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可以通過下載程序的模式設(shè)置來使用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個時(shí)鐘周期為一個機(jī)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(jìn)行處理，會導(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）?；谝陨蟽牲c(diǎn)，需要使用緩沖裝置來暫存數(shù)據(jù)，以便單片機(jī)有效的對光譜數(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)的存儲空間，可以有效地對光譜數(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，Q1～Q3則與STC89C52RS連接，這樣單片機(jī)就有比較充足的時(shí)間和空間來處理光譜信號，并對處理后的信號進(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應(yīng)于該峰峰值的波長。電腦端的顯示比較簡單，通過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，而對于LCD19264來說，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，需要對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。CCD的有效像元有2 160個，要在19264上進(jìn)行顯示，有兩種方法：使用翻屏來實(shí)現(xiàn)或者使用數(shù)據(jù)壓縮的方式實(shí)現(xiàn)。通過觀察CCD采集的光譜信號發(fā)現(xiàn)，吸收峰峰值只在一個或幾個特定的波長出現(xiàn)，而其他波長處的吸光度值則基本一致。因此，文中使用壓縮的方法來實(shí)現(xiàn)吸光度曲線在液晶上的顯示。通過設(shè)定采樣閥值，把2 160個數(shù)據(jù)壓縮為192個字節(jié)的光譜數(shù)據(jù)，采集的機(jī)理是：對低于該閥值的光譜數(shù)據(jù)則丟棄不用，而對高于其閥值的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并比較前后兩個光譜數(shù)據(jù)的大小，若相等，則只采用其中的一個數(shù)據(jù)。如果檢測到峰峰值比較大的光譜數(shù)據(jù)，則把此時(shí)采集的序號和峰值的幅度進(jìn)行存儲，方便在液晶上顯示峰值吸光度。

　　利用LCD19264來繪制動態(tài)曲線，需要特殊的編程方式來實(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其行是以頁來進(jìn)行操作的，而列則是按單列來操作，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)則通過頁來實(shí)現(xiàn)，即橫坐標(biāo)有192個點(diǎn)，縱坐標(biāo)有64個點(diǎn)（8頁），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頁對應(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，1頁，3頁，……，7頁。例如：要找到50對應(yīng)于哪一頁，首先需要算出50對應(yīng)于8頁中的哪一頁，50／8=6，因此50對應(yīng)于第6頁。具體在哪一位可以通過對50取8的余數(shù)，50％8=2，那么我們就可以確定50對應(yīng)于LCD19264的第6頁上的第2位，通過在該位寫入高電平，則可以把50繪制在液晶上。

　　3 光譜采集系統(tǒng)測試結(jié)果及分析

　　通過對方案進(jìn)行驗(yàn)證以及對設(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。