針對led全光譜檢測的快速多通道光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種針對LED全光譜檢測的快速多通道光譜儀，包括光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理電路、單片機(jī)主控系統(tǒng)、控制信號產(chǎn)生電路；所述光學(xué)系統(tǒng)將LED發(fā)出的光均勻地照射到探測器上，光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為交叉式切爾尼?特納系統(tǒng)；所述探測器為MOS線陣圖像探測器S3901?256LVF，由帶有線性可變?yōu)V光片的自掃描光電二極管陣列組成；信號處理電路用于驅(qū)動探測器以及對探測器輸出的信號進(jìn)行放大；單片機(jī)主控系統(tǒng)控制控制信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生信號處理電路所需的兩路輸入信號：主時鐘信號和主起始信號。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)測試參數(shù)多樣化，可以同時并行探測多個信號，測量時間極短信噪比較高，對光源的穩(wěn)定性要求較低，不必使用機(jī)械掃描就行獲得空間分辨率和時間分辨光譜。
【專利說明】
針對LED全光譜檢測的快速多通道光譜儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于測試儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種針對LED全光譜檢測的快速多通道 光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，競爭不斷加劇，LED的品質(zhì)受到了前所未有的重視，尤其 是在大屏幕顯示、LED照明光源、通訊等對顏色和波長的準(zhǔn)確度要求較高的場合，LED各項特 性參數(shù)的品質(zhì)控制的重要性就越顯突出，因此，準(zhǔn)確定量地測量LED及其應(yīng)用產(chǎn)品的各種特 性參數(shù)也變得越來越重要。發(fā)光二極管既是一個半導(dǎo)體二極管，又是一個光源，所以，我們 既需要測量它作為半導(dǎo)體器件的電參數(shù)，電參數(shù)是衡量一個發(fā)光二極管是否能正常工作的 最基本的判據(jù)，通常包括正相電流和正相電壓、反相電流和反相電壓。同時，還需要測量它 作為一個光源的光和輻射在空間分布的能量參數(shù)，通常包括相對光譜能量分布曲線、峰值 波長、峰值波長半寬度、色坐標(biāo)以及主波長。
[0003] 目前，國內(nèi)外都有一些公司在研制和生產(chǎn)發(fā)光二極管的光電參數(shù)測試儀器，國外 典型的生產(chǎn)廠家有：美國的V頂公司、TEK公司、A0T公司、OceanOptics公司、Labsphere公司 等，國內(nèi)也有一些生產(chǎn)廠家，如廣州致遠(yuǎn)電子有限公司設(shè)計開發(fā)的LED測試儀器，主要測試 短路、斷路、反向電流、正向壓降及定電流顯示測試，杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司推出的LED 專用測試儀系列，可以實現(xiàn)LED光、色、電性能的測試?？傮w來說，國外LED測試儀器具有高性 能、高精度的特點，但價格上都普遍較昂貴，國內(nèi)LED的檢測手段還比較欠缺的。因此，隨著 LED的日益廣泛應(yīng)用，LED性能的測試愈顯重要，我們國家LED測試行業(yè)還有很長的路需要 走。
[0004] 光譜儀是一種應(yīng)用光學(xué)原理，對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進(jìn)行光譜研究的光學(xué)裝置， 具有分析精度高、測量范圍大、速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、石油、化工、醫(yī)藥衛(wèi) 生、環(huán)境保護(hù)等部門；也是軍事偵察、宇宙探索、資源和水文探測器等必不可少的遙感設(shè)備。
[0005] -般光譜儀器的基本組成有光源和照明系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、成像系統(tǒng)以及 接受、檢測顯示系統(tǒng)。通常將準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成像系統(tǒng)三部分合稱為光譜儀的光學(xué)系 統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)主要進(jìn)行分光，接受系統(tǒng)進(jìn)行光譜信號的采集，最后將采集到的信號通過接口 輸入計算機(jī)中進(jìn)行分析，最終得出探測對象的一些信息，傳統(tǒng)光譜儀器對其實驗室儀器和 專用儀器形式出現(xiàn)，由于體積龐大、價格昂貴，使其應(yīng)用范圍受到很大的限制。隨著各個行 業(yè)的發(fā)展，實驗室里的光譜儀已經(jīng)不能滿足需求，許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)庾V儀器提出了新的要 求，需要使用光譜儀進(jìn)行更多實時的測量分析。
