（机械电子工程专业论文）自动光栅单色仪测控软件系统的设计与实现.pdf

摘要摘要单色仪是一种对光子的能量或波长进行高分辨分析和选择的光学仪器，是从事光学和电子学研究的基础光谱分析仪器。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，许多应用领域对单色仪的测量精度、自动化程度、体积大小等性能提出了更高要求，而目前广泛使用的单色仪普遍存在着体积大、价格昂贵、精度不高，使用不方便等缺点，因此研制一套全新的测控软件系统，具有重大的科学意义、巨大的市场潜力和广阔的发展前景。主要工作如下：( 1 ) 研究光栅单色仪的测量原理和光路系统，分析测控系统的结构设计和硬件设计，提出了自动光栅单色仪测控软件系统的设计方案。( 2 ) 基于u s b 总线接口芯片c h 3 7 2 ，制定通信协议，构建上下位机通信系统，提高了数据传输的速度和数据处理的实时性。( 3 ) 编制下位机软件，选用k e i ls o f t w a r e 公司的l av i s i o n 3 作为开发环境，缩短了开发周期，降低了开发成本，易于移植和升级。下位机软件主要实现各种控制功能，保证数据高效、稳定的传输，提高系统的集成度和可靠性。( 4 ) 编制上位机软件，选用b o r l a n d 公司的c 抖b u i l d e r 作为开发环境，可视化的界面设计功能，易学易用，提高了编程效率。上位机软件主要处理人机交互，实现测量过程的自动控制，完成测量曲线、数据的显示和保存等功能。人机交互界面具有直观、友好、清晰和响应及时的特点，应用软件功能强大，便于操作和维护，可靠性高。( 5 ) 实验研究结果表明，光栅单色仪测控系统提高了光谱扫描的自动化程度、扫描速度和测量精度。目前仪器正处于试运行阶段，工作状态正常，运行结果良好，已经达到了预期的效果，即将进入市场投放，进行批量化生产，取得经济效益和社会效益。关键词：光栅单色仪；测控软件；通信协议：c + + b u i l d e ra b s t r a c ta b s t r a c tm o n o c h r o m a t o ri sa no p t i c a li n s t r u m e n to fh i g ha c c u r a c ya n a l y s i sa n dc h o i c et op h o t o ne n e r g yo rw a v e l e n g t h ，a n di st h ee s s e n t i a ls p e c t r a la n a l y s i si n s t r u m e n tt oo p t i c sa n de l e c t r o n i c sr e s e a r c h w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m a n ya p p l i c a t i o nd o m a i n sp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nm o n o c h r o m a t o r sm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , a u t o m a t i cd e g r e e ，s i z ea n do t h e rp r o p e r t i e s a tp r e s e n t ，w i d e l yu s e dm o n o c h r o m a t o rh a st h ed e f e c t so fb u l k y ，e x p e n s i v e ，p r e c i s i o ni sn o th i g ha n du s ei si n c o n v e n i e n t ，s od e v e l o pan e wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r es y s t e m ，w h i c hh a st h es i g n i f i c a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e ，t h eg i a n tm a r k e tp o t e n t i a la n dt h eb r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c t s t h em a i nt a s k sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ：( 1 ) r e s e a r c h e dm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n do p t i c a ls y s t e m so fg r a t i n gm o n o c h r o m a t o r ,a n a l y z e ds t r u c t u r a ld e s i g no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dh a r d w a r