CN112013957A - 多通道采集快速解调检测系统、检测方法以及光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电信号的调制解调检测技术领域，具体地而言为一种多通道采集快速解调检测系统、检测方法以及光谱仪。微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路；多通道模数转换器单元接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元，由微控制器单元的采样控制信号控制多通道模数转换器单元；整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器单元；微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号。本发明在保证检测精度的前提下，减小采样信号的周期数，提高检测速度。

Description

多通道采集快速解调检测系统、检测方法以及光谱仪

技术领域

本发明属于光电信号的调制解调检测技术领域，具体地而言为一种多通道采集快速解调检测系统、检测方法以及光谱仪。

背景技术

对于具有单一频率的幅度调制信号，通常采用锁相放大技术进行解调。锁相放大在实现时可采用模拟和数字2种锁相放大器。由于数字锁相放大器采用算法实现，在电路中省去了模拟锁相放大器的移相、相敏检波、低通滤波等环节，因此电路简单、易于调试、系统稳定性较好。但数字锁相放大器存在一些问题，如：

CN102403969A公开了“一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法”，采用被测信号频率的4整周期倍的采样频率进行多个信号周期的采集，再用加减、乘方、开方运算获得解调值。

CN102916665A公开了一种“双相数字式锁相放大器及其数字域同步锁相算法”，要求作为同频，而且需要采集两路相位差为90°的参考信号与检测信号三路信号，送入PC机，由PC机实现锁相算法，需要时间长。

吉林大学，刘志伟“便携式近红外光谱仪器数字解调采集系统研制”的论文中，提出利用CPLD分频产生4N倍信号频率的采样控制信号进行多周期采样，并进行正交运算实现双相数字锁相放大。

103604500A公开了“光栅扫描型光谱仪的检测系统及检测方法”，检测系统采用数字积分和平均滤波算法实现数字锁相放大。它以锁相环稳速电路保证采样控制信号与检测信号的倍频关系，实现多信号周期的同步采样，计算每个周期的解调值后进行平均获得测量值。

北京航空大学刘立军等人的论文“A digital switching demodulator forelectrical capacitance tomography”、“A digital demodulation method forelectrical tomography based on sine wave rectification”和“A complexprogrammable logic device-based high-precision electrical capacitancetomography system”，以及天津大学尹武良等人的论文“The design of a digitalmagnetic induction tomography(MIT)system for metallic object imaging based onhalf cycle demodulation”和“电磁层析成像中基于半周期采样的数字解调方法”中，均提出了基于数字开关解调和数字整形解调的周期信号解调方法，需要采集一个周期或半个周期的信号即可完成幅值的解调，为减小误差需要进行多个周期或半周期的信号的处理和平均。

201510621991.X公开了一种“简化数字锁相放大器的光栅扫描型光谱仪及检测方法”，以整周期内信号采集数据的绝对值平均计算的方法对数字锁相放大器进行了简化，但由于检测信号本身存在频率波动以及ADC采样频率的限制，会引起每个信号周期最后采样点的取舍误差，虽然取多个周期平均，

但上述方法对于对于频率不稳定的调制信号，测量结果存在随机性误差，并表现为检测结果的噪声。

ZL201510917195.0公开了“调幅信号整周期或半周期同步测频修正数字解调检测系统及检测方法”该方法利用同步测频对整周期或半周期的信号采样计算结果进行频率修正，消除调制频率误差的影响，提高检测精度。但仍需要采集多个整周期或半周期的处理和平均计算。

可见，数字锁相放大器需要对调制信号进行多个周期的采集，并获得大量数据，并对这些数据进行运算获得解调值，因此数字锁相放大器与模拟锁相放大器相比，在检测的速度和精度上无法同时满足较高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多通道采集快速解调检测系统，在保证检测精度的前提下，减小采样信号的周期数，提高检测速度。

本发明的还提供了一种具有多通道采集快速解调检测系统的光谱仪；

本发明的还提供了一种具有多通道采集快速解调检测方法。

本发明是这样实现的，

一种多通道采集快速解调检测系统，该系统包括：微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路；

所述多通道模数转换器单元接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元，由微控制器单元的采样控制信号控制多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于信号频率f_s的10倍；

所述整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器单元；

所述微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为信号周期触发信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号，直至信号周期触发信号下一次有效，在整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数。