[0006] 光譜儀是LED和照明光電檢測行業(yè)最為重要的設(shè)備，通過光譜儀可實現(xiàn)光譜測量 從而分析出所需的各項參數(shù)。評價光譜儀的主要指標(biāo)包括探測范圍、雜散光水平、準(zhǔn)確度、 穩(wěn)定性、測試速度等。
[0007] 目前行業(yè)內(nèi)常見的光譜儀主要有機(jī)械掃描式光譜儀和快速多通道光譜儀。機(jī)械掃 描式光譜儀歷史相對較長，由于光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計、探測器響應(yīng)等原因，測量耗時較長，尤其是 機(jī)械掃描式雙單色儀光譜儀，精度極高但測量時間很長，僅適用于實驗室或科研機(jī)構(gòu)。隨著 探測器技術(shù)的發(fā)展、新型探測器件的成熟和應(yīng)用，出現(xiàn)了多通道光譜儀，測試速度得到大幅 提升；但此類光譜儀在精度上相對較低。行業(yè)內(nèi)各企業(yè)通過改良機(jī)械設(shè)計、改善光學(xué)匹配 性、采用不同類型的雜散光控制技術(shù)、軟件技術(shù)等，提高光譜儀的各項性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種針對LED全光譜檢測的快速多 通道光譜儀，能夠?qū)崿F(xiàn)測試參數(shù)多樣化，可以同時并行探測多個信號，測量時間極短信噪比 較高，對光源的穩(wěn)定性要求較低，不必使用機(jī)械掃描就行獲得空間分辨率和時間分辨光譜。 采用本發(fā)明的快速多通道光譜儀的測試系統(tǒng)容易實現(xiàn)便攜化、小型化、快速化和高精度化， 符合高速測量的要求。
[0009] 本發(fā)明具體通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0010] 一種針對LED全光譜檢測的快速多通道光譜儀，包括光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理 電路、單片機(jī)主控系統(tǒng)、控制信號產(chǎn)生電路;所述光學(xué)系統(tǒng)將LED發(fā)出的光均勻地照射到所 述探測器上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括光纖和積分球，其中，所述光纖用于測量LED芯片，所述積分 球用于測量LED成品管;所述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為交叉式切爾尼-特納系統(tǒng);所述探測器為M0S 線陣圖像探測器S3901-256LVF，由帶有線性可變?yōu)V光片的自掃描光電二極管陣列組成，所 述線性可變?yōu)V光片把入射到它上面的光按波長依次分開，從而能夠快速分光，其后由所述 自掃描光電二極管列陣接收，進(jìn)行整個波段的全光譜測量;所述信號處理電路用于驅(qū)動探 測器以及對所述探測器輸出的信號進(jìn)行放大;所述單片機(jī)主控系統(tǒng)控制所述控制信號產(chǎn)生 電路產(chǎn)生所述信號處理電路所需的兩路輸入信號:主時鐘信號和主起始信號。
[0011 ]進(jìn)一步地，所述多通道光譜儀還包括A/D采集系統(tǒng)、串行通信接口，其中，所述A/D 采集系統(tǒng)對所述信號處理電路輸出的信號進(jìn)行采集，通過串行通信接口發(fā)送給計算機(jī)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述主起始信號的周期即是所述探測器的積分時間。
[0013] 進(jìn)一步地，所述信號處理電路為C4070電路板。
[0014] 進(jìn)一步地，C4070需要得到外部的主時鐘和主起始信號才能產(chǎn)生S3901-256LVF所 需的驅(qū)動彳目號。
[0015] 進(jìn)一步地，所述控制信號產(chǎn)生電路為可編程定時/計數(shù)器芯片8253-PIT或8253-PIT的改進(jìn)型芯片8254-PIT。
[0016] 進(jìn)一步地，所述單片機(jī)主控系統(tǒng)采用LH-MPU89C51控制板，它的CPU為Atmel公司生 產(chǎn)的 89C51/89C52。
[0017] 進(jìn)一步地，所述串行通信接口為RS-232C，RS-232C提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī) 與PC機(jī)間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的快速多通道光譜儀的工作原理示意圖的示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的快速多通道光譜儀的系統(tǒng)框圖；
