一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法
2023-05-30 01:21:46 5
一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法
【專利摘要】本發明提供光譜儀的信號採集系統以及採集方法，包括信號採集模塊、CPLD、信號轉換模塊、處理模塊和電機，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊，所述通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數據存儲模塊、電機和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統外部的上位機相連接，所述CPLD分別與信號採集模塊和信號轉換模塊相連接，所述信號轉換模塊分別與信號採集模塊和數據搬移模塊相連接本發明的有益效果是集成度高、速度快、可靠性好。
【專利說明】一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於信號採集【技術領域】，尤其是涉及一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法。
【背景技術】
[0002]光譜儀器是光譜與光譜分析學基本的分析工具，是現代天文、化學、物理各研究領域和生產領域的有利工具。隨著科學技術的發展，在地礦勘探、生物醫學、環境檢測等領域對光譜儀器提出了微型化的要求。與以往的大型光譜儀器相比，可攜式光譜儀具有體積小、重量輕、功耗低、使用靈活、性價比高等優點；同時微型光譜儀可以作為光電接口設備與光纖探頭聯合使用，使測量更加方便。可攜式光纖光譜儀的研究越來越受到重視。
[0003]傳統的採集系統是採用單片機提供脈衝信號並進行信號轉換和採集等工作，這樣做雖然硬體電路非常簡單，但是存在資源浪費較多，頻率較低的缺陷。這樣微控器模塊的採樣速率也必然受到單片機主頻的制約。信號採集模塊對信號進行採集時實時性要求很高，一旦微控器模塊處理不過來，必然影響整套產品對於光強變化的響應速度。如果為了保證微控器模塊有足夠資源而採用數字電路來提供脈衝，則外圍電路過於複雜，電路板面積很大。如何解決現有的光譜儀信號採集模塊的驅動電路存在資源浪費較多、頻率較低、外圍電路較複雜的缺陷，成為了目前世界各國光譜儀器研製的熱點。
【發明內容】
[0004]本發明的主要目的在於解決現有技術中存在的問題，提供一種集成度高、速度快、可靠性好並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的成本光譜儀的信號採集系統以及採集方法。
[0005]本發明的技術方案是:一種光譜儀的信號採集系統，包括信號採集模塊、CPLDJf號轉換模塊、處理模塊和電機，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊，所述通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數據存儲模塊、電機和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統外部的上位機相連接，所述CPLD分別與信號採集模塊和信號轉換模塊相連接，所述信號轉換模塊分別與信號採集模塊和數據搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過CPLD控制信號採集模塊與信號轉換模塊進行信號採集和信號轉換工作，CPLD控制信號採集模塊進行信號採集過程中的驅動信號，信號轉換模塊將信號採集模塊採集的模擬信號轉換成數位訊號，數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成後的數據存儲到數據存儲模塊，最後由通訊模塊將採集到的數據從處理模塊內部的數據存儲模塊傳輸到上位機。
[0006]所述的CPLD為複雜可編程邏輯器件。
[0007]所述的通訊模塊採用USB2.0作為通訊接口。
[0008]所述的處理模塊採用STM32F103VBT6作為處理晶片。
[0009]所述的電機採用SLA7033驅動步進電機，機械傳動控制光柵的位置。
[0010]所述的信號採集模塊採用T⑶1208傳感器。
[0011 ] 一種光譜儀的信號採集方法，應用在光譜儀的信號採集系統中，其特徵在於:包括如下步驟:
[0012]a、光譜儀的信號採集系統初始化啟動；
[0013]b、處理模塊接收上位機發送的採集指令；
[0014]C、微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間並向CPLD發出信號採集指令；
[0015]d、CPLD操作信號採集模塊進行一幀圖像數據的2212的像素點信號轉換和採集；
[0016]e、信號轉換模塊通過CPLD向微控器模塊發出對信號採集模塊採集到的一幀圖像數據的2160有效像素點中的每一個進行轉換就緒通知；
