基于ADμC842的多波長計信號采集系統(tǒng)

1引言

激光波長/頻率測量儀器即波長計（wave-meter），可用來測量調(diào)諧激光器的輸出波長值，或者用于測量未知激光的波長值，在光頻標(biāo)研究領(lǐng)域有著重要的作用。激光波長計基于邁克爾遜干涉原理：兩束激光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，比對已知波長的參考激光和未知波長的被測激光的干涉條紋數(shù)目，可以獲得被測激光的波長/頻率值。

2基于邁克爾遜干涉儀的波長計原理

邁克爾遜波長計適合測量連續(xù)激光波長，其光學(xué)系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉原理，如圖1所示。

參考光源輸出光束1，經(jīng)多次反射，分為兩束同頻率的光，最后匯聚于B點(diǎn)發(fā)生干涉，由光探測器D1接收，作為參考信號。

待測光由光欄射入，與射出的參考光調(diào)整至重合；兩個反射器R1和R2安裝在同一可動的平行導(dǎo)軌上。在波長計工作時，驅(qū)動電機(jī)拖動導(dǎo)軌沿軸向連續(xù)往返平動，使參考光和待測光產(chǎn)生光程差，發(fā)生干涉現(xiàn)象，由光探測器D1和D2接收，由此得到它們的干涉條紋的信號。

圖1 邁克爾遜波長計結(jié)構(gòu)

單波長測量技術(shù)是經(jīng)過對干涉條紋信號細(xì)分、整形和計數(shù)電路分別獲得參考激光和被測激光干涉條紋數(shù)。根據(jù)參考激光波長值和兩組條紋數(shù)比值可直接求得被測激光波長值。

由于系統(tǒng)對光電信號只采用簡單的計數(shù)方式，當(dāng)混合頻率的激光（如同時射入綠光和紅光）射入波長計時就會得到錯誤的波長值。

3．改進(jìn)方案

3.1方案制定

光電轉(zhuǎn)換后得到的光強(qiáng)信號是模擬電信號，需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，以便借助計算機(jī)分析。光強(qiáng)信號的采集要求采集速率高、數(shù)據(jù)存儲量大、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn)。

實(shí)現(xiàn)以上性能需要具備三個參數(shù)。精度：AD轉(zhuǎn)換位數(shù)越高精度就越高；采樣速率：轉(zhuǎn)換速率越高對高頻信號越有利；存儲容量：大容量的存儲可以方便進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的處理。

雖然現(xiàn)有的ADC已經(jīng)達(dá)到上百兆的轉(zhuǎn)換速率，但通常是和單片機(jī)分離的獨(dú)立元件。而采用6000系列的DSP處理器又會增加成本和延長研發(fā)周期，根據(jù)信號的特點(diǎn)和系統(tǒng)快速采集的要求，研制了一個基于ADμC842單片機(jī)的激光波長計高速、大容量信號采集系統(tǒng)。

通常I/O數(shù)據(jù)有四種傳送方式,即：同步傳送、異步傳送、中斷傳送、DMA傳送。www.51kaifa.com

在上述三種數(shù)據(jù)傳送方式中，都要轉(zhuǎn)道CPU才能實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)小于其指令周期的高速數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集。這就限制了單片機(jī)在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

DMA(Direct Memory Access)的含義是直接存儲器存取，這是一種由硬件來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的工作方式?，F(xiàn)今ADI公司推出了一款新型的ADμC842單片機(jī)，它將AD轉(zhuǎn)換、 DMA功能、單片機(jī)內(nèi)核集成一體，完全可以滿足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存儲器。

3.2 系統(tǒng)原理與組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ADμC842單片機(jī)及片外存儲器SDRAM、光電轉(zhuǎn)換電路、鎖相倍頻電路和上位PC機(jī)組成。被測光信號通過光探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲紸DμC842芯片的ADC端口；參考激光信號倍頻后用來觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，作為數(shù)據(jù)采集的時基以抵消驅(qū)動電機(jī)拖動反射鏡掃描的速度不穩(wěn)。該系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)組成,下位機(jī)和上位機(jī)通過RS232來聯(lián)接。整個系統(tǒng)如圖2 所示。