ed e s i g n ，p u tf o r w a r dt h ed e s i g np l a no fa u t o m a t i cg r a t i n gm o n o c h r o m a t o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r es y s t e m ( 2 ) b a s e do nu s bb u si n t e r f a c ec h i pc h 3 7 2 ，c r e a t e dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n db u i l tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e t w e e ns i n g l ec h i pa n dc o m p u t e r , i m p r o v e dt h ed a t at r a n s f e rs p e e da n dt h er e a l t i m eo fd a t ap r o c e s s i n g ( 3 ) w r o t et h es i n g l ec h i ps o f t w a r e ，s e l e c t e dk e i ls o f t w a r ec o r p o r a t i o nl x v i s i o n 3a st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，s h o r t e n e dt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc o s ta n de a s yt ot r a n s p l a n ta n du p g r a d e s i n g l ec h i ps o f t w a r em a i n l yr e a l i z e dc o n t r o lf u n c t i o n , e n s u r e dd a t ae f f e c t i v e ，s t a b l et r a n s m i s s i o n ，r a i s e ds y s t e mi n t e g r a t i o na n dr e l i a b i l i t y ( 4 ) w r o t et h ec o m p u t e ra p p l i c a t i o ns o a r e , s e l e c t e db o d a n dc o r p o r a t i o nc+b u i l d e ra st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，v i s u a li n t e r f a c ed e s i g nf e a t u r e s ，e a s yt ol e a r na n du s e ，r a i s e dt h ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c y c o m p u t e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r em a i n l yp r o c e s s e dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，r e a l i z e da u t o m a t i cc o n t r o lo fm e a s u r i n gp r o c e s s ，c o m p l e t e dd i s p l a ya n ds a v et oo 1 l w ea n dd a t a h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nh a st h ea d v a n t a g e so fd i r e c t v i e w i n g , f r i e n d l y , c l e a ra n dr e s p o n s ep r o m p t f u n c t i o ni sp o w e r f u l ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ea r ee a s y , a n dr e l i a b i l i t yi sh i g l l ( 5 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tg r a t i n gm o n o c h r o m a t o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi m p r o v e dt h ea u t o m a t i cd e g r e eo fs p e c t r u ms c a n n i n g , s c a n n i n gs p e e da n dm e a s u r i n ga