[0020] 圖3(a)是李特洛光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0021 ]圖3(b)是艾伯特-法斯梯光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0022] 圖3(c)是切爾尼-特納光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0023] 圖3(d)是叉式切爾尼-特納光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0024] 圖4是M0S線陣圖像探測器S3901-256LVF示意圖；
[0025] 圖5是信號處理電路C4070原理圖；
[0026]圖6是采用MAX232接口的串行通信電路圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0028] 快速多通道光譜儀是在單通道光譜儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的儀器，該快 速多通道光譜測量儀一個主要應(yīng)用是LED產(chǎn)品的檢測。一般的單通道光譜儀只能探測一路 光信號，而多通道光譜儀可以同時并行探測多個信號，多通道光譜儀的工作原理如附圖1所 不。
[0029] 從結(jié)構(gòu)上來看，本發(fā)明用于LED光譜特性參數(shù)測試的快速多通道光譜儀主要由光 學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理電路、單片機(jī)主控系統(tǒng)、控制信號產(chǎn)生電路、A/D采集系統(tǒng)、串行通 信接口和計算機(jī)組成。
[0030] 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計
[0031] 本發(fā)明的光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)的作用是使LED發(fā)出的光能均勻地照射到探測器上。 考慮到對LED芯片測量的方便，所以本發(fā)明選用了兩套光學(xué)系統(tǒng):光纖和積分球。光纖主要 用來測量LED芯片，因為光纖易于彎折，測量方位容易調(diào)整。積分球主要用來測量LED成品 管，根據(jù)CIE1984年第63號出版物推薦，光譜輻射度測量最精確方法是在單色儀入射狹縫前 加個積分球，這樣可使入射狹縫得到均勻照明。本發(fā)明的光譜儀沒有使用棱鏡或光柵作為 單色儀進(jìn)行分光，而是選用了日本濱松公司（Hamamatsu Photonics K.K.)出品的M0S線陣 圖像探測器(S3901-256LVF)作為光譜測量探測器，所述探測器的優(yōu)點在于它自身帶有線性 可變?yōu)V光片，這樣當(dāng)光照射到探測器上時將會自動分光，然后由多通道線陣自掃描光電二 極管列陣接收，這樣就不需要單色儀進(jìn)行分光了，被測LED經(jīng)過積分球后可以均勻的照射到 探測器上。
[0032]光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的選擇范圍很大，經(jīng)過全面分析可知，有三種結(jié)構(gòu)比較適合。第一 種是李特洛光學(xué)系統(tǒng)，如附圖3(a)所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，但是入射狹縫與出射狹縫 距離很近，入射光束在反射鏡上產(chǎn)生的雜散光可直接到達(dá)出射狹縫，而且存在二次衍射和 多次衍射的問題。第二種結(jié)構(gòu)式艾伯特-法斯梯系統(tǒng)，如附圖3(b)所示，該系統(tǒng)優(yōu)點是誤差 小，而且物鏡的像差不會是狹縫像產(chǎn)生附加彎曲，缺點也是存在二次衍射。第三種結(jié)構(gòu)式切 爾尼-特納系統(tǒng)，如附圖3(c)所示，優(yōu)點可避免二次衍射和多次衍射，同時又方便射鏡的加 工與安裝調(diào)試。但是對便攜式分光測色儀光學(xué)系統(tǒng)來說，考慮到該系統(tǒng)便攜化的特點，所以 本發(fā)明使用非對稱交叉式切爾尼-特納系統(tǒng)，如附圖3(d)所示。所謂交叉式切爾尼-特納系 統(tǒng)，就是改變成像物鏡的位置，使入射光線和成像光線在路徑交叉，這樣既減小了整體尺寸 有可以是光譜像面的位置與光柵、準(zhǔn)直物鏡及狹縫的位置在空間不發(fā)生干涉并且該交叉式 結(jié)果對雜散光的控制非常有利，再者使用硅光電二極管整列探測器可以實現(xiàn)多通道分析， 避免了單色儀復(fù)雜的光柵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
