一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，包括USB接口電路、電源管理電路、基準(zhǔn)時(shí)鐘電路、主控與時(shí)序發(fā)生電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路和同步信號(hào)輸出接口；USB接口電路用于為電源管理電路提供直流電源，并為所述主控與時(shí)序發(fā)生電路提供與上位機(jī)通信的接口；基準(zhǔn)時(shí)鐘電路與主控與時(shí)序發(fā)生電路連接，為其提供所需工作時(shí)鐘；主控與時(shí)序發(fā)生電路用于在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生多路同步脈沖時(shí)序信號(hào)，并經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出；同步信號(hào)輸出接口與輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，為激光器和光譜儀的信號(hào)傳輸線纜提供標(biāo)準(zhǔn)接口。本實(shí)用新型具有多通道、高精度、頻率與脈寬可調(diào)的特點(diǎn)，既可滿足LIBS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)時(shí)序控制的要求，也可集成到手持式LIBS分析儀等小型儀器中。
【專利說明】
一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy簡(jiǎn)稱LIBS)是一種利用原子發(fā)射光譜分析物質(zhì)元素的技術(shù)，其基本原理是利用高能激光燒蝕電離樣品表面，激發(fā)出等離子體，通過對(duì)等離子體冷卻過程中輻射的特征光譜進(jìn)行分析，可以對(duì)樣品的元素進(jìn)行定性和定量分析。該技術(shù)具有無需樣品制備、多組分快速分析、在線原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于冶金分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、在線監(jiān)控等領(lǐng)域。
[0003]由于在等離子體整個(gè)生命周期中，不同時(shí)間階段的特征光譜信號(hào)強(qiáng)度和信噪比存在差別，而特征光譜的信號(hào)強(qiáng)度和信噪比直接影響定量分析的準(zhǔn)確度和檢測(cè)極限，因此存在最佳的光譜米集時(shí)間點(diǎn)。LIBS系統(tǒng)中，通常米用可調(diào)延時(shí)精度在納秒或皮秒級(jí)別的多通道延時(shí)發(fā)生器來精確控制激光器出光與光譜儀采集光譜的時(shí)間間隔(即工作時(shí)序)，從而獲取最佳光譜數(shù)據(jù)。因此，時(shí)序控制器在LIBS系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性作用。
[0004]現(xiàn)有LIBS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一般采用通用型延時(shí)發(fā)生器(如美國Stanford公司的DG535)來控制工作時(shí)序。這類時(shí)序控制器雖然性能優(yōu)良，但體積大、功耗高、價(jià)格昂貴，且依賴進(jìn)口，不適用于系統(tǒng)集成。而且，隨著LIBS系統(tǒng)逐漸走向儀器化和小型化，現(xiàn)有時(shí)序控制器無法滿足系統(tǒng)對(duì)體積、功耗、可集成性等方面的嚴(yán)格要求，需要開發(fā)一種適用于LIBS系統(tǒng)的小體積、低功耗、低成本、易集成的新型時(shí)序控制器。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有時(shí)序控制器無法滿足LIBS系統(tǒng)儀器化和小型化需求的問題，提出一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，是一種小型化的高精度多通道時(shí)序控制器，既可滿足LIBS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)時(shí)序控制的要求，也可集成到手持式LIBS分析儀等小型儀器中。
[0006]本實(shí)用新型提供的一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，它包括USB接口電路、電源管理電路、基準(zhǔn)時(shí)鐘電路、主控與時(shí)序發(fā)生電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路和同步信號(hào)輸出接口；
[0007]所述USB接口電路與電源管理電路連接，用于提供直流電源，另外還與所述主控與時(shí)序發(fā)生電路連接，用于提供與上位機(jī)通信的接口 ；
[0008]所述電源管理電路為時(shí)序控制器中各部件提供所需工作電壓；
[0009]所述基準(zhǔn)時(shí)鐘電路與所述主控與時(shí)序發(fā)生電路連接，為其提供所需工作時(shí)鐘；
[0010]所述主控與時(shí)序發(fā)生電路與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，用于在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生多路同步脈沖時(shí)序信號(hào)，并經(jīng)所述輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出；
[0011]所述同步信號(hào)輸出接口與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，用于為激光器和光譜儀的信號(hào)傳輸線纜提供標(biāo)準(zhǔn)接口。
