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：
本實用新型屬于光電檢測儀器領(lǐng)域，尤其是光譜測量技術(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基本的分析工具，是現(xiàn)代天文、化學、物理各研究領(lǐng) 域和生產(chǎn)領(lǐng)域的有利工具。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在地礦勘探、生物醫(yī)學、環(huán)境檢測等領(lǐng)域 對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、性價比高等優(yōu)點；同時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，使測量更加方便。便攜式光纖光譜儀的研究越來越受到重視，成為了目前 世界各國光譜儀器研制的熱點。據(jù)資料不完全統(tǒng)計，在光譜儀器領(lǐng)域，國外有8家知名生產(chǎn) 廠商而國內(nèi)有7家主要生產(chǎn)廠商；在便攜式光譜儀器領(lǐng)域，國外有7家知名廠商而國內(nèi)僅有 兩家，而且多為便攜式分光光度計。此外國外還有眾多的微型光譜儀生產(chǎn)廠家，有著相當高 的銷售額，總體來說，國內(nèi)的微型光譜儀市場幾乎被國外儀器壟斷。因此，研究和開發(fā)高性 能、多功能、低成本以及具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的便攜式光譜儀具有一定的實際意義。光譜儀中的光電探測器CXD的驅(qū)動電路有四種設(shè)計方案=EPROM驅(qū)動、IC驅(qū)動、單 片機驅(qū)動以及可編程邏輯器件驅(qū)動。在專利《一種便攜式光譜儀》(101532878)中，CCD時序 是由單片機產(chǎn)生的。單片機驅(qū)動方法與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)計方法中， 硬件電路非常簡單，但是存在資源浪費較多，頻率較低的缺陷?？删幊踢壿嬈骷?PLD)設(shè)計 法實現(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仿真，整個系 統(tǒng)完成時也可以在計算機上進行仿真，不需要外部儀器就可以檢查修改設(shè)計中的問題。PLD 包括CPLD和FPGA，在《基于CXD的小型化光譜儀的設(shè)計與研究》一文中采用的是FPGA芯 片EPIC3T144C8來產(chǎn)生CXD驅(qū)動時序，它的上位機的光譜處理軟件的設(shè)計采用的是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；脫機使用時需要與PROM聯(lián)用，不能加密，延時不可預測，適用 于邏輯相對簡單的數(shù)據(jù)密集型系統(tǒng)。對于應(yīng)用程序，可以采用VB、VC++等語言來編寫。這 些語言都能夠與系統(tǒng)底層硬件相聯(lián)系，但是在用VC++、VB等語言編寫軟件的過程要編寫大 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器CCD的驅(qū)動電路存在資源浪費較多、頻率 較低的缺陷，本實用新型提供了一種在保證光譜儀微型化的同時實現(xiàn)寬光譜高分辨率的測 試要求的基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀。本實用新型的技術(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系統(tǒng)、光譜信號獲取與處理系統(tǒng)及上位機，所述光學系統(tǒng)是折疊交叉非對稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)，包 括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測器CCD、復雜可編 程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機，所述光學系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測器CCD， 所述光譜探測器CCD將聚焦于CCD探測器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強變化的電信 號送入單片機中進行處理；所述用復雜可編程邏輯器件CPLD負責產(chǎn)生C⑶正常工作所需要 的驅(qū)動脈沖信號，以及A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號和單片機對信號進行處理所需要的同步和控制 信號；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述單片機負責將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號 存于RAM并送上位機進行后期處理。進一步，所述兩片發(fā)射鏡是非球面凹面反射鏡，分別是準直物鏡和聚焦物鏡。進一步，所述光譜探測器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號調(diào)理電路，所述信號調(diào) 理電路將電信號進行放大和降噪處理。進一步，所述上位機采用LABVIEW軟件進行光譜分析。入射光通過入射光纖、經(jīng)過狹縫、進入到準直物鏡準直后，入射到閃耀光柵上，經(jīng) 過閃耀光柵分光入射到聚焦物鏡，最后聚焦于CCD上，進行相應(yīng)的信號采集。入射光束經(jīng)光學系統(tǒng)準直分光后，按波長順序聚焦于CCD探測器的像敏面上，由 CXD探測器將其轉(zhuǎn)變成隨光強變化的電信號送入單片機中進行處理。CPLD負責產(chǎn)生CXD正 常工作所需要的驅(qū)動脈沖信號，以及A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號和單片機對信號進行處理所需要 的同步和控制信號。單片機負責將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存于RAM并送上位機進行后期處理。上位機利用LABVIEW開發(fā)光譜分析，其功能模塊包括通信、CXD暗電流的處理及濾 波，波長定標，峰值探測，波形顯示，文件保存等。利用基于CPLD設(shè)計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虛擬儀器軟件開發(fā)光譜儀的上位機應(yīng)用程序，具有功 能強大、人機交互界面友好、使用靈活等優(yōu)點。本實用新型的有益效果波長寬、性能穩(wěn)定、分辨率高、靈敏度高、體積小、功耗低、 價格低、重量輕、使用方便。