[0033] 探測器的選擇
[0034] 光電探測器件是光輻射探測器件中的一大類，它利用各種光電效應(yīng)，使入射輻射 強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電學(xué)信息或電能。它是整個測試儀系統(tǒng)的核心部件，它的性能決定了整個系統(tǒng) 的靈敏度、光譜分辨率、工作波段、采樣速率等性能指標(biāo)。一般，用于光譜測量儀器的光電探 測器類型主要有三種:光電倍增管、線陣C⑶圖像傳感器、線陣M0S圖像傳感器。
[0035] 光電倍增管是光電子技術(shù)器件中的一種重要產(chǎn)品，它是一種具有極高靈敏度和超 快時間響應(yīng)的光探測器件?？蓮V泛應(yīng)用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研 究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計等儀器設(shè)備中。因為被測LED的 光被分光以后，單一波長的輻射強(qiáng)度總比總的光強(qiáng)弱得多，而光電倍增管正好有高增益 (10 6~108)，寬的線性動態(tài)范圍，快的響應(yīng)速度，暗電流小等特點，非常適用于作微弱光信號 測量，因此，使用光電倍增管作為光譜測量中的探測器可以使測量儀器獲得足夠的靈敏度 和滿意的測量結(jié)果。但是，使用光電倍增管作為探測器，無法實現(xiàn)快速多通道動態(tài)測量。
[0036] 實現(xiàn)光譜快速測試的關(guān)鍵是要使用多通道線陣探測器，這類器件主要有CCD和自 掃描光電二極管陣列（SSPD)兩種。
[0037] 電荷親合器CCD(Charge_Coupled Device)是1970年以來發(fā)展起來的一種新型半 導(dǎo)體光電成像器件，目前CCD技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在多通道光譜儀、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、攝像 機(jī)等測試儀器和消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。CCD由眾多微小的光敏元件、電荷轉(zhuǎn)移 電路、電荷信息讀取電路組成。它有面陣和線陣兩種，面陣CCD主要用于圖像記錄、儲存等方 面，線陣CCD主要用于產(chǎn)品外部尺寸的非接觸檢測、控制和分類、產(chǎn)品表面質(zhì)量評定、自動化 及機(jī)器人視覺中的精確定位等，在多通道光譜儀中一般選用線陣CCD作為探測器件。
[0038] 自掃描光電二極管陣列（Self scanning Photodiode Array，簡稱SSF*D器件）又名 M0S圖像傳感器，是一種性能優(yōu)良的固體圖像傳感器。其主要特點是:采用電荷存儲工作方 式，靈敏度高，交擾小，分辨率好，像元尺寸和形狀設(shè)計靈活，容易做成各種特殊傳感器，工 作可靠，不易損壞，特別是它的外部驅(qū)動電路比CCD圖像傳感器簡單很多，調(diào)整方便，常用于 非接觸尺寸、位置、表面缺陷檢測，光信息轉(zhuǎn)換等用途。這種器件與光電倍增管不同的是，光 電倍增管的響應(yīng)正比于照度，而與時間無關(guān)，但ssro的響應(yīng)正比于單位面積上的曝光量。此 外，ssro信號電荷的累積和曝光時間成正比，因此，測量時，曝光時間的長短可以根據(jù)所測 量的光電器件的光信號強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)。
[0039] CMOS圖像傳感器和(XD在20多年前幾乎是同時起步的。由于CCD器件具有光照靈敏 度高、噪聲小、象素小等特點，因而在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反， CMOS圖像傳感器過去存在著象素大、信噪比小、分辨率低、暗電流較大(這是由亞微米方法 所需要的高摻硅引起的，較大的暗電流導(dǎo)致較大的噪聲）等缺點，因此一直無法和CCD技術(shù) 相抗衡。但是隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易 解決的技術(shù)問題，現(xiàn)在都能找到相應(yīng)的解決辦法，從而大大改善了 CMOS圖像傳感器的圖像 質(zhì)量。目前CMOS圖像傳感器單元面積的象素已與CCD單元面積的象素相當(dāng)，信噪比和光照靈 敏度也基本相當(dāng)，許多以前被CCD占領(lǐng)的領(lǐng)域好多已經(jīng)被CMOS圖像傳感器所占領(lǐng)。