[0012]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述主控與時(shí)序發(fā)生電路由單片微控制器MCU構(gòu)成。所述微控制器MCU內(nèi)部集成有時(shí)鐘倍頻PLL模塊、脈寬調(diào)制HRPWM模塊、串口通信SCI模塊、定時(shí)器和中央處理器CPU;時(shí)鐘倍頻PLL模塊與所述基準(zhǔn)時(shí)鐘電路相連，對(duì)外部基準(zhǔn)時(shí)鐘倍頻后，為MCU提供系統(tǒng)時(shí)鐘;脈寬調(diào)制HRP麗模塊與輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生多路同步脈沖時(shí)序信號(hào)經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出；串口通信SCI模塊與所述USB接口電路相連，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信;定時(shí)器在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下計(jì)時(shí)，通過計(jì)時(shí)中斷周期性地驅(qū)動(dòng)CPU重新加載HRPffM模塊參數(shù)并重新使能該模塊，產(chǎn)生周期性同步脈沖時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的控制；中央處理器CPU用于系統(tǒng)控制，根據(jù)上位機(jī)指令設(shè)置各模塊運(yùn)行參數(shù)，并監(jiān)控各模塊運(yùn)行狀態(tài)。
[0013]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述脈寬調(diào)制HRPWM模塊設(shè)有多個(gè)可同步使能的獨(dú)立單元，每一單元包括數(shù)字計(jì)數(shù)器、比較器、二個(gè)比較寄存器和可編程延時(shí)線，數(shù)字計(jì)數(shù)器、二個(gè)比較寄存器以及可編程延時(shí)線均與比較器相連，所述可編程延時(shí)線與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連。
[0014]作為上述技術(shù)方案的更進(jìn)一步改進(jìn)，所述USB接口電路包括USB轉(zhuǎn)串口和USB供電兩部分;USB供電部分與電源管理電路連接，USB轉(zhuǎn)串口部分與微控制器MCU內(nèi)部的串口通信SCI模塊連接。
[0015]本實(shí)用新型采用單片高度集成的微控制器芯片和少量外圍電路實(shí)現(xiàn)了多通道、高精度、頻率與脈寬可調(diào)的同步脈沖時(shí)序控制器，在滿足LIBS系統(tǒng)對(duì)時(shí)序控制要求的基礎(chǔ)上，大幅度減小了時(shí)序控制器的體積、功耗、成本，可集成到手持式LIBS分析儀等小型儀器中。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實(shí)用新型實(shí)例提供的微控制器M⑶內(nèi)脈寬調(diào)制HRPffM單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是各通道時(shí)序不意圖；
[0019]圖3中，Ax、Bx分別表示第X單元的比較寄存器A和B的值。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本實(shí)用新型實(shí)例提供了一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，包括USB接口電路、電源管理電路、基準(zhǔn)時(shí)鐘電路、主控與時(shí)序發(fā)生電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路和同步信號(hào)輸出接口。
[0022]所述USB接口電路包括USB轉(zhuǎn)串口和USB供電兩部分;USB供電部分與電源管理電路連接，提供5V/500mA直流電源；電源管理電路為各電路模塊提供所需工作電壓;USB轉(zhuǎn)串口部分與微控制器MCU內(nèi)部的串口通信SCI模塊連接，提供與上位機(jī)通信的接口。
[0023]所述基準(zhǔn)時(shí)鐘電路由20MHz高精度有源晶振構(gòu)成，與微控制器MCU內(nèi)部時(shí)鐘倍頻PLL模塊相連，為MCU內(nèi)部各模塊提供所需工作時(shí)鐘。
[0024]所述主控與時(shí)序發(fā)生電路由單片微控制器MCU(如TI TMS320C28346)構(gòu)成。微控制器MCU內(nèi)部集成有時(shí)鐘倍頻PLL模塊、脈寬調(diào)制HRPWM模塊、串口通信SCI模塊、定時(shí)器和中央處理器CPU。時(shí)鐘倍頻PLL模塊與外部基準(zhǔn)時(shí)鐘電路相連，對(duì)20MHz外部基準(zhǔn)時(shí)鐘10倍倍頻后，為M⑶提供200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘;脈寬調(diào)制HRPffM模塊與輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，在200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生8路同步脈沖時(shí)序信號(hào)經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出；串口通信SCI模塊與USB接口電路的USB轉(zhuǎn)串口部分相連，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信;定時(shí)器在200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下計(jì)時(shí)，通過計(jì)時(shí)中斷周期性地驅(qū)動(dòng)CPU重新加載HRPffM模塊參數(shù)并重新使能該模塊，產(chǎn)生周期性同步脈沖時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的控制。所述中央處理器CPU用于系統(tǒng)控制，根據(jù)上位機(jī)指令設(shè)置各模塊運(yùn)行參數(shù)，并監(jiān)控各模塊運(yùn)行狀態(tài)。
