CN202420675U - 基于msp430的手持式光谱分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，技术特征在于：利用光栅分光、线阵探测器提取光信号，基于MSP430的手持式光谱分析仪将对光频域谱的分析转换为空间域强度的测量，而后通过混合信号处理器MSP430F5438对原始数据运用亚像素算法进行拟合，提升了光谱的空间分辨率，因此非常适合于C波段基于FBG的传感器波长信号解调。因为整机采用全固态设计，没有机械运动部件，所以本说明书所述光谱分析仪工作更加稳定、可靠；同时没有机械运动惯性，光谱的获取更加迅速；其三是结构紧凑，小巧，便于携带和现场测量。

Description

基于MSP430的手持式光谱分析仪

技术领域

本发明涉及一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，属于光纤传感器领域，是一种光纤光栅传感器解调技术。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)传感技术是上世纪80年代末发展起来的光纤传感技术，它是在光纤中写入布拉格光栅，利用其选择性反射特性从外界宽带入射光中产生窄带谐振反射光谱，当外界物理量，如应力、温度等改变时，布拉格周期被调制，从而引起反射光谱中心的移动，通过探测光谱中心的移动就能测量外界物理量的变化。与传统的机械类和电子类传感器相比，FBG传感器具有如下几方面的优势：(1)抗电磁干扰，电绝缘性好，抗腐蚀，能在高温高压和易燃易爆等恶劣环境下工作；(2)光纤轻巧柔软，尺寸小，重量轻，适合埋入式检测；(3)传输损耗小，可实现远距离测量等。与普通光纤传感器相比，FBG传感器还具有自己独特的优点，如：(1)测量信息是波长编码的，不受光源功率起伏、光纤微弯损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；(2)避免了一般干涉型传感器中对相位测量参考点的需要；(3)容易采用波分复用技术实现分布式组网测量。因此，FBG传感作为光纤传感的一个重要的分支，受到了广泛关注，并且已经取得了持续和快速的发展，目前已在军事装备、工矿企业、能源环保、大型建筑等方面获得了广泛应用。

基于FBG的传感器，其核心技术除了传感器探头设计外就是光信号解调技术。传统的测量方法是通过机械扫描式光谱仪进行直接观测，其缺点是体积大、速度慢、价格高，常用于实验室解调，达不到工程应用化和产业化的要求。此外的主要解调方法还有：匹配滤波法(M.A.Davis and A.D.Kersey，Electronics Letters 31，822(1995)，B.Jiang，et al.，Optics and Lasers in Engineering 49，415(2011))，光纤法布里-珀罗可调谐滤波器(FFP-TF)法(W.R.Allan，et al.，Sensors Journal，IEEE 9，936(2009)，A.D.Kersey，et al.，Opt.Lett.18，1370(1993))、边缘滤波法(Q.Wu，et al.，Optics & amp；LaserTechnology 42，653(2010))、波长扫描光纤激光器法(S.H.Yun，et al.，OPt.Lett.23，843(1998)，W.Yiping，et al.，Photonics Technology Letters，IEEE 18，1539(2006))等。其中匹配滤波和边缘滤波法的主要缺点是解调范围较小，FFP-TF法虽然具有较大解调范围，但是需要附加温漂抑制措施以使其稳定工作，扫描激光器法速度和范围都比较理想，但是体积还稍大并且比较昂贵。本说明书所述基于MSP430的手持式光谱分析仪采用线阵探测器光栅光谱仪亚像素拟合法。

日本滨松光子学株式会社(http://www.hamamatsu.com)介绍了该公司基于微机电系统(MEMS)光栅和Back-thinned CCD/CMOS线阵/InGaAs线阵图像传感器的类似产品，但因为该产品线为通用光谱分析设备，并非针对C波段(1529-1561nm)FBG传感所设计，所以工作波段不匹配并且分辨率不能满足FBG信号解调要求。美国海洋光学(http://www.oceanoptics.com/)的产品同样存在上述问题。丹麦Ibsen光子公司(http://www.ibsenphotonics.com/)的产品主要以OEM模块形式出售，需要采集卡和PC机等设备协同工作，不适合直接作为便携式产品在外场使用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有产品的不足之处，本发明提出一种针对C波段FBG传感用基于MSP430的手持式光谱分析仪，可以满足FBG传感器现场测量要求。

