一种光谱仪的信号采集系统以及采集方法
【专利摘要】本发明提供光谱仪的信号采集系统以及采集方法，包括信号采集模块、CPLD、信号转换模块、处理模块和电机，所述处理模块还包括微控器模块、通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块，所述通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块依顺序相连接，所述微控器模块分别与数据存储模块、电机和CPLD相连接，通讯模块和微控器模块还与系统外部的上位机相连接，所述CPLD分别与信号采集模块和信号转换模块相连接，所述信号转换模块分别与信号采集模块和数据搬移模块相连接本发明的有益效果是集成度高、速度快、可靠性好。
【专利说明】一种光谱仪的信号采集系统以及采集方法
【技术领域】
[0001]本发明属于信号采集【技术领域】，尤其是涉及一种光谱仪的信号采集系统以及采集方法。
【背景技术】
[0002]光谱仪器是光谱与光谱分析学基本的分析工具，是现代天文、化学、物理各研究领域和生产领域的有利工具。随着科学技术的发展，在地矿勘探、生物医学、环境检测等领域对光谱仪器提出了微型化的要求。与以往的大型光谱仪器相比，便携式光谱仪具有体积小、重量轻、功耗低、使用灵活、性价比高等优点；同时微型光谱仪可以作为光电接口设备与光纤探头联合使用，使测量更加方便。便携式光纤光谱仪的研究越来越受到重视。
[0003]传统的采集系统是采用单片机提供脉冲信号并进行信号转换和采集等工作，这样做虽然硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷。这样微控器模块的采样速率也必然受到单片机主频的制约。信号采集模块对信号进行采集时实时性要求很高，一旦微控器模块处理不过来，必然影响整套产品对于光强变化的响应速度。如果为了保证微控器模块有足够资源而采用数字电路来提供脉冲，则外围电路过于复杂，电路板面积很大。如何解决现有的光谱仪信号采集模块的驱动电路存在资源浪费较多、频率较低、外围电路较复杂的缺陷，成为了目前世界各国光谱仪器研制的热点。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种集成度高、速度快、可靠性好并可以有效的减小电路板面积，从而减小光谱仪器的体积以及降低生产的成本光谱仪的信号采集系统以及采集方法。
[0005]本发明的技术方案是:一种光谱仪的信号采集系统，包括信号采集模块、CPLDJf号转换模块、处理模块和电机，所述处理模块还包括微控器模块、通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块，所述通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块依顺序相连接，所述微控器模块分别与数据存储模块、电机和CPLD相连接，通讯模块和微控器模块还与系统外部的上位机相连接，所述CPLD分别与信号采集模块和信号转换模块相连接，所述信号转换模块分别与信号采集模块和数据搬移模块相连接；所述微控器模块通过CPLD控制信号采集模块与信号转换模块进行信号采集和信号转换工作，CPLD控制信号采集模块进行信号采集过程中的驱动信号，信号转换模块将信号采集模块采集的模拟信号转换成数字信号，数据搬移模块将信号转换模块转换完成后的数据存储到数据存储模块，最后由通讯模块将采集到的数据从处理模块内部的数据存储模块传输到上位机。
[0006]所述的CPLD为复杂可编程逻辑器件。
[0007]所述的通讯模块采用USB2.0作为通讯接口。
[0008]所述的处理模块采用STM32F103VBT6作为处理芯片。
[0009]所述的电机采用SLA7033驱动步进电机，机械传动控制光栅的位置。
[0010]所述的信号采集模块采用T⑶1208传感器。
[0011 ] 一种光谱仪的信号采集方法，应用在光谱仪的信号采集系统中，其特征在于:包括如下步骤:
[0012]a、光谱仪的信号采集系统初始化启动；
[0013]b、处理模块接收上位机发送的采集指令；
[0014]C、微控器模块设定信号采集模块的曝光时间并向CPLD发出信号采集指令；
[0015]d、CPLD操作信号采集模块进行一帧图像数据的2212的像素点信号转换和采集；