c c u r a c y n o wi t si nt r i a lo p e r a t i o ns t a g e ，w o r ks t a t ei sn o r m a l ，r u nr e s u l ti sha b s t r a c tg o o da n da l r e a d ya c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c t t h ep r o d u c tw i l lb ep u ti n t ot h em a r k e t ,c a r r yo nt h eb a t c h e dp r o d u c t i o na n do b t a i ne c o l o g i c a la n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：g r a t i n gm o n o c h r o m a t o r ；m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；c + + b u i l d e ri i i学位论文版权使用授权书本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：王韵= o o c l 年1 月惮日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字)指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文题目为自动光栅单色仪测控软件系统的设计与实现学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。作者签字：王韵，_ - ，y2 口d c f 年1 月惮日第1 章绪论第1 章绪论1 1 光谱仪器的发展历史光谱仪器是光学仪器的重要组成部分，它是应用光学技术及光谱技术的原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备，通过测量物质的光谱数据来研究物质性质的分析仪器，具有分析精度高、测量范围广、运行速度快和样品用量少等优点。广泛用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护等部门，同时也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文勘测所必不可少的遥感设备【l l 。总的来看，光谱仪器的发展经历了以下四个阶段【2 刮：1 光谱仪器形成的阶段光谱学是近代建立起来的学科，英国物理学家牛顿在1 6 6 6 年使用三棱镜将白光分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光，使人类终于认识到白光是复合的，从此光谱才真正成为一门科学，给人类提供了一个认识世界的新途径 7 1 。1 8 0 2 年沃拉斯顿用狭缝代替了牛顿分光装置中的圆孔，急速提高了光谱仪的分辨率。1 8 5 9 年夫琅和费为了研究金属的光谱制造出世界上第一台光谱仪器。经过将近两百年的发展，逐渐奠定了现代光谱仪器的基础。2 光谱仪器作为实验室研究工具的阶段1 8 5 9 年，由克希霍夫和本生制造出第一台结构完整的光谱仪器，提出了各种物质在一定条件下具备自己的特殊光谱，从而拉开了光谱仪器发展的序幕，后人把1 8 6 0年作为光谱分析的诞生年。由于棱镜的线色散率是非线性的，在此期间人们开始转向将衍射光栅作为色散元件的研究，1 8 8 2 年罗兰发明了凹面光栅，简化了光谱仪结构并提高了性能。2 0 世纪开始，在普朗克、波尔、德布罗意、薛定谔等学者的努力下，建立了量子力学理论，使其成为光谱学强有力的理论基础【8 1 。3 光谱仪器在工业中应用的阶段在定量光谱分析方法基本建立起来之后，光谱分析成为工业的分析方法，光谱仪器得到了迅速的发展。1 9 2 8 年德国蔡司厂开始设计制造中型石英光摄谱仪，此后美国、英国、苏联等国也先后开始了同类型仪器的研制。4 光谱仪器光电化、自动化和智能化发展的新阶段随着电子技术、光电技术和计算机技术的发展，光谱仪器开始实现光电化、自动化和智能化。1 9 4 4 年赫斯特和狄特第一次介绍了光电直读光谱仪，到2 0 世纪6 0 年代，光谱仪器己经在众多领域得到了发展，并且建立了从紫外到红外完整光谱的定性和定量的分析方法。进入2 0 世纪后期，随着航空技术、遥感技术、计算机技术等领第l 苹绪论域的不断发展和成熟，对光谱检测技术也提出了更高分辨率和更高灵敏度的要求，从而出现了很多适应于不同领域的光谱仪器，如赖曼光谱仪、傅立叶变换光谱仪、非线性光学光谱仪等，它们的出现促进了诸如航空航天、分析化学、天文学、生物学等学科的发展。早期的光谱仪器常采用棱镜分光，而较少采用光栅，这是因为当时光栅制造工艺比较复杂，难度较大。但是随着近年来光栅制造工艺的快速发展，光栅的制造难度不断降低、加工质量不断提高和加工成本不断减少，商品化的高性能光栅不断出现，使光栅广泛应用于光谱仪器中。早期的光谱仪器只能用肉眼或者感光板来观察，但是随着光电探测器技术的发展，光谱仪器逐渐找到了更加准确、快速和便捷的数据采集方法，从光电池到光电倍增管再到光电二极管阵列，光电探测器的发展使光谱仪器的发展达到了一个崭新的境界。