CN110346310A - 一种油料光谱仪及其光谱信号采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油料光谱仪及其光谱信号采集电路，电路包括：CCD模块，包括驱动电路和至少一个CCD芯片；AD转换模块，与CCD芯片电连接，将CCD芯片输出的模拟信号转换为数字信号并输出；数据采集模块，与AD转换模块电连接，增大AD转换模块输出的数字信号；数据存储模块，与数据采集模块电连接，接收存储数据采集模块输出的数字信号；MCU控制模块，包括微处理器以及与微处理电连接的晶振电路；微处理器与数据存储模块电连接以读写其中的数据；输出模块，与MCU控制单元连接，通过串口线将数据传输至上位机。通过采用本电路，可以实现多个CCD芯片的光谱信号采集、存储处理，同时，通过对CCD驱动电路动态参数的调整，使得能够适用于多种CCD芯片。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测设备技术领域，具体涉及一种油料光谱仪及其光谱信号采集电路。
背景技术
油料光谱仪是为油液分析而开发的专用型光谱仪。传统的光谱仪一般较多地使用光电倍增管(PMT)作为光探测器，光电倍增管是依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成的将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。虽然可以实现光谱采集，但是存在着体积大、只能单通道采集等缺点，难以满足高灵敏度的采集使用要求。
鉴于此，现有技术中出现了基于CCD光电转换的油料光谱仪。CCD(charge coupleddevices)是一种电荷耦合器件，作为图像传感器，它的基本功能是将接收到的光信号转换成电信号。CCD芯片具有体积小、灵敏度高、低噪声、动态响应范围宽等优点，因此被广泛应用于数码相机和全谱光谱仪等高精度的光学检测仪器中。
然而，现有基于CCD的油料光谱仪普遍存在可采集CCD芯片数目少，适配CCD芯片有限，有的只能采集一个CCD芯片数据等缺陷。而且涉及到产品的稳定性、低功耗、低成本方面还有所欠缺。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中可采集CCD芯片数目少，适配CCD芯片有限，有的只能采集一个CCD芯片数据等缺陷，从而提供一种油料光谱仪及其光谱信号采集电路。
本发明提供的一种油料光谱仪的光谱信号采集电路，包括：
CCD模块，包括驱动电路和由所述驱动电路驱动的至少一个CCD芯片，所述CCD芯片光电转换后输出模拟信号；
AD转换模块，与所述CCD芯片电连接，将所述CCD芯片输出的模拟信号转换为数字信号并输出；
数据采集模块，与所述AD转换模块电连接，增大所述AD转换模块输出的数字信号；
数据存储模块，与所述数据采集模块电连接，接收存储所述数据采集模块输出的数字信号；
MCU控制模块，包括微处理器以及与所述微处理电连接的晶振电路；所述微处理器与所述数据存储模块电连接以读写其中的数据；
输出模块，与所述MCU控制单元连接，通过串口线将数据传输至上位机。
可选的，所述晶振电路采用11.0592MHz。
可选的，所述AD转换模块包括转换芯片，所述转换芯片对应所述CCD芯片采用三通道构架，每个所述通道均包括输入钳位电路、相关双采样器、DAC和可编程增益放大器。
可选的，所述数据存储模块包括片外静态随机存储器，所述片外静态随机存储器包括用于所述微处理读写数据的使能引脚、输出允许引脚和写入允许引脚三个引脚。
可选的，还包括电源模块，所述电源模块包括供电模块和DC－DC转换模块，所述DC－DC转换模块具有输出供电的供电端。
可选的，所述DC－DC转换模块包括分别输出+5V和+3.3V电压的低压差线性稳压器。
可选的，所述输出模块为包含USB芯片的USB转换模块。
本发明同时提供了一种油料光谱仪，包括上述任一项所述的光谱信号采集电路。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的一种油料光谱仪的光谱信号采集电路，首先，采用CCD作为图像传感器，具有体积小，灵敏度高、低噪声以及动态响应范围宽等优点，可以满足高灵敏度的采集使用要求；其次，通过采用本发明提供的光谱信号采集电路，可以实现多个CCD芯片的光谱信号采集、存储处理，同时，通过对CCD驱动电路动态参数的调整，使得此光谱信号采集电路能够适用于多种CCD芯片，从而具有普遍性，可以实现低功耗和低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的第一种实施方式中提供的一种油料光谱仪的光谱信号采集电路原理示意图；
