一种基于ＣＰＬＤ和ＬＡＢＶＩＥＷ的便携式光纤光谱仪制造技术

一种基于ＣＰＬＤ和ＬＡＢＶＩＥＷ的便携式光纤光谱仪，包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔－特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器ＣＣＤ、复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ、Ａ／Ｄ转换电路、单片机，光谱探测器ＣＣＤ将聚焦于ＣＣＤ探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；ＣＰＬＤ负责产生ＣＣＤ正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及Ａ／Ｄ转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；单片机负责将转换后的数字信号存于ＲＡＭ并送计算机进行后期处理。本实用新型专利技术的有益效果：性能稳定、分辨率高、灵敏度高、体积小、功耗低、价格低、使用方便。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光电检测仪器领域，尤其是光谱测量
，具体涉及是便携 式光纤光谱仪。
技术介绍
光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具，是现代天文、化学、物理各研究领 域和生产领域的有利工具。随着科学技术的发展，在地矿勘探、生物医学、环境检测等领域 对光谱仪器提出了微型化的要求。与以往的大型光谱仪器相比，便携式光谱仪具有体积小、 重量轻、功耗低、使用灵活、性价比高等优点；同时微型光谱仪可以作为光电接口设备与光 纤探头联合使用，使测量更加方便。便携式光纤光谱仪的研究越来越受到重视，成为了目前 世界各国光谱仪器研制的热点。据资料不完全统计，在光谱仪器领域，国外有8家知名生产 厂商而国内有7家主要生产厂商；在便携式光谱仪器领域，国外有7家知名厂商而国内仅有 两家，而且多为便携式分光光度计。此外国外还有众多的微型光谱仪生产厂家，有着相当高 的销售额，总体来说，国内的微型光谱仪市场几乎被国外仪器垄断。因此，研究和开发高性 能、多功能、低成本以及具有完全自主知识产权的便携式光谱仪具有一定的实际意义。光谱仪中的光电探测器CXD的驱动电路有四种设计方案=EPROM驱动、IC驱动、单 片机驱动以及可编程逻辑器件驱动。在专利《一种便携式光谱仪》(101532878)中，CCD时序 是由单片机产生的。单片机驱动方法与EPROM方法有些相似，EPROM方法每改变地址就输出 新的状态数据。单片机法每改变一次端口输出指令就改变了输出数据。在这种设计方法中， 硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷。可编程逻辑器件(PLD)设计 法实现的系统集成度高、速度快、可靠性好。系统每一功能模块完成后可单独仿真，整个系 统完成时也可以在计算机上进行仿真，不需要外部仪器就可以检查修改设计中的问题。PLD 包括CPLD和FPGA，在《基于CXD的小型化光谱仪的设计与研究》一文中采用的是FPGA芯 片EPIC3T144C8来产生CXD驱动时序，它的上位机的光谱处理软件的设计采用的是Visual Basic6. 0。FPGA属于小粒度PROM型单元，集成规模大，包含的基本单元多，但是单元处理能 力较弱、工作速度通常较低；脱机使用时需要与PROM联用，不能加密，延时不可预测，适用 于逻辑相对简单的数据密集型系统。对于应用程序，可以采用VB、VC++等语言来编写。这 些语言都能够与系统底层硬件相联系，但是在用VC++、VB等语言编写软件的过程要编写大 量的代码。
技术实现思路
为了解决现有便携式光谱仪光电探测器CCD的驱动电路存在资源浪费较多、频率 较低的缺陷，本技术提供了一种在保证光谱仪微型化的同时实现宽光谱高分辨率的测 试要求的基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪。本技术的技术方案一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，其特征在于包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构，包 括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂可编 程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器CCD， 所述光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信 号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件CPLD负责产生C⑶正常工作所需要 的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制 信号；所述A/D转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字信号 存于RAM并送上位机进行后期处理。