[0016]e、信号转换模块通过CPLD向微控器模块发出对信号采集模块采集到的一帧图像数据的2160有效像素点中的每一个进行转换就绪通知；
[0017]f、数据搬移模块将信号转换模块转换完成的一帧图像数据中的2160有效像素点数据搬移到数据存储模块当一帧图像数据搬移完成后CPLD向微控器模块发出完成信号；
[0018]g、微控器模块通过通讯模块将数据存储模块内的数据移入上位机。
[0019]进一步，在步骤g完成后，将返回到步骤b，等待上位机发送采集指令。
[0020]进一步，在步骤c中微控器模块设定信号采集模块的曝光时间为I毫秒-15秒。
[0021]本发明具有的优点和积极效果是:
[0022](I)本发明所述的一种光谱仪的信号采集系统以及采集方法，利用基于CPLD设计的硬件电路代替数字集成电路，此系统和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0023](2)本发明所述的一种光谱仪的信号采集系统以及采集方法，利用处理模块可以集成数据搬移模块的数据搬移功能的设计可以大大提高采集效率。
[0024](3)本发明所述的数据搬移模块的数据搬移功能，可以实现在不需微控器模块的情况下完成数据的搬移，从而节省微控器模块的资源，提高整套产品的可靠性。
[0025](4)本发明所述的一种光谱仪的信号采集系统可以有效的减小电路板面积，从而减小光谱仪器的体积以及降低生产的成本，省去了繁琐的RAM、FIFO、USB通信等外围器件，从而减小光谱仪器的体积以及降低生产的成本，为光谱仪器的小型化打下了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的光谱仪的信号采集系统的原理框图；
[0027]图2是本发明的光谱仪的信号采集方法的流程图；
[0028]图3是本发明的光谱仪的信号采集系统中T⑶1208传感器时序图。
【具体实施方式】
[0029]以下结合附图1-2对本发明做进一步描述:
[0030]本发明的技术方案涉及光谱仪的信号采集系统以及光谱仪的信号采集方法两个主题，以下做详细阐述。
[0031]一种光谱仪的信号采集系统，包括信号采集模块、CPLD、信号转换模块、处理模块和电机，所述处理模块还包括微控器模块、通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块，所述通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块依顺序相连接，所述微控器模块分别与数据存储模块、电机和CPLD相连接，通讯模块和微控器模块还与系统外部的上位机相连接，所述CPLD分别与信号采集模块和信号转换模块相连接，所述信号转换模块分别与信号采集模块和数据搬移模块相连接；所述微控器模块通过CPLD控制信号采集模块与信号转换模块进行信号采集和信号转换工作，CPLD控制信号采集模块进行信号采集过程中的驱动信号，信号转换模块将信号采集模块采集的模拟信号转换成数字信号，数据搬移模块将信号转换模块转换完成后的数据存储到数据存储模块，最后由通讯模块将采集到的数据从处理模块内部的数据存储模块传输到上位机。
[0032]本发明利用基于CPLD设计的硬件电路代替数字集成电路，此系统和方法集成度高、速度快、可靠性好。
[0033]所述的信号转换模块采用LTC1603作为数据转换芯片，负责将信号采集模块采集的模拟信号经过信号放大电路后转换成数字信号，以16位的并行数据输出存储到处理模块中的数据存储模块进行数据存储。
[0034]所述的通讯模块采用USB2.0作为通讯接口，数据传输速度可达到480Mb/s。上位机的应用软件可与处理模块直接通过USB通信。
[0035]所述的处理模块采用STM32F103VBT6作为处理芯片，利用基于STM32作为处理器的设计可以大大提高采集效率，由于该处理器中的数据搬移模块的数据搬移功能，可以实现在不需微控器模块的情况下完成数据的搬移，从而节省CPU的资源，提高整套产品的可靠性，STM32还完成光谱仪的信号采集系统其他逻辑工作，如检零、定时等。
[0036]所述的电机采用SLA7033驱动步进电机，机械传动控制光栅的位置。
