12控制两个扫描电机和一个斩波电机。荧光光谱仪由激发单色仪和发射单色仪组成，每个单色仪又由衍射光栅和控制狭缝组成。扫描电机控制激发单色仪和发射单色仪衍射光栅的转动速度，狭缝电机控制激发单色仪和发射单色仪的狭缝宽度，斩波电机带动斩波片转动以产生磷光，光电开光主要完成电机的复位功能。两个扫描电机采用PK264M-01B型步进电机，扫描电机的驱动采用SLA7033M芯片；两个狭缝电机采用P43G型步进电机，扫描电机的驱动采用mp4301芯片；斩波电机采用SY42STH38-1206A型步进电机，同扫描电机一样，斩波电机的驱动采用的SLA7033M芯片；光电开关的型号是GK1220型。

光谱仪内具体过程为：由光源发出的光被聚光镜会聚后进入激发单色仪的入射狭缝，通过扫描电动机带动激发单色仪衍射光栅转动，然后由出射狭缝输出不同波长的单色光照射到样品池上。在单色光束的照射下，样品池中的样品发出的荧光进入发射单色仪的入射狭缝，通过扫描电动机带动发射单色仪的衍射光栅转动，然后由出射狭缝输出单色荧光。单色荧光经过光电倍增管变成电信号，电信号再经过模拟信号处理电路的放大和A/D转换电路的模数转换变成数字信号，数字信号送入主控制器，主控制器分析处理后在LCD屏上显示测量结果，最后用户观察数据并存储测量结果。

用户具体的测量步骤为：1.在LCD屏上输入配置信息，包括激发波长、激发狭缝、发射波长、发射狭缝、光电倍增管电压、灵敏度、测量次数等，然后光谱仪按照设定的参数工作。2.等待测量结束，LCD上显示测量结果，用户观察分析数据。3.用户将数据存储在SD卡中，并给数据命名，以便查找。

Claims (6)

1.一种可本地进行数据操作的荧光光谱测量仪，其特征在于：包括用于为测量仪提供电源的电源模块；用于控制光栅和狭缝位置电机控制模块；用于荧光数据采集的数据采集模块；用于对采集的数据进行显示的显示模块；用于对采集的数据进行储存的存储模块；用于通过网络与其它带有通信设备的机器联系并传输数据的通讯模块；以及用于上述各模块协调运行的主控制器。

2.根据权利要求1所述荧光光谱测量仪，其特征在于主控制器采用ARM11作为处理器，以ARM11上运行的嵌入式操作系统作为软件的支撑平台，实现电机转动控制、光源强度控制、数据采集和处理等操作。

3.根据权利要求1所述荧光光谱测量仪，其特征在于所述的显示模块设有触摸屏，用于显示测量仪工作状态、显示数据采集模块采集到荧光数据、完成测量仪操作和参数设置。

4.根据权利要求1所述的荧光光谱测量仪，其特征在于存储模块使用支持热插拔的SD卡。

5.根据权利要求1所述荧光光谱测量仪，其特征在于所述的数据采集模块由激发光强采集模块、荧光光强采集模块和光电倍增管电压控制模块组成，其中荧光光强采集模块采集荧光数据，用于用户分析；激发光强采集模块和光电倍增管电压控制模块分别采集激发光强和控制光电倍增管电压，使采集到的荧光数据便于观察。

6.根据权利要求5所述荧光光谱测量仪，其特征在于，所述的激发光强采集模块和荧光光强采集模块中的AD转换采用多通道多量程控制，用于不同强度的多路信号采集。