[0040] 相對于CMOS圖像傳感器，(XD圖像傳感器有比較明顯的缺點：1)、驅(qū)動電路和信號 處理電路難與CCD成像陣列單片集成，圖像系統(tǒng)多為多芯片系統(tǒng);2)、為了獲得信號的完整 性，在像元間信號需要進(jìn)行完美的轉(zhuǎn)移，隨著陣列尺寸的增加，電荷轉(zhuǎn)移要求更加嚴(yán)格準(zhǔn) 確;3)、時鐘脈沖復(fù)雜，需要相對較高的工作電壓，不能與亞微米和深亞微米的VLSI技術(shù)兼 容;4)、成品率低，成本高，藍(lán)光響應(yīng)差，有光暈;5)、圖像信息不能隨機(jī)讀取，而這種隨機(jī)讀 取對很多應(yīng)用是不可少的。因而用CCD設(shè)計的電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，電路的抗干擾性和穩(wěn)定性 比較差;6)、絕大部分CCD的驅(qū)動電路尚未集成在同一芯片內(nèi)。
[0041 ]相對(XD圖像傳感器來說，CMOS圖像傳感器具有以下優(yōu)點：1 )、集成度高，CMOS圖像 傳感器和VLSI之間具有良好的親和力，一塊CMOS圖像傳感器芯片上集成了驅(qū)動電路，信號 處理電路，A/D轉(zhuǎn)換，圖像壓縮和編碼，對數(shù)變換電路，噪聲抑制電路等，甚至可以把分光系 統(tǒng)(濾光片），存儲器(DRAM)都集成在一塊芯片上;2)、功耗小，一般CMOS圖像傳感器系統(tǒng)的 功耗僅僅相當(dāng)于CCD系統(tǒng)的1/8左右;3)、CM0S圖像傳感器的讀取速度比CCD快;4)、容易和其 它芯片整合，因為能夠使得整個系統(tǒng)電路較小，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，這樣大大 的縮小了設(shè)計儀器的體積和重量，這一點對于日益得到廣泛應(yīng)用的微型便攜式儀器的發(fā)展 尤為重要。
[0042]當(dāng)然，CCD在靈敏度，信噪比，成像質(zhì)量上均優(yōu)于M0S圖像傳感器，所以，目前大部分 高端的儀器仍然采用CCD。
[0043]所以針對LED光譜特性參數(shù)的測試特點，本發(fā)明選用了日本濱松公司的M0S線陣圖 像探測器(S3901-256LVF)，如附圖4所示，它是由帶有線性可變?yōu)V光片的自掃描光電二極管 陣列組成的。
[0044]由于線性可變?yōu)V光片上的每一個濾光片單元是只讓某一個波長的光通過，其它的 波長的光不能通過，相鄰的濾光片單元能通過的波長按線性增長，這樣，整個線性可變?yōu)V光 片就把入射到它上面的光按波長依次分開，從而能夠快速分光。其后由自掃描光電二極管 列陣接收，進(jìn)行整個波段的光譜測量。S3901-256LVF的主要性能參數(shù)如下： ?探測器像元數(shù) 256 ?探測器像元尺寸 50umx25um
[0045] ?濾光片口徑 10mm ?光譜響應(yīng)范圍 400nm~700nm ?波長分辨率 1.5nm/像元
[0046] 信號處理電路的選擇
[0047]信號處理電路主要是起到驅(qū)動探測器和信號放大的作用。因此，針對所選用的探 測器，本發(fā)明選用了日本濱松公司的C4070電路板作為信號處理電路。C4070的電路原理圖 如附圖5所示，C4070需要得到外部的主時鐘(Master Clock)和主起始(Master Start)這兩 個信號才能產(chǎn)生S3901-256LVF所需的驅(qū)動信號，而主時鐘和主起始信號的產(chǎn)生是通過單片 機(jī)作為主控系統(tǒng)來控制可編程定時/計數(shù)器芯片8253(或者8253的改進(jìn)型芯片8254)來完成 的。
[0048]在一般的工業(yè)控制和儀器儀表設(shè)計領(lǐng)域中，單片機(jī)尤其是MCS-51系列單片機(jī)被廣 泛的采用(89C51是MCS-51系列中的一個成員）。單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握、集成度高、 性能價格優(yōu)越的特點，在工業(yè)測量儀器、智能化儀器和便攜式儀器中獲得了極為廣泛的應(yīng) 用，它可以使得系統(tǒng)體積小、成本低、運(yùn)用靈活、易于產(chǎn)品化，可方便的組成各種智能儀化的 控制設(shè)備和儀器。本發(fā)明的硬件部分以Atmel公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89C51芯片(一種低功耗、 高性能的片內(nèi)含有4KB快閃可編程/捺除只讀存儲器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器 制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)和輸出管腳完全兼容）為核心，具有數(shù)據(jù)采 集、對象控制、結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)通信和鍵盤控制等功能。
[0049] 8254-PIT是8253-PIT的改進(jìn)型，它的操作方式以及引腳與8253完全兼容，因此本 發(fā)明選用8254-PIT，它的改進(jìn)主要在以下兩個方面：1)8254的計數(shù)頻率更高，8254可由直流 至6MHZ，8254-2可高達(dá)10MHZ;2)8254多了一個讀回命令（寫入至控制字寄存器）。因此，以 Atmel89C51為微控制器，選用可編程定時/計數(shù)器8254-PIT擴(kuò)展其外圍接口電路，從而組成 C4070電路板需要的控制信號產(chǎn)生電路。