ADμC842芯片進(jìn)行信號高速采集是可以采用外部觸發(fā)方式的，也就是將方波觸發(fā)脈沖輸入到單片機(jī)的觸發(fā)端，每輸入一個方波，單片機(jī)就對信號進(jìn)行一次采集并將其存儲。

由抽樣定理可知，要保證從信號抽樣后的離散時間信號無失真地恢復(fù)原始時間連續(xù)信號（即抽樣不會導(dǎo)致任何信息丟失），必須滿足：信號是頻帶受限的(信號頻率區(qū)間有限)；采樣率至少是信號最高頻率的兩倍。利用NE564鎖相環(huán)芯片將參考光進(jìn)行16倍頻后，倍頻信號作為觸發(fā)信號，可以滿足抽樣定理。這樣即可保證在待采集信號頻率不穩(wěn)定的情況下，采集到不失真的信號。www.51kaifa.com

ADμC842芯片是一種內(nèi)嵌MCU 的高性能多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 只是內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器有限, 加上62512芯片這種快閃存儲器可解決這些問題。最后將采集好的信號進(jìn)行FFT變換得到光譜信號，可以很直觀的觀察到光的頻域特性，進(jìn)而可以解決兩種頻率不同的光同時射入波長計中造成計數(shù)值錯誤的問題。www.51kaifa.com

3.3 工作原理

3.3.1 DMA允許與響應(yīng)

單片機(jī)系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行時或進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時應(yīng)對DMA置低以便禁止DMA狀態(tài)。當(dāng)DMA允許為１時，進(jìn)入DMA預(yù)備狀態(tài)，等待外部觸發(fā)信號輸入。 DMA觸發(fā)信號可以是周期信號的過零脈沖，也可以是單脈沖信號放大整形輸出。DMA允許后的第一個觸發(fā)脈沖到來，單片機(jī)開始數(shù)據(jù)采集和傳送。

3.3.2 數(shù)據(jù)線與地址線的控制

總線的選擇控制由ALE允許信號控制兩組74LS373三態(tài)鎖存器，使其分別處于開通和高阻狀態(tài)。P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，采用分時復(fù)用功能來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和地址信號分時在同一物理線路下傳輸。

2 信號采集系統(tǒng)原理框圖

3.3.3 DMA塊數(shù)據(jù)傳輸

在主程序開頭，CPU預(yù)先通過指令把要輸入數(shù)據(jù)個數(shù)送入DMA控制器中的計數(shù)器，并把這些輸入數(shù)據(jù)在內(nèi)存存放的起始地址送給DMA控制器中的地址寄存器。然后，CPU便可執(zhí)行主程序中的其它程序，同時也是等待DMA控制器發(fā)來的中斷請求。

3.3.4 響應(yīng)過程的結(jié)束

DMA控制器把地址寄存器中的輸入數(shù)據(jù)在內(nèi)存的地址發(fā)送給內(nèi)存儲器，并控制把數(shù)據(jù)端口中輸入數(shù)據(jù)存入內(nèi)存儲器的相應(yīng)存儲單元，然后使計數(shù)器減1并判斷它是否等于0。如果其內(nèi)容不為0，（采集數(shù)據(jù)量不足），則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件編寫

4.1下位機(jī)軟件編寫

為適應(yīng)不同工作情況的需求,ADμC842 片內(nèi)ADC 模塊內(nèi)的所有部件都能方便地通過3個SFR寄存器來設(shè)置：

(1)ADCCON1 —控制轉(zhuǎn)換和采樣時間

MD1 MD0：控制ADC的工作模式。二者的不同取值分別對應(yīng)著ADC掉電；ADC正常工作；不執(zhí)行轉(zhuǎn)換周期時ADC掉電；不執(zhí)行轉(zhuǎn)換周期ADC待機(jī)的四種工作模式。