1 2 光谱仪器的国内外发展现状以及趋势1 2 1 发展现状国外光谱仪的发展历史比较长，自动化程度比较高，而且生产厂家也比较多，目前出现了一些近紫外、可见光和近红外波长范围的微小型光谱仪。而我国自行研制生产的光谱仪与国外相比差距还是比较大，在自动化程度和技术指标上有明显的差距，但是随着我国综合国力和科学技术水平的不断提高，目前光谱仪器的研制、开发及应用得到了迅速的发展，并且已经开发研制出一系列适应国内分析对象的仪器和应用软件。美国o c e a no p t i c s 公司利用光纤的传光性能，推出了一种掌上光纤光谱仪，它使光谱仪器脱离了样品池，利用光纤探头把远离光谱仪的样品光谱源引入，进行光谱测量和分析。采用c z e r n y - t u m e r 系统的变形形式，包括两片球面反射镜和一块平面反射光栅，被测光从光纤导入，经反射准直镜准直、平面反射式光栅分光、反射式成像物镜聚焦后，由c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 探测器进行探测。该方案的特点是光学元件都采用反射式，可在一定程度上减少象差，并使工作光谱范围不受材料特性的影响，可测量的光谱范围为2 0 0 n m 1 0 5 0 n m ，若采用1 2 0 0 线m m 的光栅，1 0 0 i _ t m 的光纤芯径时，分辨率为2 5 n m 【9 1 。荷兰a v a n t e s 公司的微小型光谱仪采用了c c d 和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅，测量速度快，用于在线分析。采用对称式c z e r n y - t u m e r 光学平台设计，焦距有4 5 m m 和7 5 m m 两种，信号从光纤接e l 进入，经一个球面镜准直，然后由一块平面光栅分光，再由第二面球面镜聚焦到一块线性探测器阵列上。若采用6 0 0 线m m 的光栅，5 0 9 m 宽度的狭缝时，分辨率为1 2 衄【l o l 。2第1 章绪论重庆大学光电工程学院设计了一种混合集成微型光纤光谱仪，其光学部分由入射光纤、凹面光栅和平面反射镜组成。采用凹面光栅具有对被检测光进行分光和成像的功能，避免了采用平面光栅时的准直透镜和成像透镜，合理的设计凹面光栅可以在不采用附加光学元件的情况下实现成像谱面的平直，还能减小系统像差，提高成像系统质量，以线阵c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 图像传感器作为探测元件，实现4 0 0 n m - 8 0 0 n m 波长范围内的光谱检测。该结构具有简单紧凑、光学面少、体积小、光能利用率高、便于系统的一体化混合集成等特点。在采用芯径5 0 - t m 的多模光纤时，分辨率为1 3 8 n m ，在采用芯径9 p m 单模光纤时，分辨率可达到5 5 n m 1 1 】。从以上光谱仪器的发展现状可以看出，分光原理与传统光谱仪并无多大区别，主要是采用光栅分光。总的来说，都是以传统技术为基础，结合现代科学的新技术、新器件等成果，实现光谱仪的小型化和微型化，从而来减少成本，提高可靠性。1 2 2 发展趋势目前国内外的光谱仪正朝着高速度、高精度、集成化和微小型方向发展，同时由于计算机、微控制器、光电子等技术的快速发展，为开发智能化的光谱仪提供了很大的空间。现在光谱仪的发展趋势主要有以下几个方面【1 2 - 1 4 】：1 智能化智能仪器是科学技术发展到今天的最新产物，随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，采用可编程增益放大，自动误差补偿，智能p i d 调节，数字信号滤波等方法，测控仪器的智能化、总线化、网络化已成为整个行业发展的主要趋势。尽管目前这类仪器的智能化程度还不是很高，但是可以预计随着微电子技术、信息技术、计算机技术以及人工智能技术的不断发展和完善，这种新一代仪器的智能化程度必将会越来越高。2 高速度、高精度采用高性能的嵌入式微控制器及实时多任务的操作系统，可以提高扫描速度；采用含数字滤波器的高位转换器，可以提高扫描精度。3 集成化目前普遍研究和采用带有微处理器兼有检测和信息处理功能的传感器，在半导体芯片上，用微电子加工技术把传感器功能、逻辑功能、存储功能集成在一起，最终使传感器具有自动校正、自动补偿、数据处理、存储和记忆等功能。4 微小型由于微光学、微电子、微机械的结合产生出一类新的应用范围很广的器件一微型光机电系统m o e m s ( m i c r o o p t i e - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) ，它也是机、电、光、磁、化学、传感技术等多种技术的综合【1 5 】。m o e m s 日益成为新的光学工具，已经对第1 章绪论许多基于光学的仪器显示出应用前景。作为m o e m s 的一种，微型光谱仪具有重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等优点。5 利用个人电脑( p c 机) 扩展光谱仪的功能通过计算机已有的通信接口如r s 2 3 2 接口，u s b 接口等，光谱仪可以与个人电脑实现连接，直接使用计算机来操作光谱仪，同时将测量数据传送给p c 机，从而实现数据的开放性。