[0050] 控制板的選擇
[0051] 控制板即單片機(jī)主控系統(tǒng)，為了能產(chǎn)生C4070所需的兩路輸入信號，即：主時鐘信 號和主起始信號，特別是主起始信號的周期即是探測器的積分時間，考慮到能使積分時間 方便可調(diào)，而利用計算機(jī)軟件直接設(shè)置積分時間是最方便的了，因此本發(fā)明選擇了啟東斯 邁特計算機(jī)廠出品的LH-MPU89C51控制板，它的CPU為Atmel公司生產(chǎn)的89C51/89C52等，這 正好與前面信號電路選擇中的核心控制器相吻合，而且利用它的擴(kuò)展接口可很好的與8254 組成驅(qū)動控制信號產(chǎn)生電路。此外，該控制板上還帶有采樣精度高、轉(zhuǎn)換速度快的AD574,因 此可利用其對從探測器輸出的Video信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本發(fā)明所用到的該控制板的主要 技術(shù)參數(shù)如下：
[0052] 1)CPU為Atmel公司生產(chǎn)的89C51/89C52,出廠所配晶振頻率為11.0592M，每個機(jī)器 周期為1.085US，可根據(jù)需要更換晶振以提高速度，測試儀的整個研制階段都以在控制板上 外接12MHz的晶振來進(jìn)行實驗，因此，所有的時序周期和邏輯均以12MHz為基準(zhǔn)，即ALE引腳 輸出頻率為〇.5us。
[0053] 2)程序存儲器為64K，其中的前4K/8K/20K在CPU內(nèi)部，其它程序在EPR0M27 512中。
[0054] 3)數(shù)據(jù)存儲器為32K(62256)，地址為8000~FFFHL所采集的數(shù)據(jù)在送入計算機(jī)處 理前都預(yù)先暫存在這段數(shù)據(jù)存儲區(qū)內(nèi)，256個像元轉(zhuǎn)換完畢再經(jīng)串行通訊口送入PC機(jī)。 [0055] 4)A/D采用精度高（12bit)，速度快(25us)的AD574,并在其轉(zhuǎn)換前對信號做了采樣 保持。AD574啟動地址為:4000H;高八位地址為:4002H;低四位地址為:4003H。
[0056] 5)多路(8路)模擬開關(guān)： INO： P1-0F8H IM4： P1- 0FCH
[0057] INI： P1=0F9H IN5： Pl^OFDH IN2： P1=0FAH [N6： Pl^OFEH
[0058] IN3： P1-0FBH IN7： P1-0FFH
[0059] 6)控制板供電：+5V(300mA)+12V(100mA)-12V(100mA)
[0060] 數(shù)據(jù)通信口的選擇
[0061]由于單片機(jī)的運(yùn)算功能較差，而根據(jù)設(shè)計測試儀的要求，除開要對視頻信號(相對 光譜功率分布)進(jìn)行實時的顯示，同時還要求根據(jù)測得的視頻信號來計算被測LED的顏色參 數(shù)，因此，對數(shù)據(jù)進(jìn)行較復(fù)雜的處理時，往往需要借助計算機(jī)。因此，單片機(jī)和PC機(jī)通過何種 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信就是本課題的研究重點。目前，計算機(jī)一般有兩個串口和一個并口，此 外，由于隨著外設(shè)種類的增多（如掃描儀、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等），有限的輸入/ 輸出接口已不能滿足需要，由Compaq、Digital、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Universal Serial Bus Telecom七家公司聯(lián)合提出了外部輸入/輸出接口的新規(guī)格-USB接 口，近年來，USB接口在計算機(jī)與外部設(shè)備的接口中正得到廣泛的應(yīng)用。
[0062] MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個功能很強(qiáng)的全雙工串行口，該串行口有4種工作方式，以 供不同場合使用。波特率可由軟件設(shè)置，由片內(nèi)的定時器/計數(shù)器產(chǎn)生，接收、發(fā)送均可工作 在查詢方式或中斷方式，使用非常靈活。而本發(fā)明選用的控制板上帶有RS-232接口。因此， 利用MCS-51單片機(jī)的串行口與PC機(jī)的串行口 C0M1或COM2進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將單片機(jī)采集的數(shù) 據(jù)送到PC機(jī)中，由PC機(jī)的高級語言或者數(shù)據(jù)庫語言進(jìn)行整理及統(tǒng)計等復(fù)雜處理和顯示工 作。在網(wǎng)絡(luò)如此發(fā)達(dá)的當(dāng)今信息社會，甚至還可以利用串行通訊口在PC機(jī)上對單片機(jī)進(jìn)行 遠(yuǎn)程控制，從而也可實現(xiàn)對測試儀的遠(yuǎn)程操縱、遠(yuǎn)程故障診斷、資源和數(shù)據(jù)信息共享等。