CK1 CK0：設(shè)置送入ADC時鐘的主時鐘分頻系數(shù)。可選分頻系數(shù)分別為2、4、8、32。

AQ1 AQ0：選擇采樣保持電路采樣輸入信號的時間?？蛇x的采樣時鐘數(shù)為1、2、3、4個ADC時鐘。

T2C：當(dāng)該位被置1時，將由定時器2的溢出中斷來啟動ADC轉(zhuǎn)換。

EXC：當(dāng)該位被置1時，將由外部引腳CONVST的外部輸入信號來啟動ADC轉(zhuǎn)換。

(2)ADCCON2 —控制ADC 通道選擇和轉(zhuǎn)換模式www.51kaifa.com

ADCI：ADC 中斷標(biāo)志位。在ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束時由硬件置位；當(dāng)MCU 響應(yīng)中斷服務(wù)子程序時由硬件清除。

DMA：DMA 模式使能位。置1 時啟動ADC 的DMA 模式進(jìn)行工作。

CCONV：連續(xù)轉(zhuǎn)換位。置1 時ADC 進(jìn)入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。www.51kaifa.com

SCONV：單次轉(zhuǎn)換位。置1 時開始單個轉(zhuǎn)換周期；轉(zhuǎn)換結(jié)束時SCONV 位自動復(fù)位至0。

CS3 CS2 CS1 CS0：通道選擇位。0—7對應(yīng)8個模擬輸入通道，8為溫度傳感器，15 為停止DMA工作。

(3)ADCCON2 —ADC 狀態(tài)指示

BUSY：ADC 忙狀態(tài)位。

其為只讀狀態(tài)位，為1 時表示ADC正處在轉(zhuǎn)換周期或校準(zhǔn)周期中。

其余位：保留。

在DMA模式下，無需單片機(jī)控制，系統(tǒng)可以自動將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入指定的位置。DMA 方式用于對快變信號的某一段時間的采樣,可以通過上位機(jī)對這一段時間的信號進(jìn)行精確的譜分析。

4.2上位機(jī)軟件編寫

上位機(jī)軟件采用VB可視化編程工具。采用多線程方式編寫接收、發(fā)送和處理命令字節(jié)。界面中顯示采集數(shù)據(jù)結(jié)果。數(shù)據(jù)接收由串口通信來完成，上位機(jī)部分還可提供數(shù)據(jù)趨勢顯示功能，可動態(tài)顯示數(shù)據(jù)一段時間內(nèi)的變化趨勢。數(shù)據(jù)趨勢圖用折線圖表示。在同一直角系中可顯示被測參數(shù)隨時間變化的曲線。

圖 4 通過VT RS232上位機(jī)程序再現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的圖形及再現(xiàn)圖形

5. AD采樣調(diào)試結(jié)果

如圖3所示，用信號發(fā)生器發(fā)出兩種波形，抽樣波形為方波，待采樣波形為鋸齒波，以便驗(yàn)證DMA模式的A/D轉(zhuǎn)換的正確性，做了如下的實(shí)驗(yàn)。

待采樣波形為鋸齒波經(jīng)過DMA轉(zhuǎn)換后，通過程序DeBug V2可以通過RS232通信串口，在PC機(jī)上在線看數(shù)據(jù)，如圖4?？梢则?yàn)證，采集數(shù)據(jù)的正確性，可以證明DMA工作正常。

6． 結(jié)論

ADμC842 作為一種新型的微控制器, 具有一般單片機(jī)所不能比擬的強(qiáng)大功能。它內(nèi)部集成的8 通道高精度ADC , 同時在ADC采集的時候能夠采用外部觸發(fā)連續(xù)轉(zhuǎn)化的DMA 模式, 采集頻率高達(dá)420kHz。本課題主要利用ADμC842 的ADC模塊的外部觸發(fā)DMA模式, 實(shí)現(xiàn)了對激光波長計內(nèi)部的信號的高速大容量采集,達(dá)到了預(yù)期的效果，為多波長的測量技術(shù)的研究提供了前期方案。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):目前國內(nèi)大多數(shù)基于邁克爾遜原理的波長計采用簡單的光電轉(zhuǎn)換、倍頻和計數(shù)的方式測量激光波長值，雖然精度越來越高，但當(dāng)射入多波長值的激光時，測量就會發(fā)生錯誤。本系統(tǒng)利用雙路光跟蹤采集信號的方法，通過參考光信號觸發(fā)外部DMA功能實(shí)現(xiàn)對待測光信號的采集，克服了這一缺陷，可以測量多波長的激光值。

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