虽然我国对光谱技术的研究及应用起步较晚，但是现在渐渐的受到了许多方面的关注和重视，并在仪器研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了较为可喜的成果。根据北京市“十一五”期间的发展规划，提出：要通过改造和开发，使主导产品完成从模拟化到数字化、从单元化到系统化、从传统电子仪器到现代智能仪器的全面提升，拥有一批技术先进、市场前景广阔的产品。而基于平面光栅技术的微小型光谱仪是发展主流，它的元器件制作工艺比较成熟，产品化时间比较长，产品性能也相对比较稳定，相信随着光栅和阵列探测器技术的不断发展，该类光谱仪会向着高性能和高智能的方向发展。1 3 课题研究的来源、目的和意义本课题是北京市教育委员会科技发展计划面上项目，是北京信息科技大学北京市重点实验室机电系统测控实验室开放项目，同时也是由重点实验室与北京光学仪器厂合作的重大科研项目。在激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术以及新型元器件的推动下，光谱仪有了很大的发展，特别是应用了微处理技术，使光谱仪向着高精度、高分辨率、高效益、多功能、自动化和人工智能化的方向发展。它广泛应用于国民经济的各个部门，有力地促进了生产、科研、质控等领域的建设和发展，因而具有广阔的发展前景，同时该仪器具有巨大的市场投资潜力，从而引起人们的广泛兴趣。而目前广泛使用的光谱仪虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件苛刻等不足，同时随着现代科学技术的飞速发展，许多应用领域对光谱仪也提出了更高要求，特别是随着航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测等众多领域的发展，迫切需要一种微型化、集成化、智能化、功耗小、电压低、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠、使用方便灵活、性价比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号的微小型光谱仪。基于上述原因，以北京光学仪器厂生产的光栅单色仪为研究对象，根据其工作原理和测量要求，为其设计一套智能化的测控系统，用来完成信号的采集，信号的处理，实现数据分析的实时性、准确性、稳定性，提高自动化程度，简化操作。最终使光栅单色仪成为高度集成的光机电体化产品，智能化的“傻瓜式测控仪器，满足小型4第1 章绪论化、总线化和网络化发展的趋势。因此，课题的研究具有重大的科学意义和巨大的市场潜力。总而言之，课题的开展有利于推动北京市仪器仪表系统的开发，促进北京市仪器仪表工业的跨越式发展，形成高科技含量、有竞争力的产品，提高可持续发展能力，从而实现基于新技术仪器产品的改革和创新。同时项目的研究工作也可相应带动其它行业的技术进步和发展，能产生良好的社会效益，对北京市的经济建设和社会发展做出一定的贡献。1 4 本章小节光谱仪器作为一种重要的分析仪器，在国民经济的各个方面都得到了广泛的应用。本章在回顾了光谱仪器发展历史的基础上，分析了光谱仪器的发展现状以及发展趋势，指出了现在广泛使用的光谱仪器虽然精度较高，但是体积过大，对环境要求较高，而且价格昂贵，随着现代科学技术的快速发展，微小型光谱仪已经成为光谱仪器未来发展的重要趋势之一，并且光谱仪器测控系统的好坏对于仪器智能化、集成化、微型化发展有着重大作用，所以开发性能稳定、操作简单、功能齐全、应用软件界面友好的测控系统成为光谱仪器设计中不可缺少的重要环节。通过这些分析，明确了研究目的，确定了研究内容。5第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计单色仪是一种对光子的能量或者波长进行高分辨分析和选择的光学仪器，是从事光学和电子学研究的基础光谱分析和测量仪器。目前已经发展了多种类型的单色仪，从原理上主要分为透射和反射等类型，从应用模式上主要分为光栅和棱镜等类型。由于光栅单色仪的波长范围宽，色散率和分辨率高等优点，使光栅单色仪得到了广泛的应用。它是利用光栅作为分光的关键元件，将入射的复合光分解为分布在全波段的可供任意选择的光谱宽度很窄的单色光【l 酬。目前使用比较广泛的光栅单色仪主要有正弦机构驱动和蜗轮蜗杆驱动两种，采用正弦机构驱动的光栅单色仪其控制方法比较简单，利用丝杠带动正弦臂的旋转来实现角位移与波长增量的线性关系，从而实现波长的线性扫描控制。该结构的光栅单色仪一般只能实现驱动单块光栅的旋转，而一块光栅仅能覆盖其闪耀波长附近较小区域的光谱范围，如果需要扩大扫描范围，则需要更换光栅，每次更换时，都需要对系统进行重新定标，应用上十分不便。同时，操作人员的误操作也容易导致机构的损坏，维修相当麻烦。采用蜗轮蜗杆驱动的光栅单色仪可以进行3 6 0 度旋转，光栅转台可以安装1 3 块光栅，减少了更换光栅的麻烦，同时可以实现较大范围的光谱扫描，克服了正弦机构单色仪的扫描光谱范围固定以及容易产生机械故障的缺陷，因此得到了广泛的使用【1 7 1 。2 1 光栅单色仪的分光原理光栅单色仪的衍射原理【1 8 1 如图2 1 所示：光栅法线图2 1 闪耀光栅的衍射原理图根据光栅衍射理论，出现干涉极大值时，闪耀光栅的衍射方程为：d ( s i n c t - s i n f l ) = n 2 ，伽= o ，l ，2 ，)( 2 1 )其q h d 是光栅刻线间距，a _ j f f l f l 分别是相对光栅法线的入射角和衍射角，力为衍射光6第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计谱的级次，a 为衍射光谱的波长。