[0017]f、數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成的一幀圖像數據中的2160有效像素點數據搬移到數據存儲模塊當一幀圖像數據搬移完成後CPLD向微控器模塊發出完成信號；
[0018]g、微控器模塊通過通訊模塊將數據存儲模塊內的數據移入上位機。
[0019]進一步，在步驟g完成後，將返回到步驟b，等待上位機發送採集指令。
[0020]進一步，在步驟c中微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間為I毫秒-15秒。
[0021]本發明具有的優點和積極效果是:
[0022](I)本發明所述的一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法，利用基於CPLD設計的硬體電路代替數字集成電路，此系統和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0023](2)本發明所述的一種光譜儀的信號採集系統以及採集方法，利用處理模塊可以集成數據搬移模塊的數據搬移功能的設計可以大大提高採集效率。
[0024](3)本發明所述的數據搬移模塊的數據搬移功能，可以實現在不需微控器模塊的情況下完成數據的搬移，從而節省微控器模塊的資源，提高整套產品的可靠性。
[0025](4)本發明所述的一種光譜儀的信號採集系統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的成本，為光譜儀器的小型化打下了基礎。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的光譜儀的信號採集系統的原理框圖；
[0027]圖2是本發明的光譜儀的信號採集方法的流程圖；
[0028]圖3是本發明的光譜儀的信號採集系統中T⑶1208傳感器時序圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結合附圖1-2對本發明做進一步描述:
[0030]本發明的技術方案涉及光譜儀的信號採集系統以及光譜儀的信號採集方法兩個主題，以下做詳細闡述。
[0031]一種光譜儀的信號採集系統，包括信號採集模塊、CPLD、信號轉換模塊、處理模塊和電機，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊，所述通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數據存儲模塊、電機和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統外部的上位機相連接，所述CPLD分別與信號採集模塊和信號轉換模塊相連接，所述信號轉換模塊分別與信號採集模塊和數據搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過CPLD控制信號採集模塊與信號轉換模塊進行信號採集和信號轉換工作，CPLD控制信號採集模塊進行信號採集過程中的驅動信號，信號轉換模塊將信號採集模塊採集的模擬信號轉換成數位訊號，數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成後的數據存儲到數據存儲模塊，最後由通訊模塊將採集到的數據從處理模塊內部的數據存儲模塊傳輸到上位機。
[0032]本發明利用基於CPLD設計的硬體電路代替數字集成電路，此系統和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0033]所述的信號轉換模塊採用LTC1603作為數據轉換晶片，負責將信號採集模塊採集的模擬信號經過信號放大電路後轉換成數位訊號，以16位的並行數據輸出存儲到處理模塊中的數據存儲模塊進行數據存儲。
[0034]所述的通訊模塊採用USB2.0作為通訊接口，數據傳輸速度可達到480Mb/s。上位機的應用軟體可與處理模塊直接通過USB通信。
[0035]所述的處理模塊採用STM32F103VBT6作為處理晶片，利用基於STM32作為處理器的設計可以大大提高採集效率，由於該處理器中的數據搬移模塊的數據搬移功能，可以實現在不需微控器模塊的情況下完成數據的搬移，從而節省CPU的資源，提高整套產品的可靠性，STM32還完成光譜儀的信號採集系統其他邏輯工作，如檢零、定時等。
[0036]所述的電機採用SLA7033驅動步進電機，機械傳動控制光柵的位置。
[0037]所述的信號採集模塊採用T⑶1208傳感器進行信號的採集工作。T⑶1208傳感器每採集一幀數據需要2212個脈衝，即每幀數據要進行2212次數據轉換，信等，其中所述的T⑶1208傳感器每幀數據只有中間的2160個有效像素點。
[0038]如圖2所示，本發明還提供了光譜儀的信號採集方法，應用在如上光譜儀的信號採集系統中，包括如下步驟:
[0039]a、光譜儀的信號採集系統初始化啟動；
[0040]b、處理模塊接收上位機發送的採集指令；
[0041]C、微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間並向CPLD發出信號採集指令；