图2为图1中供电模块的电路原路图；
图3为图1中MCU控制模块的电路原理图；
图4为图1中AD转换模块的电路原理图；
图5为图1中数据采集模块的电路原理图；
图6为图1中数据存储模块的电路原理图；
图7为图1中USB转换模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1至图7示出了本发明提供的一种油料光谱仪的光谱信号采集电路实施例。
该光谱信号采集电路包括电源模块、CCD模块、MCU控制模块、数据采集模块，数据存储模块和USB模块。
电源模块为光谱信号采集电路的正常工作提供合适的电源电压，其包括供电模块和DC－DC转换模块。如图2所示，供电模块采用12VDC电源供电，J13为DC－DC转换模块连接供电模块以输入电源的接线端子。C31、C44、C43、C46、C45为滤波电容。D1为整流二极管，起过压保护作用。U10(LM2940CS)和U9(TS2940)均为低压差线性稳压器，相比于一般稳压器，压差小，功耗低，精度高。12V经滤波电容滤波后，在U10和U9分别输出+5V和+3.3V电压。
为了保证光谱信号采集电路的处理能力与工作的可靠性高，以及低电压，低功耗，采用单片机作为微处理器。MCU控制模块分别与电源模块、数据采集模块，数据存储模块以及USB模块连接。
图3示出了本发明实施例提供的MCU控制模块电路原理图。U1为8位微处理器C8051F132，64个I/O口，输入电压3V－3.6V。其不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，还能进行位的逻辑运算，稳定简单，功能完备。微处理器U1连接有包含晶体震荡器的晶振电路，Y1为晶体震荡器。晶振Y1的作用是为系统提供基本的时钟信号，通过时钟控制技术，极大地改善了油料光谱仪的工作效率。
本实施例中，晶振电路采用11.0592MHz。较现有技术中许多晶振电路采用24MHz或12MHz，如此设计，首先使用低功耗模式，降低单片机发热量；其次，更容易实现4800、9600等标准波特率，适应范围广，具有普遍性。
CCD模块包括CCD驱动电路和CCD芯片，CCD芯片在CCD驱动电路的作用下工作，将接收的光信号进行光电转换后输出模拟信号。通过对CCD驱动电路动态参数的调整，使得此光谱信号采集电路能够适用于多种CCD芯片。
AD转换模块与CCD芯片电连接，将CCD芯片输出的模拟信号转换为电路可处理的数字信号。图4示出了本发明实施例提供的AD转换模块电路原理图。该AD转换模块包括转换芯片U4、U8(AD9826)，转换芯片U4、U8用于将CCD发出的模拟信号转换为数字信号，其为完整的16位成像信号处理器，采用三通道构架，用于对三线彩色CCD阵列的输出进行采样和处理。每个通道均由输入钳位电路、相关双采样器(CDS)、DAC和可编程增益放大器(PGA)组成，并通过多路复用方式接入一个高性能16位ADC，最高速率可达15MSPS。其中，引脚22、26为Analog Input信号脚，7－14脚为输出脚Data Output。
图5示出了本发明实施例提供的数据采集模块电路原理图。数据采集模块电路包括驱动芯片U3和U5(SN74HC244DWR)。CCD芯片接收的光信号并转化为电信号，从J1、J2、J3、J4接线端子发送到驱动芯片U3和U5，驱动芯片U3和U5增大接收的电流信号，以便该信号能更好地被存储模块识别、存储。驱动芯片U3和U5中3、5、7、9和12、14、16、18脚为Bus Outputs脚。
经数据采集模块增大的电流信号输出至数据存储模块。
请参考图6，数据存储模块包括片外静态随机存储器SRAM(IDT71V124SA10PHI)。IDT71V124SA10PHI是一款使用IDT的高性能、高可靠性CMOS技术的128K＊8高速静态RAM，只需要3.3V供电，管脚少，能够有效地减少了噪音的产生，并且满足了电路对数据存取高速、高效、稳定的需求。通过/CS使能引脚、/OE输出允许引脚、/WE写入允许引脚三个引脚，MCU控制模块可以有序地控制数据读写。