对光栅公式( 2 1 ) 进行三角关系变换为：2 d c o s 掣s m 掣：，l 五( 2 2 )zz令a + = 2 0 ，a p = 2 多，得到简化的闪耀光栅的色散方程为：2 dc o s o s i n = n ；t( 2 3 )式中p 是入射光和衍射光夹角的半角，在光栅单色仪中，入射光线和衍射光线间的夹角是固定值，即刻槽面与光栅平面的夹角。因为入射光和衍射零级光满足反射定律，关于光栅法线对称，所以痧是衍射零级光与衍射光夹角的半角。实际上，在入射光不动的条件下，光栅转动某个角度，出射光会扫描过两倍的角度。这样，西代表的是光栅的转动角度，即从对准零级光开始，光栅扫描到某波长衍射光时，所转动过的角度。满足公式( 2 3 ) 的波长形成一系列不同级次的光谱线，由于各种波长的零级条纹是重合的，所以当以白光入射时，零级光仍为白色复合光，随着级数的增加，各种波长的条纹将不再重合，因此可以观察到一系列彩色条纹，并且由中央零级光向两侧按波长的长短以由短到长的顺序排列，选用两侧中能量较强的一侧作为出射光【1 9 1 。单色仪的工作原理是，使用精密转台使光栅可以转动，给定不同的转动角度西，观察这些角度上是否有衍射光出现，如果观察到有出射光时，根据公式( 2 3 ) 计算出波馏，所以光栅单色仪是把对波长旯的测量，转化成对角度西的测量。同时也可以根据公式( 2 3 ) ，假设步迸电机的步距角为) ，电机驱动器的细分比为幻，蜗轮蜗杆的传动比为岛，则光栅由零级光旋转到波长五处应走的步数为：step：180kikzarcsin(32dcos矽)( 2 4 )刃f公式( 2 4 ) 为最终步进电机的步进数与波长的对应关系。测控系统可根据公式( 2 4 ) 对步进电机的步数进行计算，实现对步进电机的实时控制。2 2 光栅单色仪的光路系统根据光栅的分光原理，光栅单色仪的光路系统设计采用c z 锄y t u m e r 水平对称式光路结构【2 0 1 ，如图2 2 所示。图2 2 光栅单色仪的光路系统结构图7第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计光源发出的复合光从入射狭缝s 1 进入单色仪后经过准直物镜m 1 ，形成平行光束投射到平面光栅g 上，经光栅g 色散后形成多级衍射光，再通过两个具有相同曲率半径的凹面反光镜m 3 和m 4 ，成像在出射狭缝s 2 处( 其中m 1 、m 2 和m 3 、m 4 分别为准直物镜和成像物镜，并且应保证m 3 和m 4 这两个分离的凹面镜曲率中心重合) ，当光栅按顺时针方向旋转时，可以在狭缝s 2 处得到不同波长的单色光束，这样单色仪就起到了将入射的复合光分解成一系列独立的单色光的作用。其中对于平面光栅g ，其表面刻有锯齿槽，合理设计光栅衍射平面的闪耀角( 光栅刻槽法线与光栅平面法线的夹角) ，将会有较强的光信号从一级光谱的方向上输出，从而获得较高的数据信噪比。从光路上可以看出：入射狭缝的位置是可以变化的，它可以在a 位置，也可以在c 位置，相应的出射狭缝可以在b 位置，也可以在d 位置，共有4 种组合。目前商品化的光谱仪大多数都是基于平面光栅分光原理，平面光栅分为透射式和反射式两种，它是一种精密的光学分光元件。透射式光栅在光谱仪中不使用，因为它引入的色差不均匀使得谱面无法平直，所以基于光栅分光的光谱仪一般都使用反射式光栅，它适合所有波段且光能利用率高，不会引入色差导致谱面不平直。这类系统结构简单，所需光学元器件少，利于集成，元器件制作工艺成熟，价格低廉，是目前光谱仪发展的主要趋势。2 3 光栅单色仪的总体结构设计光栅单色仪主要由光源、变焦系统、入射狭缝、出射狭缝、单色分光系统、光栅转台、滤色片组、球面镜组、接收系统、测控系统、计算机以及打印机等组成【2 l 】，其总体结构如图2 3 所示。图2 3 光栅单色仪的总体结构图为了提高仪器的一体化及集成化，将光栅单色仪的分光系统和控制系统设计为一体，上面为光栅室，下面为控制器室。光栅室主要由箱体内侧的一个入射狭缝、两个出射狭缝、滤色片组、两个凹面镜、光栅转台、反光镜以及步进电机等组成。入射及出射狭缝的开合大小由手动控制，两个出射狭缝可根据要求安装c c d 、光电倍增管、光电池、铟镓砷或硫化铅等接收器，在两个出射狭缝之间安装个小反光镜，使用步8第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计进电机驱动反光镜来选择单色光的出射方向，以便减少更换接收器的麻烦。由于光栅的衍射效率随着偏离闪耀波长区域的距离增大而逐渐降低，以至于较远端会使接收器探测不到信号，另外根据光栅衍射公式，光谱中的二级光谱甚至更高级的衍射光会与级光谱重叠，因此需要采用滤色片将二级以上的衍射光滤掉，滤色片组安装在入射狭缝处，通过步进电机控制滤色片轮旋转来选择需要的滤色片。两个凹面镜主要实现光线的聚焦和反射，光栅转台由步进电机加蜗轮蜗杆进行驱动，实现对入射光的色散作用，光栅转台由3 0 0 线m m 、6 0 0 线m m 和1 2 0 0 线m m 三块光栅背靠背安装。控制器室内主要由嵌入式控制电路板，步进电机驱动器以及电源等组成【1 。7 1 。2 4 光栅单色仪的硬件系统设计测控系统是光栅单色仪的核心部分，是实现自动测量的关键部分，它主要由硬件系统和软件系统两部分组成，作为一个整体，二者有着紧密的联系。