进一步地，还包括有上位机，微控制器单元通过通讯接口连接上位机接收控制指令，根据计数控制信号控制多通道模数转换器单元的采样、进行同步测频修正整周期或半周期累积解调，获得检测信号幅度的测量值，通过数据线或接口输出。

进一步地，所述微处理器单元包括计数器，所述计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，信号第1个整周期或半周期开始，控制多通道模数转换器单元开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤。

进一步地，计数器控制信号有效的判断依据是整形移相电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期取上升沿或下降沿，半周期取上升沿和下降沿。

进一步地，在每一个整周期或半周期开始，计数器开始高频计数，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值；

在每一个整周期或半周期的开始到结束期间，在每个采样周期微处理器单元读取多通道模数转换器单元的n个通道ADC采样值，共进行k_j个周期采样；进行采样值的绝对值累计；

获取每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值；重复多次采样，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；计算m个整周期或M个半周期的平均值，得调幅信号幅度的测量值。

一种具有多通道采集快速解调检测系统的光谱仪，该光谱仪包括有多通道采集快速解调检测系统用于检测信号，所述多通道采集快速解调检测系统包括：微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路；

所述多通道模数转换器单元接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元，由微控制器单元的采样控制信号控制多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于信号频率f_s的10倍；

所述整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器单元；

所述微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为信号周期触发信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号，直至信号周期触发信号下一次有效，在整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数。

进一步地，所述光谱仪还包括上位机、驱动控制电路、光源、调制器、单色仪、取样器以及传感器模块，调制器将光源产生的复合光调制为周期的光信号，此周期信号的幅值与光源的光强成正比；调制后的光信号由单色仪转换为所需范围的单一波长的入射光照射到样品上，通过取样器取样获得与样品作用后的单色光，再经过传感器模块进行光电转换和初步的滤波放大，转换成固定频率的电信号，多通道采集快速解调检测系统对该信号进行转换处理，得到与光信号峰值相关的数字量送入上位机。

进一步地，所述驱动控制电路包括稳速电路、稳压控制电路、电机驱动电路以及限位检测电路，分别通过控制线与多通道采集快速解调检测系统的微控制器单元相连，稳速电路、稳压控制电路和电机驱动电路接收微控制器单元的控制信号分别通过信号线与切光器、光源、单色仪链接，进行调制器稳速控制、光源稳压控制、单色仪的扫描驱动与定位控制，微控制器单元通过电机驱动电路和限位检测电路控制单色仪的扫描工作，并在每个波长扫描点处根据计数控制信号控制多通道模数转换器单元的采样、进行同步测频修正周期累积解调，获得当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机。

进一步地，在光谱仪的每一个扫描波长点处，微控制器单元利用计数器捕获功能获得m个信号整周期或半周期的计数值，同时控制多通道模数转换器单元采样获得每个信号整周期或半周期内数字信号序列，并进行同步测频修正周期累积解调计算，得出检测信号的幅值，作为当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机，完成当前波长点的测量，然后进行下一个波长点的扫描测量；

微控制器单元将每个信号整周期或半周期的采样数据进行绝对值累加平均、频率及系数校正、m个整周期或M个半周期的算术平均计算得信号幅值A。

一种多通道采集快速解调检测方法，该方法包括：

a、检测系统设置采样整周期或半周期m值或通过接受上位机指令获得；设置多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于10倍的信号频率；且小于多通道模数转换器单元相邻通道切换频率f_u的1/n；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在每一个整周期或半周期j＝1，2，…，m开始，计数器开始高频计数，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、在每一个整周期或半周期j＝1，2，…，m的开始到结束期间，在每个采样周期读取n个通道采样值，共进行k_j个周期采样；在第t个采样周期获得的采样值为x(i)，i＝n(t-1)+v，v＝1,2,3，…，n；进行采样值的绝对值累计计算：

其中：i＝1,2，…，nk_j，为信号当前整周期或半周期内采样数据的顺序号；

e、每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值：当信号频率稳定，无波动时，

当信号频率不稳定，有波动时，

其中：f_c为计数器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明是在数字解调电路中利用高速n(n>1)通道ADC，各通道同时连接调制信号，在每个采样周期进行的各通道依次采集，则能够在一个信号周期获得n个信号周期的采样数据，以n个周期解调值的平均作为当前信号周期的检测值，可以降低噪声对解调信号的干扰，在保证仪器信噪比的同时实现仪器的快速测量，与已有的数字锁相放大解调检测系统相比，只需更换ADC单元，没有增加电路和算法的复杂度、以及系统的成本，却能够同时提高系统检测的精度和速度。