[0025]更進(jìn)一步的，所述脈寬調(diào)制HRPffM模塊，擁有8個(gè)可同步使能的獨(dú)立單元，每一單元包括:16位數(shù)字計(jì)數(shù)器、比較器、16位比較寄存器A和B、可調(diào)延時(shí)分辨率為55ps的可編程延時(shí)線，如圖2所示。比較器分別與數(shù)字計(jì)數(shù)器、比較寄存器A和B、可編程延時(shí)線相連，可編程延時(shí)線與外部輸出驅(qū)動(dòng)電路相連。所述脈寬調(diào)制HRPffM模塊具有高分辨率。
[0026]HRPffM模塊產(chǎn)生同步脈沖時(shí)序信號(hào)的原理如下:
[0027]當(dāng)CPU同步使能HRPffM模塊各單元后，各單元的數(shù)字計(jì)數(shù)器在200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下同步計(jì)數(shù)，每一個(gè)時(shí)鐘周期(5ns)計(jì)數(shù)器加I，同時(shí)與本單元比較寄存器A和B進(jìn)行比值，當(dāng)值相等時(shí)，比較器輸出電平均立即翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。如圖3所示，各單元脈沖信號(hào)前沿間的相對(duì)時(shí)延等于各單元比較寄存器A的差值乘以時(shí)鐘周期5ns，各單元脈沖信號(hào)寬度等于各自比較寄存器B與A的差值乘以時(shí)鐘周期5ns。通過設(shè)置各單元比較寄存器A的值，即可產(chǎn)生可調(diào)相對(duì)延時(shí)分辨率為5ns的8路同步脈沖信號(hào);通過設(shè)置各單元比較寄存器B的值，即可調(diào)整各自脈沖信號(hào)寬度。
[0028]各單元比較器產(chǎn)生的5ns延時(shí)分辨率的脈沖信號(hào)輸入到各自的可編程延時(shí)線進(jìn)行二次精細(xì)延時(shí)。如圖2所示，各單元可編程延時(shí)線均由255段傳輸時(shí)延為55ps的可選通可編程延時(shí)線串聯(lián)組成，選通的串聯(lián)可編程延時(shí)線的數(shù)量由選通寄存器的值決定。通過設(shè)置各單元可編程延時(shí)線選通寄存器的值，即可對(duì)各單元脈沖前沿間的相對(duì)時(shí)延進(jìn)行二次精細(xì)調(diào)節(jié)，獲得可調(diào)延時(shí)分辨率為55ps的8路同步脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路調(diào)整信號(hào)電壓和驅(qū)動(dòng)能力后輸出。
[0029]所述輸出驅(qū)動(dòng)電路由單片8路驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成，各路傳輸線作等長(zhǎng)處理，使各路間傳輸時(shí)延一致。通過同步信號(hào)輸出接口輸出到激光器和光譜儀。
[0030]所述同步信號(hào)輸出接口由8個(gè)阻抗50歐姆的SMA母座構(gòu)成，為激光器和光譜儀的信號(hào)傳輸線纜提供標(biāo)準(zhǔn)接口。
[0031 ]本實(shí)用新型的工作過程是:
[0032](I)微控制器MCU上電復(fù)位，進(jìn)入串口SCI Boot模式，通過串口SCI模塊和USB接口電路從上位機(jī)下載固件程序;運(yùn)行固件程序，初始化時(shí)鐘倍頻PLL模塊產(chǎn)生200MHz系統(tǒng)時(shí)鐘、初始化HRPffM模塊、初始化定時(shí)器；
[0033](2)上位機(jī)下發(fā)通道選通指令、相對(duì)延時(shí)參數(shù)、脈寬參數(shù)、頻率參數(shù)，CPU通過串口SCI FIFO接收中斷函數(shù)接收指令，根據(jù)接收到的通道指令參數(shù)設(shè)置HRPmi各單元比較寄存器A和B、可編程延時(shí)線選通寄存器，設(shè)置定時(shí)器周期寄存器；
[0034](3)上位機(jī)下發(fā)開始指令，CPU收到開始指令后，使能定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，并同步使能HRPWM各單元計(jì)數(shù)器同步開始計(jì)數(shù)；當(dāng)各單元計(jì)數(shù)器值與各自比較寄存器A、B的值相等時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)過選通的可編程延時(shí)線延時(shí)后輸出；當(dāng)所有選通的單元全部產(chǎn)生脈沖信號(hào)后，停止HRPWM所有單元計(jì)數(shù)器，等待定時(shí)器中斷；當(dāng)定時(shí)器中斷產(chǎn)生時(shí)，CPU重新設(shè)置HRPffM各單元寄存器，并從新使能各單元計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，產(chǎn)生下一輪脈沖信號(hào)。
[0035](4)當(dāng)上位機(jī)下發(fā)停止指令時(shí)，CPU停止定時(shí)器和HRP麗所有單元計(jì)數(shù)器并重新設(shè)置各單元寄存器，等待開始指令;在停止?fàn)顟B(tài)下，上位機(jī)下發(fā)通道參數(shù)指令，CPU更新各寄存器的值，等待開始指令。
