一種便攜式光譜采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
2.1 CCD驅(qū)動及CCD預處理電路設計的研究
CCD的正常工作需要精確時鐘的配合,選用TCD1208AP線陣CCD作為本文的光電轉(zhuǎn)換器件,其需要四路時鐘脈沖的驅(qū)動:SH,φ1,φ2,RS。四路脈沖的幅值為5 V,屬于標準的TTL邏輯電平。在驅(qū)動設計時可以使用微處理器來實現(xiàn)也可以使用FPGA或者CPLD等邏輯陣列來實現(xiàn)。但微處理器的時鐘精確度相對于邏輯陣列比較低,且存在相位不同步的問題,因此,本文設計的方案使用CPLD來實現(xiàn),其芯片為Altera公司的MAX7000系列的EPM7064SIA4,其IO口具有5 V電平的輸出能力,可以和TCD1208AP直接連接而無需其他電平轉(zhuǎn)換芯片,硬件連接圖如圖3所示。本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/192783.htm
CPLD使用10 MHz的有源晶振輸入,為了提高CPLD的驅(qū)動能力,使用了反相器74HC04對CPLD輸出的驅(qū)動脈沖進行放大,由于74HC04的反相作用,因此,CPLD的驅(qū)動脈沖的高低電平與正常驅(qū)動CCD的脈沖必須是反相的。CPLD輸入的時鐘clk為10 MHz,通過HLD硬件編程語言實現(xiàn)十分頻,輸出1 MHz的CCD復位脈沖。
1.2 節(jié)討論利用VOS與VDOS的加減運算來實現(xiàn)光譜
信號中直流電平的濾除,硬件則利用運算放大器來實現(xiàn)這一過程。本系統(tǒng)采用AD公司的AD8051運算放大器,其工作帶寬最高達110MHz,較低的建立時間使得其處理高頻信號的能力較強,根據(jù)基本運算放大器計算規(guī)則,得出輸出信號Vout為:
調(diào)節(jié)R9的值則可以改變Vout的輸出值,此時的Vout就是沒有直流電平的物質(zhì)光譜吸收信號。
經(jīng)過處理后的物質(zhì)吸收光譜信號,進入AD轉(zhuǎn)換模塊,在該模塊可以對光譜信號中的復位脈沖進行濾除,從而得到有效的光譜信號。采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是BB公司的8 bit模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,其采樣率可以達到60 MHz以及49.5 DB的高信噪比,使得其轉(zhuǎn)換速率和精度滿足光譜采集系統(tǒng)的高速和高精度的要求。ADS830需要4個時鐘周期才能完成數(shù)據(jù)采樣和數(shù)字信號的輸出,在接收ADS830轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號時需要控制好接收數(shù)據(jù)的時刻,以便準確無誤的得到需要的數(shù)據(jù)。
圖4為使用ADS830來進行光譜數(shù)據(jù)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換電路,ANALOGIN輸入則是通過AD8051后處理的不帶直流電平的光譜數(shù)據(jù)。由于ADS830的輸入端電壓范圍是1.5~3.5 V,因此,為了使得經(jīng)過AD8051的光譜信號處于這一范圍,需要通過調(diào)節(jié)R9的值來實現(xiàn)。D1~D8則是轉(zhuǎn)換后的光譜信號,該信號送入微處理器進行后續(xù)處理。
2.2 光譜數(shù)據(jù)處理電路及液晶顯示動態(tài)曲線研究
本文采用的微處理器是STC公司的STC89C52RC,其帶有額外的P4口,使得IO口資源更加豐富,由于這款單片機的內(nèi)核是基于C51的,因此其機器周期還是傳統(tǒng)的12T模式,但是STC可以通過下載程序的模式設置來使用6T模式工作,即超頻工作。本系統(tǒng)微處理器的時鐘為24 MHz,使用6T模式工作:6個時鐘周期為一個機器周期,指令周期為0.25 ns。由于其內(nèi)部存儲資源的限制:內(nèi)存為512個字節(jié),ROM空間為8 K。如果直接對ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理,會導致數(shù)據(jù)的丟失,并且轉(zhuǎn)換后的光譜數(shù)據(jù)的速率達到了1 MHz(周期1 ns)?;谝陨蟽牲c,需要使用緩沖裝置來暫存數(shù)據(jù),以便單片機有效的對光譜數(shù)據(jù)進行處理。
文中采用了具有先進先出特性的異步FIFO芯片IDT7205,其內(nèi)部有8 K字節(jié)的存儲空間,可以有效地對光譜數(shù)據(jù)進行緩沖。RS為其復位脈沖,低電平有效,一個有效的復位需要W和R處于高電平才能完成,只有在RS有效低電平過后,W和R才能進行操作。復位后的IDT7205讀寫指針
地址相等且位于0位置。EF和FF為指示標志位,其中EF為內(nèi)部空標志位,其有效的低電平說明此時IDT7205里數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完,等待寫入數(shù)據(jù),而FF則表示內(nèi)部數(shù)據(jù)空間已經(jīng)寫滿,需要盡快讀出里面的數(shù)據(jù)。IDT7205復位后,這兩者都處于低電平,因此在編程的時需要進行區(qū)分。
圖5為IDT7205的硬件連接圖,其中D1~D8為ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字光譜信號,Q1~Q3則與STC89C52RS連接,這樣單片機就有比較充足的時間和空間來處理光譜信號,并對處理后的信號進行顯示。
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