CN109696244B - 一种基于fpga的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，包括激光探测器及信号整形电路、频压转换电路、减法器、模拟PID电路、电子开关Ⅱ、控制线Ⅱ、FPGA、D/A转换电路、起始力电路、电子开关Ⅰ、方向可控电路、控制线Ⅰ、控制线Ⅲ、光耦电路、功放电路、音圈马达；本发明通过对频压转换电路中电位器的调整，可微调动镜扫描速度，这样可满足技术指标对速度的要求。FPGA本身在电路设计中有很多其它功能，加上对动镜的控制，是对FPGA的充分利用，减轻了主控CPU的负担，解决了资源浪费和CPU各功能之间的竞争，使系统运行更加可靠，高效。频压转换电路和模拟PID电路的双重运用，使得动镜扫描更加平稳、可靠、均匀。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析仪器技术领域，涉及一种傅立叶变换红外光谱仪内部动镜扫描控制模块。
背景技术
傅立叶变换红外光谱仪的核心是干涉仪，目前干涉仪大多采用传统的迈克尔逊干涉仪或其变形，干涉仪内部主要包括分束器、动镜和定镜，激光和红外光束在干涉仪内部各自形成干涉，动镜的运动造成相干光束的光程差的变化，进而造成探测器探测到的干涉信号的变化，动镜运动速度的均匀性、稳定性、扫描速度可微调性直接影响到干涉仪的技术性能指标。
目前，大多数新式迈克尔逊干涉仪多采用CPU芯片加光栅编码器加模拟PID控制器，或CPU为控制芯片的数字PID控制器作为动镜扫描的驱动模块来驱动音圈式直流电机，如果单独用CPU芯片控制模块是一种资源浪费，如果CPU还用于其他控制和数据处理则会造成各功能之间的竞争，造成仪器的不稳定性。
本申请中涉及的英文缩写解释如下：
1、FPGA:现场可编程门阵列
2、PID控制:比例-积分-微分控制
3、D/A转换:把数字量转化成模拟量的过程
4、CPU：中央处理器
发明内容
现在大多数新式迈克尔逊干涉仪的动镜运动速度均匀性、稳定性基本上都能达到设计要求，但是扫描速度不可微调性和背景技术中提到的资源浪费和CPU各功能之间的竞争问题依然存在。
为了解决这些问题，发明了一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，包括激光探测器及信号整形电路1、频压转换电路2、减法器3、模拟PID电路4、电子开关Ⅱ5、控制线Ⅱ6、FPGA7、D/A转换电路8、起始力电路9、电子开关Ⅰ10、方向可控电路11、控制线Ⅰ12、控制线Ⅲ13、光耦电路14、功放电路15、音圈马达16；
所述FPGA7通过控制线Ⅰ12与电子开关Ⅰ10连接；所述FPGA7通过控制线Ⅱ6与电子开关Ⅱ5连接；所述FPGA7通过控制线Ⅲ13与方向可控电路11连接，所述FPGA7与D/A转换电路8连接，所述D/A转换电路8与减法器3连接，所述D/A转换电路8还与起始力电路9连接，所述起始力电路9与电子开关Ⅰ10连接，所述电子开关Ⅰ10与方向可控电路11连接；
所述激光探测器及信号整形电路1与FPGA7连接，所述激光探测器及信号整形电路1还与频压转换电路2连接，所述频压转换电路2与减法器3连接，所述减法器3与模拟PID电路4连接，所述模拟PID电路4与电子开关Ⅱ5连接，所述电子开关Ⅱ5与方向可控电路11连接；
所述方向可控电路11与功放电路15连接，所述功放电路15与音圈马达16连接,所述音圈马达16上固定有动镜；
所述光耦电路14与FPGA7连接；
所述激光探测器及信号整形电路1包括：光电二极管、运算放大器、门电路等电子元件；用于对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路2和FPGA7；所述频压转换电路2包括：频压转换芯片LM331、电位器Ⅰ和阻容元件；用于接收激光探测器及信号整形电路1输出的方波，并将方波进行频压转换，转换为电压，作为动镜扫描控制模块的反馈信号，接在频压转换电路2中芯片LM331参考端脚的电位器Ⅰ可调整频压输出比例；
所述FPGA7用于控制所述动镜扫描控制模块的运行；所述FPGA7接收激光探测器及信号整形电路1输出的方波，FPGA7中的计数器用于记录动镜的扫描距离和监测动镜的扫描速度；所述FPGA7还用于输出初始力数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8用于接收FPGA7输出的初始力数字数据，将初始力数字数据转换为初始力模拟信号，输出至起始力电路9，所述起始力电路9包括：运算放大器；用于将初始力模拟信号进行放大，并将放大后的初始力模拟信号通过电子开关Ⅰ10传输至方向可控电路11；
所述FPGA7还用于输出匀速数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8用于接收FPGA7输出的匀速数字数据，将匀速数字数据转换为匀速模拟信号，输出至减法器3；
所述减法器3包括：运算放大器和电阻；用于将经D/A转换电路8转换出的匀速模拟信号和经频压转换电路2转换后的电压作差；
所述模拟PID电路4包括：运算放大器、电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ和阻容元件；电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ可调节PID参数，使得动镜的扫描更加均匀，更加稳定，抗干扰能力更强，通过电子开关Ⅱ5传输至方向可控电路11；
所述方向可控电路11包括：电子开关Ⅲ和运算放大器；用于控制电信号方向，所述功放电路15包括：功放元件和阻容元件；用于驱动音圈马达16；所述音圈马达16用于接收功放电路15输出的控制信号，根据电流方向和大小做往复直线运动；
