一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法，包括信號(hào)采集模塊、CPLD、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和電機(jī)，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊，所述通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統(tǒng)外部的上位機(jī)相連接，所述CPLD分別與信號(hào)采集模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊分別與信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊相連接本發(fā)明的有益效果是集成度高、速度快、可靠性好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信號(hào)采集【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法。

【背景技術(shù)】
[0002]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?qū)庾V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?xún)r(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。
[0003]傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)是采用單片機(jī)提供脈沖信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集等工作，這樣做雖然硬件電路非常簡(jiǎn)單，但是存在資源浪費(fèi)較多，頻率較低的缺陷。這樣微控器模塊的采樣速率也必然受到單片機(jī)主頻的制約。信號(hào)采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)實(shí)時(shí)性要求很高，一旦微控器模塊處理不過(guò)來(lái)，必然影響整套產(chǎn)品對(duì)于光強(qiáng)變化的響應(yīng)速度。如果為了保證微控器模塊有足夠資源而采用數(shù)字電路來(lái)提供脈沖，則外圍電路過(guò)于復(fù)雜，電路板面積很大。如何解決現(xiàn)有的光譜儀信號(hào)采集模塊的驅(qū)動(dòng)電路存在資源浪費(fèi)較多、頻率較低、外圍電路較復(fù)雜的缺陷，成為了目前世界各國(guó)光譜儀器研制的熱點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種集成度高、速度快、可靠性好并可以有效的減小電路板面積，從而減小光譜儀器的體積以及降低生產(chǎn)的成本光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，包括信號(hào)采集模塊、CPLDJf號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和電機(jī)，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊，所述通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統(tǒng)外部的上位機(jī)相連接，所述CPLD分別與信號(hào)采集模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊分別與信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過(guò)CPLD控制信號(hào)采集模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換工作，CPLD控制信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)采集模塊采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，最后由通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)從處理模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
[0006]所述的CPLD為復(fù)雜可編程邏輯器件。
[0007]所述的通訊模塊采用USB2.0作為通訊接口。
[0008]所述的處理模塊采用STM32F103VBT6作為處理芯片。
[0009]所述的電機(jī)采用SLA7033驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)控制光柵的位置。
[0010]所述的信號(hào)采集模塊采用T⑶1208傳感器。
[0011 ] 一種光譜儀的信號(hào)采集方法，應(yīng)用在光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)中，其特征在于:包括如下步驟:
[0012]a、光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)初始化啟動(dòng)；
[0013]b、處理模塊接收上位機(jī)發(fā)送的采集指令；
[0014]C、微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間并向CPLD發(fā)出信號(hào)采集指令；
[0015]d、CPLD操作信號(hào)采集模塊進(jìn)行一幀圖像數(shù)據(jù)的2212的像素點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集；
[0016]e、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)CPLD向微控器模塊發(fā)出對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)的2160有效像素點(diǎn)中的每一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換就緒通知；
[0017]f、數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成的一幀圖像數(shù)據(jù)中的2160有效像素點(diǎn)數(shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)搬移完成后CPLD向微控器模塊發(fā)出完成信號(hào)；
[0018]g、微控器模塊通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)移入上位機(jī)。
[0019]進(jìn)一步，在步驟g完成后，將返回到步驟b，等待上位機(jī)發(fā)送采集指令。
[0020]進(jìn)一步，在步驟c中微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間為I毫秒-15秒。
[0021]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0022](I)本發(fā)明所述的一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法，利用基于CPLD設(shè)計(jì)的硬件電路代替數(shù)字集成電路，此系統(tǒng)和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0023](2)本發(fā)明所述的一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及采集方法，利用處理模塊可以集成數(shù)據(jù)搬移模塊的數(shù)據(jù)搬移功能的設(shè)計(jì)可以大大提高采集效率。
[0024](3)本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)搬移模塊的數(shù)據(jù)搬移功能，可以實(shí)現(xiàn)在不需微控器模塊的情況下完成數(shù)據(jù)的搬移，從而節(jié)省微控器模塊的資源，提高整套產(chǎn)品的可靠性。
[0025](4)本發(fā)明所述的一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)可以有效的減小電路板面積，從而減小光譜儀器的體積以及降低生產(chǎn)的成本，省去了繁瑣的RAM、FIFO、USB通信等外圍器件，從而減小光譜儀器的體積以及降低生產(chǎn)的成本，為光譜儀器的小型化打下了基礎(chǔ)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)的原理框圖；
[0027]圖2是本發(fā)明的光譜儀的信號(hào)采集方法的流程圖；
[0028]圖3是本發(fā)明的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)中T⑶1208傳感器時(shí)序圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖1-2對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述:
[0030]本發(fā)明的技術(shù)方案涉及光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)以及光譜儀的信號(hào)采集方法兩個(gè)主題，以下做詳細(xì)闡述。
[0031]一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，包括信號(hào)采集模塊、CPLD、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和電機(jī)，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊，所述通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統(tǒng)外部的上位機(jī)相連接，所述CPLD分別與信號(hào)采集模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊分別與信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過(guò)CPLD控制信號(hào)采集模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換工作，CPLD控制信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)采集模塊采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，最后由通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)從處理模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