圖1是光學平臺的設(shè)計原理圖；圖2是系統(tǒng)硬件電路原理框圖；圖3是信號調(diào)理電路圖；圖4是信號高速采集與存儲系統(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)計輸入圖；圖7是JSXS3文件的設(shè)計輸入圖；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時序仿真圖。
具體實施方式
下面結(jié)合圖1 9對本實用新型作進一步說明[0025]參照圖1、圖2，一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，包括光學系統(tǒng)、光 譜信號獲取與處理系統(tǒng)及上位機，所述光學系統(tǒng)是折疊交叉非對稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)， 包括兩片反射鏡和閃耀光柵G ；所述光譜信號獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測器CCD、復雜 可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機，所述光學系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測器 CCD,所述光譜探測器CCD將聚焦于CCD探測器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強變化的 電信號送入單片機中進行處理；所述用復雜可編程邏輯器件CPLD負責產(chǎn)生C⑶正常工作所 需要的驅(qū)動脈沖信號，以及A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號和單片機對信號進行處理所需要的同步和 控制信號；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述單片機負責將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號存于RAM并送上位機進行后期處理。所述兩片發(fā)射鏡是非球面凹面反射鏡，分別是準直物鏡Ml和聚焦物鏡M2。所述光譜探測器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路 將電信號進行放大和降噪處理。所述上位機采用LABVIEW軟件進行光譜分析。本實用新型中的閃耀光柵G為600線/mm，閃耀波長為400mm閃耀角為7. 4°，閃 耀方向為13. 9°。所述信號調(diào)理電路采用的是AD8041芯片，電路圖見圖3。圖4所示的是信號高速 采集與處理系統(tǒng)圖，CCD選用的是東芝公司的TCD1304AP，實際有效的光敏單元為3648個 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)的存儲單元，因此選用兩片6264(8ΚΧ8)存儲器來存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。 單片機開機復位后，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6264處于寫狀態(tài)，與門Al和A2截斷了 elk信號進入，即計數(shù) 器不能工作，此時將這兩個計數(shù)器清零，之后等待ICG下降沿到來，單片機P3. 2檢測到ICG 為低的時候，置Pl. 2為高電平，此時andl還不能讓CLK通過，當ICG再變?yōu)楦唠娖綍rCLK 通過，這時計數(shù)器Cl就開始計數(shù)了，從DO數(shù)到D31以及Si，即計數(shù)到33便產(chǎn)生溢出，這時 單片機檢測到Pl. 4為高電平，再將Pl. 0置為高，這時與門A2就開通讓CLK信號通過，提供 給A/D芯片時鐘信號，這樣A/D就開始工作了，同時由于經(jīng)過或門和非門后的低電平后使得 兩片6264被選通，這樣轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)就可以存儲于6264中，當然這要配合計數(shù)器C2產(chǎn)生 地址，計數(shù)器二的時鐘信號也是CLK，這樣就可以同步控制A/D轉(zhuǎn)換和存儲，當存完所有數(shù) 據(jù)時，計數(shù)器C2將產(chǎn)生溢出信號，單片機檢測到Pl. 6為高電平時，將置Pl. 7為高，隔離A/ D和存儲器，再置Pl. 0為低電平，不讓CLK信號進入，最后置P3. 0、P3. 1為0，再讓單片機產(chǎn) 生讀脈沖Pl. 1，讓其進入計數(shù)器C2作為計數(shù)器C2的時鐘，將RAM里存儲的數(shù)據(jù)分時復用的 傳輸?shù)紺PU，再由CPU通過USB接口送到PC機。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，是基于乘積項的CPLD適于實現(xiàn)高 速、復雜的組合邏輯。EPM7064S擁有1250個可用門和在系統(tǒng)可編程(ISP)功能，并保證擦 除100次以上。通過Altera公司的設(shè)計軟件QUARTUS II軟件提供的層次化的設(shè)計，頂層 文件采用的是圖形塊輸入設(shè)計法，在圖形文件中調(diào)用VHDL文本設(shè)計各個模塊元件。圖中的 六個模塊 C0UNTERC1、C0UNTERC2、DIV12、CCDSHIXU1、ADSHIXU1、C0UNTERICG1 模塊均由 VHDL 文本輸入方式設(shè)計。圖6是設(shè)計的頂層文件結(jié)構(gòu)，圖7是模塊JSXS3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
