專利名稱：一種基于cpld和labview的便攜式光纖光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測(cè)儀器領(lǐng)域，尤其是光譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及是便攜式光 纖光譜儀。
背景技術(shù)：
光譜儀器是光譜與光譜分析學(xué)基本的分析工具，是現(xiàn)代天文、化學(xué)、物理各研究領(lǐng) 域和生產(chǎn)領(lǐng)域的有利工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在地礦勘探、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域 對(duì)光譜儀器提出了微型化的要求。與以往的大型光譜儀器相比，便攜式光譜儀具有體積小、 重量輕、功耗低、使用靈活、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)微型光譜儀可以作為光電接口設(shè)備與光 纖探頭聯(lián)合使用，使測(cè)量更加方便。便攜式光纖光譜儀的研究越來(lái)越受到重視，成為了目前 世界各國(guó)光譜儀器研制的熱點(diǎn)。據(jù)資料不完全統(tǒng)計(jì)，在光譜儀器領(lǐng)域，國(guó)外有8家知名生產(chǎn) 廠商而國(guó)內(nèi)有7家主要生產(chǎn)廠商；在便攜式光譜儀器領(lǐng)域，國(guó)外有7家知名廠商而國(guó)內(nèi)僅有 兩家，而且多為便攜式分光光度計(jì)。此外國(guó)外還有眾多的微型光譜儀生產(chǎn)廠家，有著相當(dāng)高 的銷售額，總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的微型光譜儀市場(chǎng)幾乎被國(guó)外儀器壟斷。因此，研究和開(kāi)發(fā)高性 能、多功能、低成本以及具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜式光譜儀具有一定的實(shí)際意義。光譜儀中的光電探測(cè)器CXD的驅(qū)動(dòng)電路有四種設(shè)計(jì)方案=EPROM驅(qū)動(dòng)、IC驅(qū)動(dòng)、單 片機(jī)驅(qū)動(dòng)以及可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)。在專利《一種便攜式光譜儀》(101532878)中，CCD時(shí)序 是由單片機(jī)產(chǎn)生的。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法與EPROM方法有些相似，EPROM方法每改變地址就輸出 新的狀態(tài)數(shù)據(jù)。單片機(jī)法每改變一次端口輸出指令就改變了輸出數(shù)據(jù)。在這種設(shè)計(jì)方法中， 硬件電路非常簡(jiǎn)單，但是存在資源浪費(fèi)較多，頻率較低的缺陷?？删幊踢壿嬈骷?PLD)設(shè)計(jì) 法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)集成度高、速度快、可靠性好。系統(tǒng)每一功能模塊完成后可單獨(dú)仿真，整個(gè)系 統(tǒng)完成時(shí)也可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，不需要外部?jī)x器就可以檢查修改設(shè)計(jì)中的問(wèn)題。PLD 包括CPLD和FPGA，在《基于CXD的小型化光譜儀的設(shè)計(jì)與研究》一文中采用的是FPGA芯 片EPIC3T144C8來(lái)產(chǎn)生CXD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，它的上位機(jī)的光譜處理軟件的設(shè)計(jì)采用的是Visual Basic6. 0。FPGA屬于小粒度PROM型單元，集成規(guī)模大，包含的基本單元多，但是單元處理能 力較弱、工作速度通常較低；脫機(jī)使用時(shí)需要與PROM聯(lián)用，不能加密，延時(shí)不可預(yù)測(cè)，適用 于邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)。對(duì)于應(yīng)用程序，可以采用VB、VC++等語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。這 些語(yǔ)言都能夠與系統(tǒng)底層硬件相聯(lián)系，但是在用VC++、VB等語(yǔ)言編寫(xiě)軟件的過(guò)程要編寫(xiě)大 量的代碼。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有便攜式光譜儀光電探測(cè)器CCD的驅(qū)動(dòng)電路存在資源浪費(fèi)較多、頻率較低的缺陷，本發(fā)明提供了一種在保證光譜儀微型化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜高分辨率的測(cè)試要 求的基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，其特征在于包括光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)及上位機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)是折疊交叉非對(duì)稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)，包 括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測(cè)器CCD、復(fù)雜可編 程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測(cè)器CCD， 所述光譜探測(cè)器CCD將聚焦于CCD探測(cè)器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強(qiáng)變化的電信 號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理；所述用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生C⑶正常工作所需要 的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以及A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理所需要的同步和控制 信號(hào)；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；所述單片機(jī)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào) 存于RAM并送上位機(jī)進(jìn)行后期處理。