[0032]本發(fā)明利用基于CPLD設(shè)計(jì)的硬件電路代替數(shù)字集成電路，此系統(tǒng)和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0033]所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊采用LTC1603作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，負(fù)責(zé)將信號(hào)采集模塊采集的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以16位的并行數(shù)據(jù)輸出存儲(chǔ)到處理模塊中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
[0034]所述的通訊模塊采用USB2.0作為通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到480Mb/s。上位機(jī)的應(yīng)用軟件可與處理模塊直接通過(guò)USB通信。
[0035]所述的處理模塊采用STM32F103VBT6作為處理芯片，利用基于STM32作為處理器的設(shè)計(jì)可以大大提高采集效率，由于該處理器中的數(shù)據(jù)搬移模塊的數(shù)據(jù)搬移功能，可以實(shí)現(xiàn)在不需微控器模塊的情況下完成數(shù)據(jù)的搬移，從而節(jié)省CPU的資源，提高整套產(chǎn)品的可靠性，STM32還完成光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)其他邏輯工作，如檢零、定時(shí)等。
[0036]所述的電機(jī)采用SLA7033驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)控制光柵的位置。
[0037]所述的信號(hào)采集模塊采用T⑶1208傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集工作。T⑶1208傳感器每采集一幀數(shù)據(jù)需要2212個(gè)脈沖，即每幀數(shù)據(jù)要進(jìn)行2212次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，信等，其中所述的T⑶1208傳感器每幀數(shù)據(jù)只有中間的2160個(gè)有效像素點(diǎn)。
[0038]如圖2所示，本發(fā)明還提供了光譜儀的信號(hào)采集方法，應(yīng)用在如上光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)中，包括如下步驟:
[0039]a、光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)初始化啟動(dòng)；
[0040]b、處理模塊接收上位機(jī)發(fā)送的采集指令；
[0041]C、微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間并向CPLD發(fā)出信號(hào)采集指令；
[0042]d、CPLD操作信號(hào)采集模塊進(jìn)行一幀圖像數(shù)據(jù)的2212的像素點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集；
[0043]e、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)CPLD向微控器模塊發(fā)出對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)的2160有效像素點(diǎn)中的每一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換就緒通知；
[0044]f、數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成的一幀圖像數(shù)據(jù)中的2160有效像素?cái)?shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)搬移完成后CPLD向微控器模塊發(fā)出完成信號(hào)；
[0045]g、微控器模塊通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)移入上位機(jī)。
[0046]在所述步驟g完成后，將返回到步驟b，等待上位機(jī)發(fā)送采集指令。
[0047]在所述步驟c中微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間為I毫秒-15秒。曝光時(shí)間參數(shù)由上位機(jī)傳遞下來(lái)，微控器模塊通過(guò)定時(shí)期的設(shè)置完成曝光時(shí)間，I毫秒-15秒。
[0048]所述的處理模塊還能通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的邏輯動(dòng)作，完成信號(hào)采集。
[0049]CPLD輔助STM32F103VBT6完成信號(hào)采集模塊的采集工作。當(dāng)處理模塊中提供一個(gè)開(kāi)始信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)時(shí)，CPLD即開(kāi)始按照TCD1208的時(shí)序圖產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖時(shí)序，并且自動(dòng)開(kāi)始操作模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行一幀圖像數(shù)據(jù)的采集，每采集一個(gè)像素就操作LTC1603完成一次信號(hào)轉(zhuǎn)換，信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后通知處理模塊的數(shù)據(jù)搬移模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)搬運(yùn)。此外，CPLD還充當(dāng)著處理模塊的I/O 口擴(kuò)展工作。
[0050]本發(fā)明所述的一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)可以有效的減小電路板面積，從而減小光譜儀器的體積以及降低生產(chǎn)的成本，省去了繁瑣的RAM、FIFO、USB通信等外圍器件，從而減小光譜儀器的體積以及降低生產(chǎn)的成本，為光譜儀器的小型化打下了基礎(chǔ)。
[0051]以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專(zhuān)利涵蓋范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于:包括信號(hào)采集模塊、CPLD、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊和電機(jī)，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊，所述通訊模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統(tǒng)外部的上位機(jī)相連接，所述CPLD分別與信號(hào)采集模塊和信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊相連接，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊分別與信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過(guò)CPLD控制信號(hào)采集模塊與信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行信號(hào)采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換工作，CPLD控制信號(hào)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)采集模塊采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，最后由通訊模塊將采集到的數(shù)據(jù)從處理模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述通訊模塊采用USB2.0作為通訊接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述處理模塊采用STM32F103VBT6作為處理芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述電機(jī)采用SLA7033驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械傳動(dòng)控制光柵的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號(hào)采集模塊采用TCD1208傳感器。
6.一種光譜儀的信號(hào)采集方法，應(yīng)用在如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)的光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)中，其特征在于:包括如下步驟: a、光譜儀的信號(hào)采集系統(tǒng)初始化啟動(dòng)； b、處理模塊接收上位機(jī)發(fā)送的采集指令； C、微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間并向CPLD發(fā)出信號(hào)采集指令； d、CPLD操作信號(hào)采集模塊進(jìn)行一幀圖像數(shù)據(jù)的2212的像素點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集； e、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)CPLD向微控器模塊發(fā)出對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的一幀圖像數(shù)據(jù)的2160有效像素點(diǎn)中的每一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)換就緒通知； f、數(shù)據(jù)搬移模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換完成的一幀圖像數(shù)據(jù)中的2160有效像點(diǎn)素?cái)?shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊當(dāng)一幀圖像數(shù)據(jù)搬移完成后CPLD向微控器模塊發(fā)出完成信號(hào)； g、微控器模塊通過(guò)通訊模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)移入上位機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光譜儀的信號(hào)采集方法，其特征在于:在步驟g完成后，將返回到步驟b，等待上位機(jī)發(fā)送采集指令。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光譜儀的信號(hào)采集方法，其特征在于:在步驟c中微控器模塊設(shè)定信號(hào)采集模塊的曝光時(shí)間為I毫秒-15秒。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104331046SQ201410570399
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】陳程 申請(qǐng)人:天津港東科技發(fā)展股份有限公司