实际上，在设计测控软件系统前会不可避免地考虑到硬件系统，在实现测控软件系统每一功能模块的过程中都要求对系统硬件有深刻的理解。因而，在开始设计软件部分前对系统的硬件做一个全面的理解是十分必要的。测控系统的结构如图2 4 所示。上步进电机及位微处理器步进电机驱机u s b 接口ic 8 0 51 f 0 6 0动器接收器应用c h 3 7 2光电倍增管软信号采集信号调理件图2 4 光栅单色仪的测控系统结构图硬件系统设计的合理性对于整个测控系统十分关键，对保证仪器的测量精度起着至关重要的作用，它主要由电源、微处理器、步进电机及其驱动器、u s b 通信接口、接收器等组成。2 4 1 电源自动光栅单色仪测控系统含有步进电机及其驱动电路、数字电路和模拟电路，这些部分需要不同的供电电源。驱动光栅转台的步进电机的功率较大，要求2 4 v - l a 的电源；驱动滤色片轮及反光镜的步进电机的功率较小，需要1 2 v - o 2 a 的电源；步进电机驱动器需要+ 5 v 的电9第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计源；模拟电路需要+ 5 v 的电源；单片机及外围电路需要+ 3 3 v 的电源。为了减小系统体积及功耗，系统选用具有2 4 v - 2 a 和1 2 v - 1 a 两路输出的开关电源，各步进电机的工作电源由开关电源经p c b 电路板直接供给。由于步进电机驱动器及控制系统主板的功耗在2 w 以下，所以采用1 2 v - 1 a 输出的电源经开关电源芯片l m 2 5 7 6 变换获得+ 5 v 的电源，分别为步进电机驱动器、数字及模拟电路提供电源。由于步进电机工作电流大，对地线的干扰大，所以需要将步进电机、驱动器的电源与数字电路、模拟电路的电源进行隔离。采用具有输入输出相互隔离的集成d c d c 模块，分别获得稳定的数字电路及模拟电路电源，电源纹波电压在1 以内。采用n r 5 d 5d c d c 获得+ 5 v输出，为模拟电路提供电源，采用n r 5 s 5d c d c 获得+ 5 v 输出，作为t t l 电路需要的v c c 以及光电倍增管负高压电路的供电电源，其中v c c 经l m l l l 7 低压差线性稳压模块降压获得+ 3 3 v 电压。电源分配如图2 5 所示。+ 2 4 v光栅电机一。器，俐7 俐鞘机开关电源l m 2 5 7 6l 外围电路i+ ，反光镜电机誓麓一i n d 躲d c ) l 二型叫1 刘趴电朋u 戮鬈2 4 2 微处理器图2 5 电源分配图为了减小控制系统主板的尺寸，提高它的集成度、实时性和可靠性，选用c 8 0 5 1 f 0 6 0 作为嵌入式控制系统的微控制器。c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 5 1 内核，并且与m c s 5 1 指令集完全兼容。c 8 0 5 1 f 0 6 0 高速的处理速度满足运行多任务实时处理的要求；含有4 k b 内部数据r a m和6 4 k b 系统可编程f l a s h 程序存储器，故无需扩展存储系统；内置的两个1 6 位逐次逼近式a d c 可作为单端或差分转换器，满足两路高速、高精度数据采集的要求；内置的两个1 2 位d a c 可用于系统对外的模拟电压输出；片内3 路带隙电压基准输出可满足两个a d c 及d a c 的电压基准要求；内部的外部存储器扩展模块可实现单片机与u s b 控制芯片以并行总线的方式连接，无需附加额外的地址锁存器。综上所述，c 8 0 5 1 f 0 6 0是核心控制芯片的理想选择【2 2 川。c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机内部自带的两个1 6 位逐次逼近式转换器a d c 0 和a d c l ，它们具有士0 7 5l s bi n l ，保证无失码，具有可编程转换速率，最大能达到1 m s p s ，能够满足系统的设计要求。a d c 0 和a d c l 可以独立工作于单端方式或者两者组合工作于差分方式，考虑到系统要求设计两路高精度的信号采集通道，因此选择使用单端输入方式。1 0第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计2 4 3 步进电机及步进电机驱动器根据光栅单色仪的设计要求，扫描的最小波长间隔要求达到0 0 5 n m ，需要采用细分功能的步进电机配合蜗轮蜗杆来实现，因此选择合理的步进电机及步进电机驱动器是关键。光栅单色仪的电机控制如图2 6 所示。微i r 真囱鱼曼步进电机控c p 脉冲信号。光驱动器步制f r e e 锁定信号l耦、f 进r开( 环行分配)电器低功耗信号。关( 细分电路)( 功率放大)机图2 6 光栅单色仪的电机控制示意图步进电机是机电一体化产品中常见的将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件，其特点是输入一个电脉冲就转动一步，即每当电机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速和转向。