[0042]d、CPLD操作信號採集模塊進行一幀圖像數據的2212的像素點信號轉換和採集；
[0043]e、信號轉換模塊通過CPLD向微控器模塊發出對信號採集模塊採集到的一幀圖像數據的2160有效像素點中的每一個進行轉換就緒通知；
[0044]f、數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成的一幀圖像數據中的2160有效像素數據搬移到數據存儲模塊當一幀圖像數據搬移完成後CPLD向微控器模塊發出完成信號；
[0045]g、微控器模塊通過通訊模塊將數據存儲模塊內的數據移入上位機。
[0046]在所述步驟g完成後，將返回到步驟b，等待上位機發送採集指令。
[0047]在所述步驟c中微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間為I毫秒-15秒。曝光時間參數由上位機傳遞下來，微控器模塊通過定時期的設置完成曝光時間，I毫秒-15秒。
[0048]所述的處理模塊還能通過電機驅動電路控制步進電機完成相應的邏輯動作，完成信號採集。
[0049]CPLD輔助STM32F103VBT6完成信號採集模塊的採集工作。當處理模塊中提供一個開始信號採集模塊採集的信號時，CPLD即開始按照TCD1208的時序圖產生相應的脈衝時序，並且自動開始操作模數轉換模塊進行一幀圖像數據的採集，每採集一個像素就操作LTC1603完成一次信號轉換，信號轉換完成後通知處理模塊的數據搬移模塊進行數據搬運。此外，CPLD還充當著處理模塊的I/O 口擴展工作。
[0050]本發明所述的一種光譜儀的信號採集系統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的成本，為光譜儀器的小型化打下了基礎。
[0051]以上對本發明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用於限定本發明的實施範圍。凡依本發明申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本發明的專利涵蓋範圍之內。
【權利要求】
1.一種光譜儀的信號採集系統，其特徵在於:包括信號採集模塊、CPLD、信號轉換模塊、處理模塊和電機，所述處理模塊還包括微控器模塊、通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊，所述通訊模塊、數據存儲模塊和數據搬移模塊依順序相連接，所述微控器模塊分別與數據存儲模塊、電機和CPLD相連接，通訊模塊和微控器模塊還與系統外部的上位機相連接，所述CPLD分別與信號採集模塊和信號轉換模塊相連接，所述信號轉換模塊分別與信號採集模塊和數據搬移模塊相連接；所述微控器模塊通過CPLD控制信號採集模塊與信號轉換模塊進行信號採集和信號轉換工作，CPLD控制信號採集模塊進行信號採集過程中的驅動信號，信號轉換模塊將信號採集模塊採集的模擬信號轉換成數位訊號，數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成後的數據存儲到數據存儲模塊，最後由通訊模塊將採集到的數據從處理模塊內部的數據存儲模塊傳輸到上位機。
2.根據權利要求1所述的光譜儀的信號採集系統，其特徵在於:所述通訊模塊採用USB2.0作為通訊接口。
3.根據權利要求1所述的光譜儀的信號採集系統，其特徵在於:所述處理模塊採用STM32F103VBT6作為處理晶片。
4.根據權利要求1所述的光譜儀的信號採集系統，其特徵在於:所述電機採用SLA7033驅動步進電機，機械傳動控制光柵的位置。
5.根據權利要求1所述的光譜儀的信號採集系統，其特徵在於:所述的信號採集模塊採用TCD1208傳感器。
6.一種光譜儀的信號採集方法，應用在如權利要求1-5中任意一項的光譜儀的信號採集系統中，其特徵在於:包括如下步驟: a、光譜儀的信號採集系統初始化啟動； b、處理模塊接收上位機發送的採集指令； C、微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間並向CPLD發出信號採集指令； d、CPLD操作信號採集模塊進行一幀圖像數據的2212的像素點信號轉換和採集； e、信號轉換模塊通過CPLD向微控器模塊發出對信號採集模塊採集到的一幀圖像數據的2160有效像素點中的每一個進行轉換就緒通知； f、數據搬移模塊將信號轉換模塊轉換完成的一幀圖像數據中的2160有效像點素數據搬移到數據存儲模塊當一幀圖像數據搬移完成後CPLD向微控器模塊發出完成信號； g、微控器模塊通過通訊模塊將數據存儲模塊內的數據移入上位機。
7.根據權利要求6所述的光譜儀的信號採集方法，其特徵在於:在步驟g完成後，將返回到步驟b，等待上位機發送採集指令。
8.根據權利要求6所述的光譜儀的信號採集方法，其特徵在於:在步驟c中微控器模塊設定信號採集模塊的曝光時間為I毫秒-15秒。
【文檔編號】G05B19/418GK104331046SQ201410570399
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】陳程 申請人:天津港東科技發展股份有限公司