一种基于单片机和串口通信的实时光谱辐射测量仪

　　1　引　言

　　任何物质都会发射或者反射出光谱,光谱技术是获取物质信息的重要手段,光谱测量已经广泛应用于航空航天、遥感遥测、生物医学、环境生态、军事科技、以及日常生活和工业控制领域中。随着社会的发展,人们对光谱测量的快速性、实时性、便捷性的要求越来越高。传统的光谱仪测量时间长、操作复杂、体积大、难以实现实时光谱测量,现代科学技术使得光谱测量仪器正在向着小型化、快速化、智能化、虚拟化、网络化的方向发展。

　　以PC机作为上位机,单片机作为下位机,采用基于单片机的数据采集器进行A/D转换和预处理,通过RS-232串行口与PC机进行信息和数据传送,然后编写数据处理软件对数据进行处理和显示以及对单片机进行控制,如果配上调制解调器还可以实现远程测量和仪器故障诊断。这种主从式虚拟仪器技术的概念在现代仪器开发中得到了广泛的应用。

　　2　测量方法与系统装置[1]

　　大多数的光谱测量方法都是由光谱辐射经入射狭缝、分光系统(棱镜或者光栅)、出射狭缝到达探测器上,探测器上的不同像元探测到不同波长的光信号。这种光谱测量方法需要进行光学系统设计以及相应的机械装置设计,这使得整个光谱仪的开发时间长,而且不易于实现光谱仪的小型化。现代微电子、微光学、微机械技术的发展使得光学色散系统和MOS线阵探测器组合在一起,从而为小型化实时光谱辐射测量仪的开发提供了契机。

　　被测量的光谱辐射直接入射到这种装置上时会自动分光,通过MOS线阵探测器的光电转换就可以得到待测光谱辐射相应的电信号。由探测器输出的电信号经驱动/放大电路C4070后输出DATA VIDEO信号,该VIDEO信号再经A/D转换器转换成数字信号,单片机再将这些数字信号存入其片内RAM的缓冲区,当将MOS线阵探测器256个像元的信号采集转换完后,再经单片机的串口发往计算机,计算机再进行相应的数据处理后就可以得到待测的光谱辐射能量分布曲线。由于整个信号的转换、传送、处理的过程很短暂,经实验验证,能够满足实时测量要求。光谱辐射测量仪的总体结构框图如图1所示。

　　测量系统中的光谱测量探测器采用了日本滨松公司(Hamamatsu Photonics K.K.)出品的MOS线阵图像探测器。该探测器像素总数为256,其中有效像素201,装置的光谱响应范围为400nm～700nm,分辨力 1.5nm/像素。日本滨松公司的驱动/放大电路C4070主要完成对MOS探测器的驱动、信号处理和视频信号输出功能,但是,C4070要工作还需要两路驱动信号。因此,采用单片机编程控制8253- PIT来产生这两路驱动信号。另外,单片机控制板采用的是启东计算机厂出品的LH-MPU89C51控制板,其CPU为Atmel公司生产的89C51, 晶振频率为11.0592M,可更换晶振以提高速度。A/D采用精度高,速度较快(25μs)的AD574A,并在转换前对信号作了采样保持处理。由于 AD公司的AD674A的转换速度为15μs,AD1674的转换速度为10μs,而它们的引脚功能、应用特性和调试校准等均与AD574A完全兼容,因此可以用AD674A或AD1674替换AD574A提高采样速度。PC机和单片机通过串口通信先进行软件握手后即可开始实时光谱辐射测量,所有控制均由计算机控制完成。