[0036]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0037]本實(shí)用新型采用單片高度集成的微控制器芯片和少量外圍電路實(shí)現(xiàn)了8通道、55ps可調(diào)相對(duì)延時(shí)精度、頻率與脈寬可調(diào)的同步脈沖時(shí)序控制器，在滿足LIBS系統(tǒng)對(duì)時(shí)序控制要求的基礎(chǔ)上，大幅度減小了時(shí)序控制器的體積、功耗、成本，可集成到手持式LIBS分析儀等小型儀器中。
[0038]以上僅是針對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例及其技術(shù)原理所做的說明，而并非對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容所進(jìn)行的限制，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型所公開的技術(shù)范圍內(nèi)，所容易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，它包括USB接口電路、電源管理電路、基準(zhǔn)時(shí)鐘電路、主控與時(shí)序發(fā)生電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路和同步信號(hào)輸出接口； 所述USB接口電路與電源管理電路連接，用于提供直流電源，另外還與所述主控與時(shí)序發(fā)生電路連接，用于提供與上位機(jī)通信的接口 ； 所述電源管理電路為時(shí)序控制器中各部件提供所需工作電壓； 所述基準(zhǔn)時(shí)鐘電路與所述主控與時(shí)序發(fā)生電路連接，為其提供所需工作時(shí)鐘； 所述主控與時(shí)序發(fā)生電路與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，用于在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生多路同步脈沖時(shí)序信號(hào)，并經(jīng)所述輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出； 所述同步信號(hào)輸出接口與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，用于為激光器和光譜儀的信號(hào)傳輸線纜提供標(biāo)準(zhǔn)接口。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，所述主控與時(shí)序發(fā)生電路由單片微控制器MCU構(gòu)成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，所述微控制器MCU內(nèi)部集成有時(shí)鐘倍頻PLL模塊、脈寬調(diào)制HRPffM模塊、串口通信SCI模塊、定時(shí)器和中央處理器CPU; 時(shí)鐘倍頻PLL模塊與所述基準(zhǔn)時(shí)鐘電路相連，對(duì)外部基準(zhǔn)時(shí)鐘倍頻后，為MCU提供系統(tǒng)時(shí)鐘;脈寬調(diào)制HRPffM模塊與輸出驅(qū)動(dòng)電路相連，在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生多路同步脈沖時(shí)序信號(hào)經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出；串口通信SCI模塊與所述USB接口電路相連，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信；定時(shí)器在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下計(jì)時(shí)，通過計(jì)時(shí)中斷周期性地驅(qū)動(dòng)CPU重新加載HRPWM模塊參數(shù)并重新使能該模塊，產(chǎn)生周期性同步脈沖時(shí)序信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖頻率的控制；中央處理器CPU用于系統(tǒng)控制，根據(jù)上位機(jī)指令設(shè)置各模塊運(yùn)行參數(shù)，并監(jiān)控各模塊運(yùn)行狀態(tài)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，所述脈寬調(diào)制HRPWM模塊設(shè)有多個(gè)可同步使能的獨(dú)立單元，每一單元包括數(shù)字計(jì)數(shù)器、比較器、二個(gè)比較寄存器和可編程延時(shí)線，數(shù)字計(jì)數(shù)器、二個(gè)比較寄存器以及可編程延時(shí)線均與比較器相連，所述可編程延時(shí)線與所述輸出驅(qū)動(dòng)電路相連。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的時(shí)序控制器，其特征在于，所述USB接口電路包括USB轉(zhuǎn)串口和USB供電兩部分;USB供電部分與電源管理電路連接，USB轉(zhuǎn)串口部分與微控制器MCU內(nèi)部的串口通信SCI模塊連接。
【文檔編號(hào)】G06F13/16GK205540705SQ201620283528
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日
【發(fā)明人】李祥友, 李秋實(shí), 郭連波, 曾曉雁, 陸永楓, 沈萌, 曾慶棟, 楊新艷
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)