附图说明

图1为多通道采集快速解调检测系统结构框图；

图2为光栅扫描型光谱仪结构框图；

图3为图2中的多通道采集快速解调检测系统结构框图；

图4为图2中的驱动控制电路；

图5为多通道采集快速解调检测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

多通道采集快速解调检测系统，是由多通道模数转换器单元分别经数据线和控制线与微控制器单元连接，信号整形电路通过控制线与微控制器单元连接，多通道模数转换器单元的n个数据通道和整形电路的输入端均与被测信号连接构成。

多通道采集快速解调检测方法，是由微控制器单元以每个信号周期内的多通道采样数据的绝对值累计平均的检测方法对调幅信号进行数字解调。

参见图5所示，多通道采集快速解调检测方法，包括以下步骤：

a、参数设置：检测系统设置采样整周期或半周期个数m值或通过接受上位机指令获得；设置ADC采样频率f₀大于等于10倍的信号频率，且小于ADC相邻通道切换频率f_u的1/n；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，即信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，即信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，即计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在第j个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)开始，采样周期数t＝1，采样数据个数i＝1；

多通道ADC开始采集，在第t个采样周期获得n个通道ADC的连续采样值x(nt-n+v)，v＝1,2，…，n；t＝t+1；重复直至当前整周期或半周期结束，获得当前整周期或半周期的采样周期数k_j、n个通道ADC的连续采样值x；

当信号频率不稳定，有波动时，同时计数器开始高频计数(计数频率为f_c，且远大于f₀)，直至当前整周期或半周期结束，获得当前整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、计算当前周期采样值x(i)的绝对累加值I(j)：

其中：i＝1,2，…，nk_j，为信号当前整周期或半周期内采样数据的顺序号。

e、计算第j个信号“周期”的解调值M(j)：

当信号频率稳定，无波动时，

当信号频率不稳定，有波动时，

其中：f_c为定时器计数频率；

f、j＝j+1，重复步骤b～e，直到j＝m，得m个解调值M；

g、计算m个整周期或半周期校正值M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

h、结束。

实施例1

如图1结合图3所示，一种多通道采集快速解调检测系统，包括微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路，多通道模数转换器单元、信号整形移相电路。微控制器单元分别经数据线和采样控制信号线与多通道模数转换器单元连接、经信号周期触发信号线与信号整形电路连接，通过信号线输出解调数字量。被检测的调幅信号通过信号线分别与多通道模数转换器单元的n个输入通道连接。载波信号通过信号线分别与整形移相电路连接输出与被测调幅信号同频同相的方波信号，作为信号周期触发信号通过信号线与微控制器单元连接。

多通道模数转换器单元选用多通道模数转换芯片，接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元。由微控制器单元的采样控制信号控制其采样频率f₀大于等于信号频率f_s的10倍。

整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器。微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为信号周期触发信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号，直至信号周期触发信号下一次有效，本整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数，计数频率为f_c，远大于采样频率f₀。

微控制器单元选用MCU、DSP、ARM或FPGA等微处理器芯片，兼顾控制、计数、运算和通讯的功能。可通过通讯接口连接上位机(PC机、平板电脑、手机等)接收控制指令。根据计数控制信号控制高速模数转换单元的采样、进行同步测频修正整周期或半周期累积解调，获得检测信号幅度的测量值，通过数据线或接口输出。

所述微处理器单元包括计数器，所述计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，信号第1个整周期或半周期开始，控制多通道模数转换器单元开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤。

计数器控制信号有效的判断依据是整形移相电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期取上升沿或下降沿，半周期取上升沿和下降沿。

在每一个整周期或半周期开始，计数器开始高频计数，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值；

在每一个整周期或半周期的开始到结束期间，在每个采样周期微处理器单元读取多通道模数转换器单元的n个通道ADC采样值，共进行k_j个周期采样；进行采样值的绝对值累计；

获取每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值；重复多次采样，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；计算m个整周期或M个半周期的平均值，得调幅信号幅度的测量值。

