采用線陣CCD的便攜式光譜采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．2 光譜數(shù)據(jù)處理電路及液晶顯示動(dòng)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(jī)的內(nèi)核是基于C51的，因此其機(jī)器周期還是傳統(tǒng)的12T模式，但是STC可以通過(guò)下載程序的模式設(shè)置來(lái)使用6T模式工作，即超頻工作。本系統(tǒng)微處理器的時(shí)鐘為24 MHz，使用6T模式工作：6個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，指令周期為0．25 ns。由于其內(nèi)部存儲(chǔ)資源的限制：內(nèi)存為512個(gè)字節(jié)，ROM空間為8 K。如果直接對(duì)ADS830轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，會(huì)導(dǎo)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(dá)到了1 MHz（周期1 ns）。基于以上兩點(diǎn)，需要使用緩沖裝置來(lái)暫存數(shù)據(jù)，以便單片機(jī)有效的對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　文中采用了具有先進(jìn)先出特性的異步FIFO芯片IDT7205，其內(nèi)部有8 K字節(jié)的存儲(chǔ)空間，可以有效地對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。RS為其復(fù)位脈沖，低電平有效，一個(gè)有效的復(fù)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(guò)后，W和R才能進(jìn)行操作。復(fù)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(biāo)志位，其中EF為內(nèi)部空標(biāo)志位，其有效的低電平說(shuō)明此時(shí)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(fù)位后，這兩者都處于低電平，因此在編程的時(shí)需要進(jìn)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(hào)，Q1～Q3則與STC89C52RS連接，這樣單片機(jī)就有比較充足的時(shí)間和空間來(lái)處理光譜信號(hào)，并對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行顯示。

　　文中設(shè)計(jì)的光譜采集系統(tǒng)可以使用電腦端和LCD端兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的顯示，描繪其吸光度曲線，并得出吸收峰峰值和對(duì)應(yīng)于該峰峰值的波長(zhǎng)。電腦端的顯示比較簡(jiǎn)單，通過(guò)PC機(jī)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力能較好較快地顯示吸光度曲線，而對(duì)于LCD19264來(lái)說(shuō)，則有比較多的細(xì)節(jié)需要處理。文中采用的是帶背光的LCD19264液晶來(lái)進(jìn)行吸光度曲線的顯示，該液晶只有192*64的分辨率，因此要進(jìn)行吸光度曲線的顯示，需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。CCD的有效像元有2 160個(gè)，要在19264上進(jìn)行顯示，有兩種方法：使用翻屏來(lái)實(shí)現(xiàn)或者使用數(shù)據(jù)壓縮的方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)觀察CCD采集的光譜信號(hào)發(fā)現(xiàn)，吸收峰峰值只在一個(gè)或幾個(gè)特定的波長(zhǎng)出現(xiàn)，而其他波長(zhǎng)處的吸光度值則基本一致。因此，文中使用壓縮的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)吸光度曲線在液晶上的顯示。通過(guò)設(shè)定采樣閥值，把2 160個(gè)數(shù)據(jù)壓縮為192個(gè)字節(jié)的光譜數(shù)據(jù)，采集的機(jī)理是：對(duì)低于該閥值的光譜數(shù)據(jù)則丟棄不用，而對(duì)高于其閥值的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并比較前后兩個(gè)光譜數(shù)據(jù)的大小，若相等，則只采用其中的一個(gè)數(shù)據(jù)。如果檢測(cè)到峰峰值比較大的光譜數(shù)據(jù)，則把此時(shí)采集的序號(hào)和峰值的幅度進(jìn)行存儲(chǔ)，方便在液晶上顯示峰值吸光度。

　　利用LCD19264來(lái)繪制動(dòng)態(tài)曲線，需要特殊的編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。LCD19264是以字節(jié)方式寫入的，也就是一次寫入需要準(zhǔn)備8bit的數(shù)據(jù)位。動(dòng)態(tài)曲線的顯示則是以點(diǎn)（相當(dāng)于1位）的方式進(jìn)行繪制的，因此繪制動(dòng)態(tài)曲線時(shí)需要把字節(jié)與點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。19264其行是以頁(yè)來(lái)進(jìn)行操作的，而列則是按單列來(lái)操作，64列為一屏，總共3屏，在LCD19264上畫點(diǎn)，橫坐標(biāo)則是液晶的列，而縱坐標(biāo)則通過(guò)頁(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即橫坐標(biāo)有192個(gè)點(diǎn)，縱坐標(biāo)有64個(gè)點(diǎn)（8頁(yè)），列與橫坐標(biāo)一致，因此不需要轉(zhuǎn)換，而縱坐標(biāo)由于和液晶的8頁(yè)對(duì)應(yīng)，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。按照液晶的結(jié)構(gòu)（圖6）從上到下依次為0頁(yè)，1頁(yè)，3頁(yè)，……，7頁(yè)。例如：要找到50對(duì)應(yīng)于哪一頁(yè)，首先需要算出50對(duì)應(yīng)于8頁(yè)中的哪一頁(yè)，50／8=6，因此50對(duì)應(yīng)于第6頁(yè)。具體在哪一位可以通過(guò)對(duì)50取8的余數(shù)，50％8=2，那么我們就可以確定50對(duì)應(yīng)于LCD19264的第6頁(yè)上的第2位，通過(guò)在該位寫入高電平，則可以把50繪制在液晶上。

　　3 光譜采集系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

　　通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路圖進(jìn)行多次調(diào)試和修改，得到了便攜式分光光度計(jì)硬件結(jié)構(gòu)圖（圖7）。使用了接插件把LCD19264和TCD1208AP連接于系統(tǒng)接口上，方便擴(kuò)展性能更好的器件，JTAG口和RS232口主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPLD程序、單片機(jī)程序的下載，同時(shí)RS232口還兼有上傳采集數(shù)據(jù)到PC端的功能。