5[0032]當完成CPLD設(shè)計后，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)換的時鐘，將不會立即輸出， 原因是CCD第一個工作周期采光的數(shù)據(jù)將在第二個工作周期輸出。CCD驅(qū)動時序如圖9所示。利用Labview開發(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 長定標，峰值探測，波形顯示，文件保存等。在Labview環(huán)境下進行USB通信，必須在Labview 庫中有可執(zhí)行的USB節(jié)點函數(shù)，通過此節(jié)點函數(shù)可以將Labview與USB底層驅(qū)動相連接， 只有這樣才可以通過Labview軟件對該USB設(shè)備進行讀寫操作和控制。雖然在Labview 環(huán)境下Labview本身并沒有提供與USB底層驅(qū)動相連接動態(tài)庫，但是通過Labview的“調(diào) 用庫函數(shù)節(jié)點”模塊可以很容易地調(diào)用自己開發(fā)或者其他公司提供的硬件設(shè)備的驅(qū)動程 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)庫中的眾多模塊處理數(shù)據(jù)。“峰值檢測”(Waveform Peak Detection) 模塊實現(xiàn)“帶閾值的多極值查找”功能，只需設(shè)定查找目標和閾值，輸入數(shù)據(jù)，就會輸出 此閾值上的多個峰(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“寫電子表格文件” (Write To Spreadsheet File)模塊實現(xiàn) 數(shù)據(jù)的保存，“讀電子表格文件”(Read form Spreadsheet File)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)導入功能， 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)，就可以輸出波長和對應(yīng)光強組成的 二維數(shù)據(jù)。光譜圖的顯示使用坐標圖(XY Graph)控件。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新 型的保護范圍的不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也 及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(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系統(tǒng)、光譜信號獲取與處理系統(tǒng)及上位機，所述光學系統(tǒng)是折疊交叉非對稱式切尼爾 特納結(jié)構(gòu)，包括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測器CCD、復雜可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機，所述光學系統(tǒng)將入射光束聚焦于光譜探測器CCD，所述光譜探測器CCD將聚焦于CCD探測器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強變化的電信號送入單片機中進行處理；所述用復雜可編程邏輯器件CPLD負責產(chǎn)生CCD正常工作所需要的驅(qū)動脈沖信號，以及A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號和單片機對信號進行處理所需要的同步和控制信號；所述A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述單片機負責將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存于RAM并送上位機進行后期處理。
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 在于所述光譜探測器CCD與A/D轉(zhuǎn)換電路之間設(shè)有信號調(diào)理電路，所述信號調(diào)理電路將電 信號進行放大和降噪處理。
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 于所述上位機采用LABVIEW軟件進行光譜分析。
專利摘要一種基于CPLD和LABVIEW的便攜式光纖光譜儀，包括光學系統(tǒng)、光譜信號獲取與處理系統(tǒng)及上位機，所述光學系統(tǒng)是折疊交叉非對稱式切尼爾-特納結(jié)構(gòu)，包括兩片反射鏡和閃耀光柵；所述光譜信號獲取與處理系統(tǒng)包括光譜探測器CCD、復雜可編程邏輯器件CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機，光譜探測器CCD將聚焦于CCD探測器的像敏面上的入射光束轉(zhuǎn)變成隨光強變化的電信號送入單片機中進行處理；CPLD負責產(chǎn)生CCD正常工作所需要的驅(qū)動脈沖信號，以及A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號和單片機對信號進行處理所需要的同步和控制信號；單片機負責將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存于RAM并送計算機進行后期處理。本實用新型的有益效果性能穩(wěn)定、分辨率高、靈敏度高、體積小、功耗低、價格低、使用方便。
文檔編號G02B5/10GK201680909SQ20102018877
公開日2010年12月22日 申請日期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 申請人:浙江工業(yè)大學