采用上述系统实现稳定频率调幅信号的幅值检测，方法包括：

a、检测系统设置采样整周期或半周期m值或通过接受上位机指令获得；设置ADC采样频率f₀大于等于10倍的信号频率；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，即信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，即信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，即计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)开始，计数器开始高频计数(计数频率为f_c，且远大于f₀)，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、在每一个整周期或半周期(j＝1，2，…，m)的开始到结束期间，在每个采样周期读取n个通道ADC采样值，共进行k_j个周期采样；在第t个采样周期获得的采样值为x(i)，i＝n(t-1)+v，v＝1,2,3，…，n；进行采样值的绝对值累计计算：

其中：i＝1,2，…，nk_j，为信号当前整周期或半周期内采样数据的顺序号；

e、每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值：当信号频率稳定，无波动时，

当信号频率不稳定，有波动时，

其中：f_c为计数器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

h、结束。

实施例2

参见图2结合图4，多通道采集快速解调检测的光栅扫描型光谱仪，是由上位机经多通道采集快速解调检测控制系统经驱动控制电路与光源、调制器和单色仪连接，驱动控制电路与调制器连接，单色仪经取样器和传感器模块与检测系统连接构成。检测系统采用多通道采集快速解调检测系统。

多通道采集快速解调检测控制系统如图3所示，是由微控制器单元分别经数据线和采样控制信号线与多通道模数转换器单元连接，经信号周期触发信号线与信号整形电路连接构成。多通道采集快速解调控制系统中微控制器单元通过通讯接口与上位机连接，分别通过采样控制信号线和数据线与多通道模数转换器单元连接，多通道模数转换器单元和信号整形电路分别通过检测信号线与传感器模块连接。

如图4所示，驱动控制电路由稳速电路、稳压控制电路、电机驱动电路、限位检测电路4部分组成。分别通过控制线与多通道采集快速解调检测控制系统的微控制器单元相连，稳速电路、稳压控制电路和电机驱动电路接收微控制器单元的控制信号分别通过信号线与切光器、光源、单色仪链接，进行调制器稳速控制、光源稳压控制、单色仪的扫描驱动与定位控制。

光栅扫描型光谱仪器利用调制器将光源产生的复合光调制为周期的光信号，此周期信号的幅值与光源的光强成正比。调制后的光信号由单色仪转换为所需范围的单一波长的入射光照射到样品上，通过取样器取样获得与样品作用后的单色光，再经过传感器模块进行光电转换和初步的滤波放大，转换成固定频率的电信号。检测系统对该信号进行转换处理，得到与光信号峰值相关的数字量送入上位机；同时进行仪器系统控制：单色仪的扫描驱动与定位控制、通过稳压和稳速电路对光源进行稳压控制和对调制器进行稳速控制。

光栅扫描型光谱仪的检测控制系统采用多通道采集快速解调检测系统，包括微控制器单元、多通道模数转换器单元、信号整形电路3个部分。

微控制器单元分别与上位机、驱动控制系统、多通道模数转换器单元、信号整形电路相连，接收上位机传递下来的控制指令，同时控制调制器的稳速电路、光源的稳压控制电路、通过电机的驱动电路和扫描的限位检测电路控制单色仪的扫描工作，并在每个波长扫描点处根据计数控制信号控制高速模数转换单元的采样、进行同步测频修正周期累积解调，获得当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机。

多通道模数转换器单元与光谱仪的传感器模块、微控制器单元相连，可选用16通道模数转换芯片，接收微控制器单元的采样控制信号，16个通道均对由光谱仪探测器模块输出的检测信号进行依次采样，每个采样周期获得16个数字信号x通过数据线送入微控制器单元。由微控制器单元的采样控制信号控制其采样频率f₀大于等于信号频率f_s的n倍(n≥10)，即f₀≥nf_s。

信号整形电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期起始触发信号通过信号线送入微处理器。微处理器单元根据方波信号的上升沿(或下降沿)是否到来作为信号周期开始的判据，当判断为有效触发时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发采样控制信号，并开始高频计数，直至触发信号下一次有效，本整周期或半周期采样和计数结束，开始下一个整周期或半周期的采样和计数，计数频率为f_c，远大于采样频率f₀。