进一步，所述两片发射镜是非球面凹面反射镜，分别是准直物镜和聚焦物镜。进一步，所述光谱探测器CCD与A/D转换电路之间设有信号调理电路，所述信号调 理电路将电信号进行放大和降噪处理。进一步，所述上位机采用LABVIEW软件进行光谱分析。入射光通过入射光纤、经过狭缝、进入到准直物镜准直后，入射到闪耀光栅上，经 过闪耀光栅分光入射到聚焦物镜，最后聚焦于CCD上，进行相应的信号采集。入射光束经光学系统准直分光后，按波长顺序聚焦于CCD探测器的像敏面上，由 CXD探测器将其转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理。CPLD负责产生CXD正 常工作所需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要 的同步和控制信号。单片机负责将转换后的数字信号存于RAM并送上位机进行后期处理。上位机利用LABVIEW开发光谱分析，其功能模块包括通信、CXD暗电流的处理及滤 波，波长定标，峰值探测，波形显示，文件保存等。利用基于CPLD设计的硬件电路代替集成电路可以有效的减小电路板面积，从而 减小光谱仪器的体积；利用LABVIEW虚拟仪器软件开发光谱仪的上位机应用程序，具有功 能强大、人机交互界面友好、使用灵活等优点。本技术的有益效果波长宽、性能稳定、分辨率高、灵敏度高、体积小、功耗低、 价格低、重量轻、使用方便。附图说明图1是光学平台的设计原理图；图2是系统硬件电路原理框图；图3是信号调理电路图；图4是信号高速采集与存储系统图；图5是CPLD内部功能各模块框架结构关系图；图6是CPLD顶层文件的设计输入图；图7是JSXS3文件的设计输入图；图8是利用CPLD产生的采集一帧图像仿真波形图；图9是放大的CXD时序仿真图。具体实施方式下面结合图1 9对本技术作进一步说明参照图1、图2，一种基于CPLD和LABVIEW的便携式光纤光谱仪，包括光学系统、光 谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔-特纳结构， 包括两片反射镜和闪耀光栅G ；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器CCD、复杂 可编程逻辑器件CPLD、A/D转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器 CCD,所述光谱探测器CCD将聚焦于CCD探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的 电信号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件CPLD负责产生C⑶正常工作所 需要的驱动脉冲信号，以及A/D转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和 控制信号；所述A/D转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字 信号存于RAM并送上位机进行后期处理。所述两片发射镜是非球面凹面反射镜，分别是准直物镜Ml和聚焦物镜M2。所述光谱探测器CCD与A/D转换电路之间设有信号调理电路，所述信号调理电路 将电信号进行放大和降噪处理。所述上位机采用LABVIEW软件进行光谱分析。本技术中的闪耀光栅G为600线/mm，闪耀波长为400mm闪耀角为7. 4°，闪 耀方向为13. 9°。所述信号调理电路采用的是AD8041芯片，电路图见图3。图4所示的是信号高速 采集与处理系统图，CCD选用的是东芝公司的TCD1304AP，实际有效的光敏单元为3648个 光电二极管，A/D选用的是12位高速AD9223芯片，所以至少需要3648/1024KX12(约为 3.56ΚΧ8)的存储单元，因此选用两片6264(8ΚΧ8)存储器来存储A/D转换后的数字信号。 单片机开机复位后，置Pl. 0为0，置Pl. 1为0，置Pl. 2为0，置Pl. 5为高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＣＰＬＤ和ＬＡＢＶＩＥＷ的便携式光纤光谱仪，其特征在于：包括光学系统、光谱信号获取与处理系统及上位机，所述光学系统是折叠交叉非对称式切尼尔特纳结构，包括两片反射镜和闪耀光栅；所述光谱信号获取与处理系统包括光谱探测器ＣＣＤ、复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ、Ａ／Ｄ转换电路、单片机，所述光学系统将入射光束聚焦于光谱探测器ＣＣＤ，所述光谱探测器ＣＣＤ将聚焦于ＣＣＤ探测器的像敏面上的入射光束转变成随光强变化的电信号送入单片机中进行处理；所述用复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ负责产生ＣＣＤ正常工作所需要的驱动脉冲信号，以及Ａ／Ｄ转换的时钟信号和单片机对信号进行处理所需要的同步和控制信号；所述Ａ／Ｄ转换电路将电信号转换为数字信号；所述单片机负责将转换后的数字信号存于ＲＡＭ并送上位机进行后期处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：隋成华，杨洋，童建平，魏高尧，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]