進(jìn)一步，所述兩片發(fā)射鏡是非球面凹面反射鏡，分別是準(zhǔn)直物鏡和聚焦物鏡。進(jìn)一步，所述光譜探測(cè)器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào) 理電路將電信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理。進(jìn)一步，所述上位機(jī)采用LABVIEW軟件進(jìn)行光譜分析。入射光通過(guò)入射光纖、經(jīng)過(guò)狹縫、進(jìn)入到準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后，入射到閃耀光柵上，經(jīng) 過(guò)閃耀光柵分光入射到聚焦物鏡，最后聚焦于CCD上，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)采集。入射光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直分光后，按波長(zhǎng)順序聚焦于C⑶探測(cè)器的像敏面上，由 CXD探測(cè)器將其轉(zhuǎn)變成隨光強(qiáng)變化的電信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生CXD正 常工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以及A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理所需要 的同步和控制信號(hào)。單片機(jī)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存于RAM并送上位機(jī)進(jìn)行后期處理。上位機(jī)利用LABVIEW開(kāi)發(fā)光譜分析，其功能模塊包括通信、CXD暗電流的處理及濾 波，波長(zhǎng)定標(biāo)，峰值探測(cè)，波形顯示，文件保存等。利用基于CPLD設(shè)計(jì)的硬件電路代替集成電路可以有效的減小電路板面積，從而減小光譜儀器的體積；利用LABVIEW虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)光譜儀的上位機(jī)應(yīng)用程序，具有功 能強(qiáng)大、人機(jī)交互界面友好、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的有益效果:波長(zhǎng)寬、性能穩(wěn)定、分辨率高、靈敏度高、體積小、功耗低、價(jià)格 低、重量輕、使用方便。


圖1是光學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理圖；圖2是系統(tǒng)硬件電路原理框圖；圖3是信號(hào)調(diào)理電路圖；圖4是信號(hào)高速采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)圖；圖5是CPLD內(nèi)部功能各模塊框架結(jié)構(gòu)關(guān)系圖；圖6是CPLD頂層文件的設(shè)計(jì)輸入圖；圖7是JSXS3文件的設(shè)計(jì)輸入圖；圖8是利用CPLD產(chǎn)生的采集一幀圖像仿真波形圖；圖9是放大的CXD時(shí)序仿真圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1 9對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
參照?qǐng)D1、圖2，一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，包括光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)及上位機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)是折疊交叉非對(duì)稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)， 包括兩片反射鏡和閃耀光柵G ；所述光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測(cè)器CCD、復(fù)雜 可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測(cè)器 CCD,所述光譜探測(cè)器CCD將聚焦于CCD探測(cè)器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強(qiáng)變化的 電信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理；所述用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生C⑶正常工作所 需要的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以及A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理所需要的同步和 控制信號(hào)；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；所述單片機(jī)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號(hào)存于RAM并送上位機(jī)進(jìn)行后期處理。所述兩片發(fā)射鏡是非球面凹面反射鏡，分別是準(zhǔn)直物鏡Ml和聚焦物鏡M2。所述光譜探測(cè)器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路將電信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理。所述上位機(jī)采用LABVIEW軟件進(jìn)行光譜分析。