技术方案

一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于包括电源管理模块、信号处理模块、分光探测模块、光纤法兰、触摸屏和LCD模块、存储器模块、USB接口管理模块、USB接口、时钟模块、温度测量模块和电量测量模块；USB数据线连接USB接口，信号处理模块分别与分光探测模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块、USB接口管理模块、温度测量模块和电量测量模块连接，电源管理模块的+5V电源输出连接USB接口，+3.3V电源输出连接信号处理模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块和USB接口管理模块，±5V电源输出连接分光探测模块，+3.7V锂电池电源输出连接电量探测模块和时钟模块；被探测光信号经光纤法兰进入分光探测模块，该模块采用光栅对入射光进行谱分解并按波长空间映射到线阵探测器上，光强模拟量经AD转换后以数字量输出至信号处理模块，信号处理模块对强度分布进行亚像素数值拟合并提取出峰值波长，传送到触摸屏和LCD模块中显示，或者通过USB接口管理模块和USB接口传送到上位计算机中。

所述电源管理模块包括充电口、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯；充电电源连接充电口、USB接口、充电口和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外输出电源线为+3.3V和±5V电压，锂电池对外输出电源线为+3.7V电压。

所述的分光探测模块采用I-MON 80D，包含80个像素探测点，工作于C波段。

所述的信号处理模块采用MSP430F5438混合信号处理器。

所述的USB接口管理模块采用TUSB3410芯片。

有益效果

本发明的有益效果是：利用光栅分光、线阵探测器提取光信号，基于MSP430的手持式光谱分析仪将对光频域谱的分析转换为空间域强度的测量，而后通过混合信号处理器MSP430F5438对原始数据运用亚像素算法进行拟合，提升了光谱的空间分辨率，因此非常适合于C波段基于FBG的传感器波长信号解调。因为整机采用全固态设计，没有机械运动部件，所以本说明书所述光谱分析仪工作更加稳定、可靠；同时没有机械运动惯性，光谱的获取更加迅速；其三是结构紧凑，小巧，便于携带和现场测量。

附图说明

图1：为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪原理功能框图；

图2：为本发明原理功能框图中电源管理模块的内部框图；

图3：为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪联机工作与独立工作示意图；

图4：为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第一实施方式的结构示意图；

图5：为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第二实施方式的结构示意图；

图6：为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪的一个典型测量界面截图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参见图1，基于MSP430的手持式光谱分析仪包括电源管理模块、信号处理模块、分光探测模块、光纤法兰、触摸屏和LCD模块、存储器模块、USB接口管理模块、USB接口、时钟模块、温度测量模块和电量测量模块。

信号处理模块采用MSP430F5438混合信号处理器芯片，USB接口管理模块采用TUSB3410桥接芯片，分光探测模块采用I-MON 80D器件，存储器模块选用E2PROMAT24LC256芯片，时钟模块选用PCF8563芯片，稳压电路选用MAX856、TPS7333、TPS6735芯片。

光路联接关系为：外界光线号连接光纤法兰，光纤法兰再连接分光探测模块。

电路联接关系为：USB数据线连接USB接口，USB接口的+5V电源连接电源管理模块，充电电源连接电源管理模块；电源管理模块将+3.3V输出到信号处理模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块和USB接口管理模块，将±5V输出到分光探测模块，将锂电池+3.7V输出到电量探测模块和时钟模块；信号处理模块分别和分光探测模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块、USB接口管理模块、温度测量模块和电量测量模块连接。