微控制器单元选用MCU、DSP、ARM或FPGA等微处理器芯片，兼顾控制、计数、运算和通讯的功能。通过接口接收上位机(PC机、平板电脑、手机等)的控制指令，控制单色仪的光栅扫描、多通道模数转换器单元的信号采集，利用定时器进行高频计数，对采集数据采用整周期或半周期绝对累计平均和测频修正算法获得当前波长点处调幅信号幅度的测量值，并将结果送入上位机。

在光谱仪的每一个扫描波长点处，微控制器单元利用计数器捕获功能获得m(m为取样的整周期或半周期数，为正整数，由上位机控制指令给定信号整周期或半周期的计数值s_j(j＝1，2，…，m)，同时控制多通道模数转换器单元采样获得每个信号整周期或半周期内数字信号序列x(i)，并进行同步测频修正周期累积解调计算，得出检测信号的幅值，作为当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机，完成当前波长点的测量。然后进行下一个波长点的扫描测量。

多通道采集快速解调计算，将每个信号整周期或半周期的采样数据x进行绝对值累加平均、频率及系数校正、m个整周期或半周期的算术平均计算得信号幅值A。上述过程在微控制器中以c语言编程、编译的可执行程序实现。光栅扫描型光谱仪对经过光强调幅、传感器模块转换放大后输入到检测系统的信号，采用周期同步测频修正数字解调检测方法的流程如图5所示。

具体步骤如下：

a、检测系统接受上位机指令，获得采样整周期或半周期m值，设置整周期或半周期采样点的顺序号i＝1，采样整周期或半周期的顺序号j＝1，整周期或半周期内信号绝对值累计量I(j)＝0。

b、判断信号是否是第1个整周期或半周期的起点，即信号周期触发是否有效：以上升沿或下降沿作为信号周期触发有效的判断依据，整周期方法上升沿、下降沿二者取一，半周期方法上升沿和下降沿均取。若无效则重复此步骤b。

若有效则开始第1个整周期或半周期的频率计数，并控制16通道ADC采样，采样频率大于等于10倍的信号频率。

c、获得ADC采样值x_i(t)，进行整周期或半周期内信号的绝对值累计计算：

d、判断信号是否是第j+1个整周期或半周期的起点，若不是，则i＝i+1，转至步骤c；若是则继续转至步骤e。

e、读取计数器的数值，获得第j个整周期或半周期的频率计数值s_j，计数器清0，j＝j+1，I(j)＝0，i＝1，频率计数开始。

f、判断是否为最后一个整周期或半周期：j是否大于m+1。若是则转至步骤g，否则转至步骤c；

g、m个整周期或半周期的校正和平均计算：

其中：f_c为计数器计数频率，f₀为ADC采样频率。

h、结束。

上述系统和方法中的n、m和f_c根据多通道模数转换器单元的转换速度、微控制器单元的存储和计算能力及光谱仪对检测速度的要求，尽量选取大的数值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道采集快速解调检测系统，其特征在于，该系统包括：微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路；

所述多通道模数转换器单元接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元，由微控制器单元的采样控制信号控制多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于信号频率f_s的10倍；

所述整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器单元；

所述微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为信号周期触发信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号，直至信号周期触发信号下一次有效，在整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括有上位机，微控制器单元通过通讯接口连接上位机接收控制指令，根据计数控制信号控制多通道模数转换器单元的采样、进行同步测频修正整周期或半周期累积解调，获得检测信号幅度的测量值，通过数据线或接口输出。

3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微处理器单元包括计数器，所述计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，信号第1个整周期或半周期开始，控制多通道模数转换器单元开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤。

4.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，计数器控制信号有效的判断依据是整形移相电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期取上升沿或下降沿，半周期取上升沿和下降沿。

5.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，在每一个整周期或半周期开始，计数器开始高频计数，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值；

在每一个整周期或半周期的开始到结束期间，在每个采样周期微处理器单元读取多通道模数转换器单元的n个通道ADC采样值，共进行k_j个周期采样；进行采样值的绝对值累计；

获取每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值；重复多次采样，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；计算m个整周期或M个半周期的平均值，得调幅信号幅度的测量值。

6.一种具有多通道采集快速解调检测系统的光谱仪，其特征在于，该光谱仪包括有多通道采集快速解调检测系统用于检测信号，所述多通道采集快速解调检测系统包括：微控制器单元、多通道模数转换器单元、以及信号整形移相电路；

所述多通道模数转换器单元接收微控制器单元的采样控制信号，对检测信号进行多通道采样，转换为数字信号x通过数据线送入微控制器单元，由微控制器单元的采样控制信号控制多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于信号频率f_s的10倍；