所述光耦电路14包括：光耦元件和电阻元件，所述光耦电路14把产生的起始位信号传给FPGA7作为定位信号。
所述电子开关Ⅰ10和电子开关Ⅱ5的芯片是ADG433，所述FPGA7的芯片是XC6SLX9。
在扫描开始时，所述FPGA7给出初始力数字数据并输出至D/A转换电路8转换，所述D/A转换电路8将初始力数字数据转换为初始力模拟信号并传输至起始力电路9，所述FPGA7通过控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，所述FPGA7通过控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5关闭，所述FPGA7通过控制线Ⅲ13控制方向可控电路11中的电子开关Ⅲ打开，所述初始力模拟信号通过起始力电路9、电子开关Ⅰ10输出至方向可控电路11，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜加速向前运动。
所述激光探测器及信号整形电路1探测到的激光干涉方波信号输入到FPGA7，FPGA7通过其内部的计数器，测量出激光干涉方波信号的周期，转化为频率，当其与设定速度频率值相等时，即达到设定速度；所述动镜加速到设定速度时，所述FPGA7输出匀速数字数据至D/A转换电路8；所述D/A转换电路8接收FPGA7输出的匀速数字数据，将匀速数字数据转换为匀速模拟信号，输出至减法器3；所述激光探测器及信号整形电路1对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路2并将方波进行频压转换，将方波转换为电压并输出至减法器3，所述减法器3将匀速模拟信号和经频压转换电路2转换后的电压做差，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10关闭，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5打开，模拟PID电路4工作，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜匀速向前运动。
所述激光探测器及信号整形电路1探测到的激光干涉方波信号，输入到FPG变换A7，FPGA7通过其内部的计数器，测量出激光干涉方波信号数量，当其与设定方波数相等时，即达到设定距离。当所述动镜匀速运动到设定距离时，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5关闭，控制线Ⅲ13控制方向可控电路11中的电子开关Ⅲ关闭，所述方向可控电路11控制电信号方向并将电信号传输至功放电路15，所述功放电路15接收电信号后用于驱动音圈马达16运动，所述音圈马达16带动动镜向后返回。
当动镜返回到起始位置，光耦电路14把产生的返回信号传给FPGA7，由FPGA7决定是否开始新一轮扫描，或停止扫描。
本发明的有益效果是：
1、通过对频压转换电路中电位器的调整，可微调动镜扫描速度，这样可满足技术指标对速度的要求。
2、FPGA本身在电路设计中有很多其它功能，加上对动镜的控制，是对FPGA的充分利用，减轻了主控CPU的负担，解决了资源浪费和CPU各功能之间的竞争，使系统运行更加可靠，高效。
3、频压转换电路和模拟PID电路的双重运用，使得动镜扫描更加平稳、可靠、均匀。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明的结构框图。
附图标记
1、激光探测器及信号整形电路
2、频压转换电路
3、减法器
4、模拟PID电路
5、电子开关Ⅱ
6、控制线Ⅱ
7、FPGA
8、D/A转换电路
9、起始力电路
10、电子开关Ⅰ
11、方向可控电路
12、控制线Ⅰ
13、控制线Ⅲ
14、光耦电路
15、功放电路
16、音圈马达
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，包括激光探测器及信号整形电路1、频压转换电路2、减法器3、模拟PID电路4、电子开关Ⅱ5、控制线Ⅱ6、FPGA7、D/A转换电路8、起始力电路9、电子开关Ⅰ10、方向可控电路11、控制线Ⅰ12、控制线Ⅲ13、光耦电路14、功放电路15、音圈马达16；
所述FPGA7作为控制核心，通过外接的D/A转换电路8，为动镜提供初始力和针对各种扫描速度克服阻力的力，使得动镜在开始运动时实现加速和在扫描完全程后实现减速转向，以及在有效采集区域实现匀速运动。
所述一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，在扫描开始时，FPGA7给出一系列初始力数字数据，通过D/A转换电路8转换为模拟信号，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5关闭，控制线Ⅲ13控制方向可控电路11，使扫描方向向前，音圈马达16带着动镜向前驱出。
光耦电路14把产生的起始位信号传给FPGA7做为定位信号。
当动镜被加速到设定速度时，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10关闭，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5打开，模拟PID电路4工作，使动镜匀速运动。
激光探测器及信号整形电路1将激光干涉信号放大整形为方波，一路进入FPGA7内的计数器，用于记录动镜扫描的距离。另一路进入到频压转换电路2，频压转换电路2将方波信号转换为电压输出至减法器3，所述减法器3用于将频压转换电路2输出的电压与FPGA7给出的保持动镜匀速运动的电压值做差，这样当动镜运动速度不均匀时，产生的电压变化，得到及时调整。