参见图2，为电源管理模块的内部框图。包括：充电口、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯。

电路联接关系为：充电电源连接充电口，USB接口、充电口和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外提供+3.3V和±5V电压，锂电池对外提供+3.7V电压。

基于MSP430的手持式光谱分析仪的详细工作流程为：

1、充电模式：通过开关电路，将充电电源通过充电口连接到锂电池，可对本分析仪内可充电锂聚合物电池进行充电；

2、工作模式：通过开关电路，将锂电池电压提供到稳压电路，或者将USB数据线的电压通过USB接口提供到稳压电路，指示灯亮，本分析仪开始工作。

首先内部参数(如时钟周期、平均次数、拟合方法、判定阈值、校准方法等)由存储器模块传送到信号处理模块；其次外部被探测光信号经光纤法兰送入内部分光探测模块，分光探测模块采用光栅对入射光进行频谱分解，分解后的光用80点16bit分辨率光电线阵探测器接收并进行AD转换，得到量化光功率谱分布；接着80点数据在信号处理模块时钟的同步下送入模块内部RAM中，而后查询峰值点并进行亚像素数值拟合分析，提取中心波长值；最后中心波长值送至LCD显示，或者通过USB接口管理模块和USB接口上传到计算机中。另外，信号处理模块周期性读取时钟数据、温度测量数据、电量测量数据送到LCD显示，内部参数可以通过上位计算机、触摸屏进行设置并保存到存储器模块中。

所述的亚像素数值拟合算法包括质心拟合算法、Gauss拟合算法和带宽中心算法。其中质心拟合算法的基本原理是以光功率为加权系数，计算峰值点附近波长的加权平均值，作为FBG反射谱的中心波长。公式表示为

${\mathrm{\λ}}_C=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i{\mathrm{\λ}}_i/\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i---\left(1\right)$

其中I_i为峰值点附近p个采样点第i个的光功率，λ_i为相应波长。Gauss拟合算法的思想是，将峰值局域看成Gauss函数，对拟合采样点用最小二乘法进行最佳拟合判定，获得的Gauss函数中心作为FBG反射谱的中心波长。Gauss函数表示的光谱功率分布为

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_0\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_C}{\sqrt{2}\mathrm{\μ}}\right)}^2]---\left(2\right)$

其中λ_C为Gauss函数中心，也即待拟合的FBG反射谱的中心波长，μ为标准差，I₀为Gauss函数最大值。对式(2)两边取自然对数，得到

$\ln I\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{\λ}}^2+\frac{{\mathrm{\λ}}_C}{{\mathrm{\μ}}^2}\mathrm{\λ}+(\ln I_0-\frac{{\mathrm{\λ}}_C^2}{2{\mathrm{\μ}}^2})---\left(3\right)$

另

y＝lnI(λ)， $a=-\frac{1}{2{\mathrm{\μ}}^2},$ $b=\frac{{\mathrm{\λ}}_C}{{\mathrm{\μ}}^2},$ $c=\ln I_0-\frac{{\mathrm{\λ}}_C^2}{2{\mathrm{\μ}}^2}---\left(4\right)$

则式(3)可改写为

y＝aλ²+bλ+c    (5)

对于p个采样点，计算误差的平方和

$s=\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-a{\mathrm{\λ}}_i^2-b{\mathrm{\λ}}_i-c)}^2---\left(6\right)$

为使s最小，则要求

$\frac{\∂s}{\∂a}=0,$ $\frac{\∂s}{\∂b}=0,$ $\frac{\∂s}{\∂c}=0---\left(7\right)$

即

$\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-a{\mathrm{\λ}}_i^2-b{\mathrm{\λ}}_i-c){\mathrm{\λ}}_i^2=0---\left(8\right)$

$\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-a{\mathrm{\λ}}_i^2-b{\mathrm{\λ}}_i-c){\mathrm{\λ}}_i=0---\left(9\right)$