所述整形移相电路采用比较器将检测信号转换为同频同相的方波信号，并作为信号周期触发信号通过信号线送入微处理器单元；

所述微处理器单元根据方波信号的上升沿或下降沿是否到来作为信号周期触发信号是否有效的判据，当判断有效时，微处理器单元向多通道模数转换器单元发送采样控制信号，直至信号周期触发信号下一次有效，在整周期或半周期计数结束，开始下一个整周期或半周期的计数。

7.按照权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括上位机、驱动控制电路、光源、调制器、单色仪、取样器以及传感器模块，调制器将光源产生的复合光调制为周期的光信号，此周期信号的幅值与光源的光强成正比；调制后的光信号由单色仪转换为所需范围的单一波长的入射光照射到样品上，通过取样器取样获得与样品作用后的单色光，再经过传感器模块进行光电转换和初步的滤波放大，转换成固定频率的电信号，多通道采集快速解调检测系统对该信号进行转换处理，得到与光信号峰值相关的数字量送入上位机。

8.按照权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，所述驱动控制电路包括稳速电路、稳压控制电路、电机驱动电路以及限位检测电路，分别通过控制线与多通道采集快速解调检测系统的微控制器单元相连，稳速电路、稳压控制电路和电机驱动电路接收微控制器单元的控制信号分别通过信号线与切光器、光源、单色仪链接，进行调制器稳速控制、光源稳压控制、单色仪的扫描驱动与定位控制，微控制器单元通过电机驱动电路和限位检测电路控制单色仪的扫描工作，并在每个波长扫描点处根据计数控制信号控制多通道模数转换器单元的采样、进行同步测频修正周期累积解调，获得当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机。

9.按照权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，在光谱仪的每一个扫描波长点处，微控制器单元利用计数器捕获功能获得m个信号整周期或半周期的计数值，同时控制多通道模数转换器单元采样获得每个信号整周期或半周期内数字信号序列，并进行同步测频修正周期累积解调计算，得出检测信号的幅值，作为当前波长处的光谱测量值，通过接口送入上位机，完成当前波长点的测量，然后进行下一个波长点的扫描测量；

微控制器单元将每个信号整周期或半周期的采样数据进行绝对值累加平均、频率及系数校正、m个整周期或M个半周期的算术平均计算得信号幅值A。

10.一种多通道采集快速解调检测方法，其特征在于，该方法包括：

a、检测系统设置采样整周期或半周期m值或通过接受上位机指令获得；设置多通道模数转换器单元采样频率f₀大于等于10倍的信号频率；且小于多通道模数转换器单元相邻通道切换频率f_u的1/n；设置当前采样整周期或半周期的顺序号j＝1；

b、根据计数器控制信号判断检测信号每个整周期或半周期的开始或结束：

若计数器控制信号有效且j＝1，信号第1个整周期或半周期开始，控制ADC开始采样；

若计数器控制信号有效且j>1，信号第j个整周期或半周期结束，第j+1个整周期或半周期开始；

否则，计数器控制信号无效，若j＝1，则重复此步骤；若j>1，则继续下一步骤；

其中计数器控制信号有效的判断依据是整形电路输出的与检测信号同频同相的方波信号为上升沿或下降沿，整周期方法二者取一，半周期方法二者均取；

c、在每一个整周期或半周期j＝1，2，…，m开始，计数器开始高频计数，直至该整周期或半周期结束，并获得该整周期或半周期的频率计数值s_j；

d、在每一个整周期或半周期j＝1，2，…，m的开始到结束期间，在每个采样周期读取n个通道采样值，共进行k_j个周期采样；在第t个采样周期获得的采样值为x(i)，i＝n(t-1)+v，v＝1,2,3，…，n；进行采样值的绝对值累计计算：

其中：i＝1,2，…，nk_j，为信号当前整周期或半周期内采样数据的顺序号；

e、每个信号整周期或半周期进行系数校正得每个整周期或半周期的解调值：当信号频率稳定，无波动时，

当信号频率不稳定，有波动时，

其中：f_c为计数器计数频率；

f、重复步骤b～e，进行m个整周期或半周期的采样和累计修正计算；

g、计算m个整周期或半周期M的平均值，得调幅信号幅度的测量值A：

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