[0063] 在實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)、計算機(jī)與外設(shè)間的串行通信時，通常采用標(biāo)準(zhǔn)通信接口。 所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是明確定義若干信號線，使接口電路標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、借助于串行通信標(biāo) 準(zhǔn)接口，就能很方便地實現(xiàn)各種計算機(jī)、外部設(shè)備、測量儀器等之間的串行通信。RS-232C是 由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)1969年正式公布的、在異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線 (C表示此標(biāo)準(zhǔn)修改了三次）。它包括了按位串行傳輸?shù)碾娖骱蜋C(jī)械方面的規(guī)定，適合于短距 離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場合。
[0064] RS-232C提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC機(jī)間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，為了 增加信號在線路上的傳輸距離和提高抗干擾能力，RS-232C提高了信號的傳輸電平，該接口 采用雙極性信號、公共地線和負(fù)邏輯，使用RS-232C，數(shù)據(jù)通信的最大傳輸速率位20kb/s，最 大傳輸距離可達(dá)15m，適當(dāng)降低傳輸速率可以增加傳輸距離，15m以上的長距離通信需要采 用調(diào)制解調(diào)器(MODEM) JBM-PC機(jī)與8051單片機(jī)最簡單的連接是零調(diào)制三線經(jīng)濟(jì)型，這是全 雙工通信所必須的最少數(shù)目的線路。
[0065]為了保證二進(jìn)制數(shù)據(jù)能夠正確傳送，設(shè)備控制正確完成，有必要使所用的信號電 平保持一致。為了滿足這個要求，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)和控制信號的電平要求范圍。由 于RS-232C是早期（1969年)為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平 對地是對稱的，與TTL、CM0S邏輯電平完全不同，邏輯0電平規(guī)定為+5V~+15V之間，邏輯1規(guī) 定為-5V~-15V之間，因此RS-232C驅(qū)動器與TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，即把微處理器 的信號電平(TTL電平)轉(zhuǎn)換成RS-232C電平，或者對兩者進(jìn)行逆轉(zhuǎn)換。這兩種轉(zhuǎn)換是通過專 用電平轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)中，本發(fā)明采用MAX232芯片來實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，附圖6所示 的是采用MAX232接口的串行通信電路。
[0066] MAX232是MAX頂公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的1C芯片，適用于各種EIA-232C和V. 28/V. 24的通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V 電源電壓變換成為RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信 系統(tǒng)只需單一的5V電源就可以了。對于沒有±12V電源的場合，其適應(yīng)性更強(qiáng)。加之其價格 適中，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。
[0067]在實際使用中，器件對電源的噪聲很敏感。因此，VCC必須要對地加去耦電容(：5，其 值為0. luF。電容&、C2、C3、C4取同樣數(shù)值的膽電解電容1. OuF/16V，用以提高抗干擾能力，在 連接時必須盡量靠近器件，連接時要注意其發(fā)送、接收引腳的對應(yīng)。如使T1IN接單片機(jī)的發(fā) 送端TXD，則PC機(jī)的RS-232的接收端RXD-定要對應(yīng)接TIout引腳。同時，RIout接單片機(jī)的RXD 引腳，PC機(jī)的RS-232的發(fā)送端對應(yīng)接R1 IN引腳。