在光栅单色仪控制系统中，驱动光栅转台的步进电机选用四通两项混合式4 2 b y g 2 5 0 a s a s s m 0 15 1 步进电机，驱动反光镜的步进电机选用精工诚( s m d ) 公司的4 2 y g 4 0 4 ，驱动滤色片轮的步进电机选用精工诚( s m d ) 公司的4 2 b y g h 0 0 1 ，四相四拍通电方式，步距角可达到1 8 0 。步进电机的步距角由电机结构所确定，如果想要得到更小的步距角，为了减小电机震动、噪声等，可以采用细分驱动，即在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一部分。细分驱动能使步进电机运行平稳，提高匀速性，减弱或消除振荡。光栅单色仪的步进电机驱动器选用四通的具有最大6 4 细分驱动的双相混合式步进电机驱动器s h 2 0 4 0 3 。2 4 4 通信接口计算机与外界的信息交换称为通信，基本的通信方式有并行通信和串行通信两种，而计算机与外界的连接电路称为接口，它是计算机与外界进行信息交换的中转站。由于系统采用蜗轮蜗杆传动方式驱动光栅旋转，单色仪的出射波长与步进电机的步数成非线性关系，上位机软件需要根据波长与步数的关系进行计算，实时的将波长增量所对应的步数传递给下位机控制系统，控制光栅旋转，同时将采集的数据上传，系统通信的数据量比较大。为了提高数据传输速度，控制系统采用u s b 并行通信接口与计算机连接。u s b 总线接口是由i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 等公司在1 9 9 5 年提出的外第2 章光栅单色仪的工作原理和系统设计设总线标准，它具有传输速度快、即插即用、通用性强、易扩展、可靠性好等优点。采用u s b 总线接口技术可以实现对光栅单色仪的实时控制以及高速的数据采集，与计算机接口简单，支持热插拔，使用方便，有效的克服了使用r s 2 3 2 串行通信总线的传输速度慢以及没有循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 检验的限制。u s b 总线接口的应用正处在高速发展的阶段，使用u s b 2 0 可以达n 4 8 0 m b s 的通信速度，因此在计算机实时控制和高速数据采集方面有着广泛的应用前景。采用南京沁恒电子有限公司生产的芯片c h 3 7 2 2 5 1 ，实现c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机和计算机之间的连接，通信协议自行设定，尽可能使用较高的通信速率，同时保证数据传输的可靠性。c h 3 7 2 是一种u s b 总线的通用设备接口芯片，是c h 3 7 1 的升级产品，是c h 3 7 5 的功能简化版。它是全速设备接口，兼容u s b v 2 0 ，即插即用，外围元器件简单，只需要晶体和电容。它提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断传输等多种传输模式，主端点上传下传缓冲区各6 4 字节，辅助端点上传下传缓冲区各8 字节。在本地端，c h 3 7 2 具有8 位数据总线和读、写、片选控制总线以及中断输出，可以方便的挂接到单片机等控制器的系统总线上；在计算机系统中，c h 3 7 2的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机进行通信就如同读写文件，对于用户的使用相当方便。c 8 0 5 1 f 0 6 0 与c h 3 7 2 采用外部存储器接口方式进行连接，接口电路如图2 7 所示。2 4 5 接收器图2 7c h 3 7 2 构成的u s b 接口电路图光电倍增管( p m t ) 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件，此外还具有低噪声、低成本及大面积阴极等特点。根据光谱检测范围及设计目标，选用北京滨松光子技术有限公司的侧窗型c r l 3 1 0 1 光电倍增管进行光信号的采集，其光谱响应范围1 8 5 9 0 0 n r n ，光阴极为多碱材料，阳极脉冲上升时间为2 2 n s ，阳极光照灵敏度为2 5 0 0 a l m ，阳极与阴极间最大电压为1 2 5 0 v ，该型号光电倍增管具有较低暗电流和极好的输出稳定性。光电倍增管需要1 2 0 0 v 的负高压，由高压电源c c l 4 3 产生，其输入电源适应范围宽，输出电压连续可调、高压调整方式灵活可靠、高压输出稳定性高、高压输出无过冲、输出线性度好【2 6 1 。1 2第2 章光栅单色仪的t 作原理和系统设计2 5 技术指标( 1 ) 焦距3 0 0 m m 。( 2 ) 光栅3 0 0 线m m 、6 0 0 线m m 和1 2 0 0 线m m ；闪耀波长1 2 5 0 n m 、7 5 0 n m 、3 0 0 n m ；刻线面积6 8 m mx6 8 m m ，( 可以按照用户要求选配其它规格的光栅) 。( 3 ) 入射狭缝高度，1 0 、8 、6 、4 、2 、1 、0 5 七档任选。( 4 ) 入射、出射缝宽度，0 l o m m 连续可调，分度值o o l m m 。( 5 ) 分辨率接收到命令包，从当前中断的端点， y缓冲区读取数据块，祤! 竺= 竺型一缓冲区s 缓冲区前u s b 缓冲区断)5 中断服务程序流程图若有数据包要发送给上位机，其步骤如下：( 先发送写数据命令：c h 3 7 2w rc mp o t ( c m dw ru sd a a 7 ) ；u s b 端点2