当FPGA7内的计数器记录的扫描距离达到预定值时，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10打开，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ关闭，控制线Ⅲ控制方向可控电路11，使扫描方向向后，音圈马达16带着动镜向后返回。
当动镜被加速到设定速度时，由控制线Ⅰ12控制电子开关Ⅰ10关闭，控制线Ⅱ6控制电子开关Ⅱ5打开，模拟PID电路4工作，使动镜匀速运动。
当动镜返回到起始位置，光耦电路14把产生的返回信号传给FPGA7，由FPGA7决定是否开始新一轮扫描，或停止扫描。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，包括激光探测器及信号整形电路(1)、频压转换电路(2)、减法器(3)、模拟PID电路(4)、电子开关Ⅱ(5)、控制线Ⅱ(6)、FPGA(7)、D/A转换电路(8)、起始力电路(9)、电子开关Ⅰ(10)、方向可控电路(11)、控制线Ⅰ(12)、控制线Ⅲ(13)、光耦电路(14)、功放电路(15)、音圈马达(16)；
所述FPGA(7)通过控制线Ⅰ(12)与电子开关Ⅰ(10)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅱ(6)与电子开关Ⅱ(5)连接；所述FPGA(7)通过控制线Ⅲ(13)与方向可控电路(11)连接，所述FPGA(7)与D/A转换电路(8)连接，所述D/A转换电路(8)与减法器(3)连接，所述D/A转换电路(8)还与起始力电路(9)连接，所述起始力电路(9)与电子开关Ⅰ(10)连接，所述电子开关Ⅰ(10)与方向可控电路(11)连接；
所述激光探测器及信号整形电路(1)与FPGA(7)连接，所述激光探测器及信号整形电路(1)还与频压转换电路(2)连接，所述频压转换电路(2)与减法器(3)连接，所述减法器(3)与模拟PID电路(4)连接，所述模拟PID电路(4)与电子开关Ⅱ(5)连接，所述电子开关Ⅱ(5)与方向可控电路(11)连接；
所述方向可控电路(11)与功放电路(15)连接，所述功放电路(15)与音圈马达(16)连接，所述音圈马达(16)上固定有动镜；
所述光耦电路(14)与FPGA(7)连接；
所述激光探测器及信号整形电路(1)包括：光电二极管、运算放大器、门电路电子元件；用于对激光干涉信号进行探测、放大、整形为方波，并将方波输出至频压转换电路(2)和FPGA(7)；
所述频压转换电路(2)包括：频压转换芯片LM331、电位器Ⅰ和阻容元件；用于接收激光探测器及信号整形电路(1)输出的方波，并将方波进行频压转换，转换为电压，作为动镜扫描控制模块的反馈信号，接在频压转换电路(2)中芯片LM331参考端脚的电位器Ⅰ用于调整频压输出比例；
所述FPGA(7)用于控制所述动镜扫描控制模块的运行；所述FPGA(7)接收激光探测器及信号整形电路(1)输出的方波，FPGA(7)中的计数器用于记录动镜的扫描距离和监测动镜的扫描速度；所述FPGA(7)还用于输出初始力数字数据至D/A转换电路(8)；所述D/A转换电路(8)用于接收FPGA(7)输出的初始力数字数据，将初始力数字数据转换为初始力模拟信号，输出至起始力电路(9)，所述起始力电路(9)包括：运算放大器；用于将初始力模拟信号进行放大，并将放大后的初始力模拟信号通过电子开关Ⅰ(10)传输至方向可控电路(11)。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述FPGA(7)还用于输出匀速数字数据至D/A转换电路(8)；所述D/A转换电路(8)用于接收FPGA(7)输出的匀速数字数据，将匀速数字数据转换为匀速模拟信号，输出至减法器(3)。
3.如权利要求2所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述减法器(3)包括：运算放大器和电阻；用于将经D/A转换电路(8)转换出的匀速模拟信号和经频压转换电路(2)转换后的电压作差。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述模拟PID电路(4)包括：运算放大器、电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ和阻容元件；电位器Ⅱ、电位器Ⅲ、电位器Ⅳ用于调节PID参数，通过电子开关Ⅱ(5)传输至方向可控电路(11)。
5.如权利要求1或4所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述方向可控电路(11)包括：电子开关Ⅲ和运算放大器；用于控制电信号方向，所述功放电路(15)包括：功放元件和阻容元件；用于驱动音圈马达(16)；所述音圈马达(16)用于接收功放电路(15)输出的控制信号，根据电流方向和大小做往复直线运动。
6.如权利要求1所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述光耦电路(14)包括：光耦元件和电阻元件，所述光耦电路(14)把产生的起始位信号传给FPGA(7)作为定位信号。
7.如权利要求1所述的基于FPGA的傅立叶变换红外光谱仪动镜扫描控制模块，其特征在于，所述电子开关Ⅰ(10)和电子开关Ⅱ(5)的芯片是ADG433，所述FPGA(7)的芯片是XC6SLX9。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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