[0068] 本發(fā)明的快速多通道光譜儀實現(xiàn)了光譜儀器的多通道以及快速的特點，本發(fā)明具 有以下有益效果：
[0069] 1)本發(fā)明的快速多通道光譜儀的測試參數(shù)多樣化:光譜功率分布曲，峰值波長，峰 值波長半寬度，色坐標(biāo)，主波長等；
[0070] 2)本發(fā)明的快速多通道光譜儀采用的是ssro(圖像傳感器），該器件的光譜響應(yīng)范 圍寬，從紫外到紅外，每個信號獨立輸出，相互干擾小，圖像失真小，而且驅(qū)動電路加單，形 狀靈活，采集速度快等特點；
[0071] 3)本發(fā)明的快速多通道光譜儀可以同時并行探測多個信號。測量時間極短信噪比 較高，對光源的穩(wěn)定性要求較低，不必使用機(jī)械掃描就行獲得空間分辨率和時間分辨光譜。 采用本發(fā)明的快速多通道光譜儀的測試系統(tǒng)容易實現(xiàn)便攜化、小型化、快速化和高精度化， 符合高速測量的要求。
[0072] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種針對LED全光譜檢測的快速多通道光譜儀，其特征在于：所述多通道光譜儀包 括:光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號處理電路、單片機(jī)主控系統(tǒng)、控制信號產(chǎn)生電路;所述光學(xué)系統(tǒng) 將LED發(fā)出的光均勻地照射到所述探測器上，所述光學(xué)系統(tǒng)包括光纖和積分球，其中，所述 光纖用于測量LED芯片，所述積分球用于測量LED成品管;所述光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為交叉式切 爾尼-特納系統(tǒng);所述探測器為MOS線陣圖像探測器S3901-256LVF，由帶有線性可變?yōu)V光片 的自掃描光電二極管陣列組成，所述線性可變?yōu)V光片把入射到它上面的光按波長依次分 開，從而能夠快速分光，其后由所述自掃描光電二極管列陣接收，進(jìn)行整個波段的全光譜測 量;所述信號處理電路用于驅(qū)動探測器以及對所述探測器輸出的信號進(jìn)行放大;所述單片 機(jī)主控系統(tǒng)控制所述控制信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生所述信號處理電路所需的兩路輸入信號:主時 鐘信號和主起始信號。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于:所述多通道光譜儀還包括A/D采 集系統(tǒng)、串行通信接口，其中，所述A/D采集系統(tǒng)對所述信號處理電路輸出的信號進(jìn)行采集， 通過串行通信接口發(fā)送給計算機(jī)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于:所述主起始信號的周期即是所述 探測器的積分時間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于:所述信號處理電路為C4070電路 板。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多通道光譜儀，其特征在于:C4070需要得到外部的主時鐘和 主起始信號才能產(chǎn)生S3901-256LVF所需的驅(qū)動信號。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于:所述控制信號產(chǎn)生電路為可編程 定時/計數(shù)器芯片8253-PIT或8253-PIT的改進(jìn)型芯片8254-PIT。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于：所述單片機(jī)主控系統(tǒng)采用LH-MPU89C51控制板，它的CPU為Atme 1公司生產(chǎn)的89C51 /89C52。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道光譜儀，其特征在于：所述串行通信接口為RS-232C， RS-232C提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC機(jī)間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口。
【文檔編號】G01J3/28GK106052871SQ201610393415
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王岢, 陳曉威, 羅旭
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院