$\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}(y_i-a{\mathrm{\λ}}_i^2-b{\mathrm{\λ}}_i-c)=0---\left(10\right)$

整理以上三式，得到

$\left[\begin{array}{ccc}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^4& \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^3& \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^2\\ \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^3& \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^2& \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i\\ \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^2& \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i& p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i^2{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{y}_i\\ \underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\end{array}\right]---\left(11\right)$

用矛盾方程组矩阵解法，可以求出参数a，b，c，则拟合中心波长为

${\mathrm{\λ}}_C=-\frac{b}{2a}---\left(12\right)$

带宽中心拟合算法的思想是，寻找采样光功率的最大值，根据局部光功率分布确定半峰值功率点的位置λ_h1和λ_h2，则拟合中心波长为

${\mathrm{\λ}}_C=\frac{{\mathrm{\λ}}_{h1}+{\mathrm{\λ}}_{h2}}{2}---\left(13\right)$

其中λ_h1和λ_h2的位置参考相邻采样像素位置做线性插值。

参见图3，为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪联机工作与独立工作示意图。若用USB电缆连接计算机和本分析仪后，属于联机工作状态，分析仪内部参数可由计算机进行设置，分析仪输出数据也可由计算机进行显示与保存；若断开计算机和本分析仪的USB连接，属于独立工作状态，通过触摸屏和LCD显示器进行人机交互，方便外场测量使用。

参见图4，为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第一实施方式的结构示意图。待测光源的光信号通过光纤连接到分析仪，从而可以分析待测光源的光谱。

参见图5，为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪第二实施方式的结构示意图。宽带光源的光经过光纤和环形器入射到FBG中，由FBG反射的窄带光再经过环形器送到分析仪进行光谱分析，并提取出FBG反射中心波长，若外界物理量的改变调制了FBG布拉格周期，则可以通过反射中心波长的变化推算外界物理量的大小。

参见图6，为本发明基于MSP430的手持式光谱分析仪的一个典型测量界面截图。图中曲线表示探测到的光谱分布，P1～P8分别代表可以探测到的8个峰值波长，图中只有P1数据有效，为1550.042nm。

Claims (5)

1.一种基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于包括电源管理模块、信号处理模块、分光探测模块、光纤法兰、触摸屏和LCD模块、存储器模块、USB接口管理模块、USB接口、时钟模块、温度测量模块和电量测量模块；USB数据线连接USB接口，信号处理模块分别与分光探测模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块、USB接口管理模块、温度测量模块和电量测量模块连接，电源管理模块的+5V电源输出连接USB接口，+3.3V电源输出连接信号处理模块、触摸屏和LCD模块、存储器模块、时钟模块和USB接口管理模块，±5V电源输出连接分光探测模块，+3.7V锂电池电源输出连接电量探测模块和时钟模块；被探测光信号经光纤法兰进入分光探测模块，该模块采用光栅对入射光进行谱分解并按波长空间映射到线阵探测器上，光强模拟量经AD转换后以数字量输出至信号处理模块，信号处理模块对强度分布进行亚像素数值拟合并提取出峰值波长，传送到触摸屏和LCD模块中显示，或者通过USB接口管理模块和USB接口传送到上位计算机中。

2.根据权利要求1所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于：所述电源管理模块包括充电口、锂电池、稳压电路、开关电路和指示灯；充电电源连接充电口、USB接口、充电口和锂电池连接开关电路，开关电路连接稳压电路，稳压电路连接指示灯，稳压电路对外输出电源线为+3.3V和±5V电压，锂电池对外输出电源线为+3.7V电压。

3.根据权利要求1所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于：所述的分光探测模块采用I-MON 80D，包含80个像素探测点，工作于C波段。

4.根据权利要求1所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于：所述的信号处理模块采用MSP430F5438混合信号处理器。

5.根据权利要求1所述的基于MSP430的手持式光谱分析仪，其特征在于：所述的USB接口管理模块采用TUSB3410芯片。

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