本發(fā)明中的閃耀光柵G為600線/mm，閃耀波長(zhǎng)為400mm閃耀角為7. 4°，閃耀方 向?yàn)?3. 9°。所述信號(hào)調(diào)理電路采用的是AD8041芯片，電路圖見(jiàn)圖3。圖4所示的是信號(hào)高速 采集與處理系統(tǒng)圖，CCD選用的是東芝公司的TCD1304AP，實(shí)際有效的光敏單元為3648個(gè) 光電二極管，A/D選用的是12位高速AD9223芯片，所以至少需要3648/1024KX12(約為 3.56ΚΧ8)的存儲(chǔ)單元，因此選用兩片6264(8ΚΧ8)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。 單片機(jī)開(kāi)機(jī)復(fù)位后，置Pl. 0為0，置Pl. 1為0，置Pl. 2為0，置Pl. 5為高，置Pl. 7為低， P3. 0和P3. 1均置為高，此時(shí)6264處于寫(xiě)狀態(tài)，與門(mén)Al和A2截?cái)嗔?elk信號(hào)進(jìn)入，即計(jì)數(shù) 器不能工作，此時(shí)將這兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零，之后等待ICG下降沿到來(lái)，單片機(jī)P3. 2檢測(cè)到ICG 為低的時(shí)候，置Pl. 2為高電平，此時(shí)andl還不能讓CLK通過(guò)，當(dāng)ICG再變?yōu)楦唠娖綍r(shí)CLK 通過(guò)，這時(shí)計(jì)數(shù)器Cl就開(kāi)始計(jì)數(shù)了，從DO數(shù)到D31以及Si，即計(jì)數(shù)到33便產(chǎn)生溢出，這時(shí) 單片機(jī)檢測(cè)到Pl. 4為高電平，再將Pl. 0置為高，這時(shí)與門(mén)A2就開(kāi)通讓CLK信號(hào)通過(guò)，提供 給A/D芯片時(shí)鐘信號(hào)，這樣A/D就開(kāi)始工作了，同時(shí)由于經(jīng)過(guò)或門(mén)和非門(mén)后的低電平后使得 兩片6264被選通，這樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就可以存儲(chǔ)于6264中，當(dāng)然這要配合計(jì)數(shù)器C2產(chǎn)生 地址，計(jì)數(shù)器二的時(shí)鐘信號(hào)也是CLK，這樣就可以同步控制A/D轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，當(dāng)存完所有數(shù) 據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)器C2將產(chǎn)生溢出信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到Pl. 6為高電平時(shí)，將置Pl. 7為高，隔離A/ D和存儲(chǔ)器，再置Pl. 0為低電平，不讓CLK信號(hào)進(jìn)入，最后置P3. 0、P3. 1為0，再讓單片機(jī)產(chǎn) 生讀脈沖Pl. 1，讓其進(jìn)入計(jì)數(shù)器C2作為計(jì)數(shù)器C2的時(shí)鐘，將RAM里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用的 傳輸?shù)紺PU，再由CPU通過(guò)USB接口送到PC機(jī)。圖5是CPLD內(nèi)部功能各模塊框架結(jié)構(gòu)關(guān)系，CPLD芯片選用的是Altera公司的 EPM7064S，它屬于Altera公司CPLD器件MAX7000系列，是基于乘積項(xiàng)的CPLD適于實(shí)現(xiàn)高 速、復(fù)雜的組合邏輯。EPM7064S擁有1250個(gè)可用門(mén)和在系統(tǒng)可編程(ISP)功能，并保證擦 除100次以上。通過(guò)Altera公司的設(shè)計(jì)軟件QUARTUS II軟件提供的層次化的設(shè)計(jì)，頂層 文件采用的是圖形塊輸入設(shè)計(jì)法，在圖形文件中調(diào)用VHDL文本設(shè)計(jì)各個(gè)模塊元件。圖中的 六個(gè)模塊 C0UNTERC1、C0UNTERC2、DIV12、CCDSHIXU1、ADSHIXU1、C0UNTERICG1 模塊均由 VHDL 文本輸入方式設(shè)計(jì)。圖6是設(shè)計(jì)的頂層文件結(jié)構(gòu)，圖7是模塊JSXS3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
當(dāng)完成CPLD設(shè)計(jì)后，采集一幀圖像仿真的圖如圖8所示，圖中o_m_clk為2MHz，將 直接輸出至(XD，0_ad_clk是o_m_clk的四分頻。它是A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，將不會(huì)立即輸出， 原因是CCD第一個(gè)工作周期采光的數(shù)據(jù)將在第二個(gè)工作周期輸出。CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖9所示利用Labview開(kāi)發(fā)光譜分析，其功能模塊包括通信、CXD暗電流的處理及濾波，波 長(zhǎng)定標(biāo)，峰值探測(cè)，波形顯示，文件保存等。在Labview環(huán)境下進(jìn)行USB通信，必須在Labview 庫(kù)中有可執(zhí)行的USB節(jié)點(diǎn)函數(shù)，通過(guò)此節(jié)點(diǎn)函數(shù)可以將Labview與USB底層驅(qū)動(dòng)相連接， 只有這樣才可以通過(guò)Labview軟件對(duì)該USB設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)操作和控制。雖然在Labview 環(huán)境下Labview本身并沒(méi)有提供與USB底層驅(qū)動(dòng)相連接動(dòng)態(tài)庫(kù)，但是通過(guò)Labview的“調(diào) 用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”模塊可以很容易地調(diào)用自己開(kāi)發(fā)或者其他公司提供的硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程 序。