图7示出了本发明实施例提供的USB转换模块电路原理图。该USB转换模块采用USB芯片FT245BL，主要功能是在内部硬件逻辑的作用下，实现USB串行数据格式和并行数据格式的双向转换，具有干扰小、稳定快速的优势。FT245BL是并行FIFO双向数据传输的USB芯片。该芯片无需编写片内固件程式，对于微处理器它提供8位并行数据总线D0～D7，对于外部主机是标准串行总线或虚拟接口，其数据传输速率最高可达1MB/s，提供USB1.1/2.0规范的全速物理接口，支持UHCI/OHCI/EHCI主控制器。整个电路，采用FT245BL典型拓扑电路，通过和EEPROM93LC46B结合，具有干扰小、连接稳定，数据传输快的优势，而且相对其他USB芯片，成本不高，使用灵活方便。
该光谱信号采集电路的工作过程为：
待测样品激发后发出的光，经分光系统分光后投射到CCD模块上，通过CCD驱动电路驱动，在经过CCD芯片光电转换后，输出的模拟信号经过AD转换模块，形成的数字信号传送给数据采集模块，数据采集模块增大数字信号后传输至数据存储模块；经过采集、接收存储传送到微处理器，再通过微处理器上的USB串口接口，经USB线将采集到的数据传输给上位机。
本发明提供的一种油料光谱仪的光谱信号采集电路，首先，采用CCD作为图像传感器，具有体积小，灵敏度高、低噪声以及动态响应范围宽等优点，可以满足高灵敏度的采集使用要求；其次，通过采用本发明提供的光谱信号采集电路，可以实现多个CCD芯片的光谱信号采集、存储处理，同时，通过对CCD驱动电路动态参数的调整，使得此光谱信号采集电路能够适用于多种CCD芯片，从而具有普遍性，可以实现低功耗和低成本。
作为另一种实施方式，可设置多个CCD芯片，该光谱信号采集电路可以实现多个CCD芯片的光谱信号采集、存储处理。
作为另一种实施方式，CCD模块可采用CMOS模块代替。
本发明同时提供了一种油料光谱仪实施例，该油料光谱仪包括上述实施例中的光谱信号采集电路。经测试，采用上述光谱信号采集电路的油料光谱仪在使用中，能够稳定、高效的检测不同油样中最高可超过35个元素含量。显然，本发明提供的光谱信号采集电路可应用于其他非接触式测量设备。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种油料光谱仪的光谱信号采集电路，其特征在于，包括：
CCD模块，包括驱动电路和由所述驱动电路驱动的至少一个CCD芯片，所述CCD芯片光电转换后输出模拟信号；
AD转换模块，与所述CCD芯片电连接，将所述CCD芯片输出的模拟信号转换为数字信号并输出；
数据采集模块，与所述AD转换模块电连接，增大所述AD转换模块输出的数字信号；
数据存储模块，与所述数据采集模块电连接，接收存储所述数据采集模块输出的数字信号；
MCU控制模块，包括微处理器以及与所述微处理电连接的晶振电路；所述微处理器与所述数据存储模块电连接以读写其中的数据；
输出模块，与所述MCU控制单元连接，通过串口线将数据传输至上位机。
2.根据权利要求1所述的光谱信号采集电路，其特征在于：所述晶振电路采用11.0592MHz。
3.根据权利要求1或2所述的光谱信号采集电路，其特征在于：所述AD转换模块包括转换芯片，所述转换芯片对应所述CCD芯片采用三通道构架，每个所述通道均包括输入钳位电路、相关双采样器、DAC和可编程增益放大器。
4.根据权利要求1所述的光谱信号采集电路，其特征在于：所述数据存储模块包括片外静态随机存储器，所述片外静态随机存储器包括用于所述微处理读写数据的使能引脚、输出允许引脚和写入允许引脚三个引脚。
5.根据权利要求1－4中任一项所述的光谱信号采集电路，其特征在于：还包括电源模块，所述电源模块包括供电模块和DC－DC转换模块，所述DC－DC转换模块具有输出供电的供电端。
6.根据权利要求5所述的光谱信号采集电路，其特征在于：所述DC－DC转换模块包括分别输出+5V和+3.3V电压的低压差线性稳压器。
7.根据权利要求1－4中任一项所述的光谱信号采集电路，其特征在于：所述输出模块为包含USB芯片的USB转换模块。
8.一种油料光谱仪，其特征在于：包括权利要求1－7中任一项所述的光谱信号采集电路。
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