數(shù)據(jù)處理部分我們應(yīng)用LABVIEW功能模塊(Functions Palette)上“數(shù)組”(Array) 和“分析”(Analyze)庫(kù)中的眾多模塊處理數(shù)據(jù)?！胺逯禉z測(cè)”(Waveform Peak Detection) 模塊實(shí)現(xiàn)“帶閾值的多極值查找”功能，只需設(shè)定查找目標(biāo)和閾值，輸入數(shù)據(jù)，就會(huì)輸出 此閾值上的多個(gè)峰(谷)的位置、幅值等信息。如果僅需最大峰，則可以使用“數(shù)組最 值” (ArrayMax&Min)模塊。用“寫(xiě)電子表格文件” (Write To Spreadsheet File)模塊實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)的保存，“讀電子表格文件”(Read form Spreadsheet File)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能， 設(shè)定已存數(shù)據(jù)文件路徑、選擇讀取部分還是全部數(shù)據(jù)，就可以輸出波長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)光強(qiáng)組成的 二維數(shù)據(jù)。光譜圖的顯示使用坐標(biāo)圖(XY Graph)控件。本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù) 范圍的不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，其特征在于包括光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)及上位機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)是折疊交叉非對(duì)稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)，包括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測(cè)器CCD、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測(cè)器CCD，所述光譜探測(cè)器CCD將聚焦于CCD探測(cè)器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強(qiáng)變化的電信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理；所述用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生CCD正常工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以及A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理所需要的同步和控制信號(hào)；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；所述單片機(jī)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存于RAM并送上位機(jī)進(jìn)行后期處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，其特征在 于所述兩片發(fā)射鏡是非球面凹面反射鏡，分別是準(zhǔn)直物鏡和聚焦物鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，其特征 在于所述光譜探測(cè)器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路將電 信號(hào)進(jìn)行放大和降噪處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，其特征在 于所述上位機(jī)采用LABVIEW軟件進(jìn)行光譜分析。
全文摘要
一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，包括光學(xué)系統(tǒng)、光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)及上位機(jī)，所述光學(xué)系統(tǒng)是折疊交叉非對(duì)稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)，包括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號(hào)獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測(cè)器CCD、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)，光譜探測(cè)器CCD將聚焦于CCD探測(cè)器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強(qiáng)變化的電信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行處理；CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生CCD正常工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，以及A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理所需要的同步和控制信號(hào)；單片機(jī)負(fù)責(zé)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存于RAM并送計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期處理。本發(fā)明的有益效果性能穩(wěn)定、分辨率高、靈敏度高、體積小、功耗低、價(jià)格低、使用方便。
文檔編號(hào)G01J3/32GK101839768SQ201010171799
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者楊洋, 童建平, 隋成華, 魏高堯 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)