[0037]所述的信号采集模块采用T⑶1208传感器进行信号的采集工作。T⑶1208传感器每采集一帧数据需要2212个脉冲，即每帧数据要进行2212次数据转换，信等，其中所述的T⑶1208传感器每帧数据只有中间的2160个有效像素点。
[0038]如图2所示，本发明还提供了光谱仪的信号采集方法，应用在如上光谱仪的信号采集系统中，包括如下步骤:
[0039]a、光谱仪的信号采集系统初始化启动；
[0040]b、处理模块接收上位机发送的采集指令；
[0041]C、微控器模块设定信号采集模块的曝光时间并向CPLD发出信号采集指令；
[0042]d、CPLD操作信号采集模块进行一帧图像数据的2212的像素点信号转换和采集；
[0043]e、信号转换模块通过CPLD向微控器模块发出对信号采集模块采集到的一帧图像数据的2160有效像素点中的每一个进行转换就绪通知；
[0044]f、数据搬移模块将信号转换模块转换完成的一帧图像数据中的2160有效像素数据搬移到数据存储模块当一帧图像数据搬移完成后CPLD向微控器模块发出完成信号；
[0045]g、微控器模块通过通讯模块将数据存储模块内的数据移入上位机。
[0046]在所述步骤g完成后，将返回到步骤b，等待上位机发送采集指令。
[0047]在所述步骤c中微控器模块设定信号采集模块的曝光时间为I毫秒-15秒。曝光时间参数由上位机传递下来，微控器模块通过定时期的设置完成曝光时间，I毫秒-15秒。
[0048]所述的处理模块还能通过电机驱动电路控制步进电机完成相应的逻辑动作，完成信号采集。
[0049]CPLD辅助STM32F103VBT6完成信号采集模块的采集工作。当处理模块中提供一个开始信号采集模块采集的信号时，CPLD即开始按照TCD1208的时序图产生相应的脉冲时序，并且自动开始操作模数转换模块进行一帧图像数据的采集，每采集一个像素就操作LTC1603完成一次信号转换，信号转换完成后通知处理模块的数据搬移模块进行数据搬运。此外，CPLD还充当着处理模块的I/O 口扩展工作。
[0050]本发明所述的一种光谱仪的信号采集系统可以有效的减小电路板面积，从而减小光谱仪器的体积以及降低生产的成本，省去了繁琐的RAM、FIFO、USB通信等外围器件，从而减小光谱仪器的体积以及降低生产的成本，为光谱仪器的小型化打下了基础。
[0051]以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
【权利要求】
1.一种光谱仪的信号采集系统，其特征在于:包括信号采集模块、CPLD、信号转换模块、处理模块和电机，所述处理模块还包括微控器模块、通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块，所述通讯模块、数据存储模块和数据搬移模块依顺序相连接，所述微控器模块分别与数据存储模块、电机和CPLD相连接，通讯模块和微控器模块还与系统外部的上位机相连接，所述CPLD分别与信号采集模块和信号转换模块相连接，所述信号转换模块分别与信号采集模块和数据搬移模块相连接；所述微控器模块通过CPLD控制信号采集模块与信号转换模块进行信号采集和信号转换工作，CPLD控制信号采集模块进行信号采集过程中的驱动信号，信号转换模块将信号采集模块采集的模拟信号转换成数字信号，数据搬移模块将信号转换模块转换完成后的数据存储到数据存储模块，最后由通讯模块将采集到的数据从处理模块内部的数据存储模块传输到上位机。
2.根据权利要求1所述的光谱仪的信号采集系统，其特征在于:所述通讯模块采用USB2.0作为通讯接口。
3.根据权利要求1所述的光谱仪的信号采集系统，其特征在于:所述处理模块采用STM32F103VBT6作为处理芯片。
4.根据权利要求1所述的光谱仪的信号采集系统，其特征在于:所述电机采用SLA7033驱动步进电机，机械传动控制光栅的位置。
5.根据权利要求1所述的光谱仪的信号采集系统，其特征在于:所述的信号采集模块采用TCD1208传感器。
6.一种光谱仪的信号采集方法，应用在如权利要求1-5中任意一项的光谱仪的信号采集系统中，其特征在于:包括如下步骤: a、光谱仪的信号采集系统初始化启动； b、处理模块接收上位机发送的采集指令； C、微控器模块设定信号采集模块的曝光时间并向CPLD发出信号采集指令； d、CPLD操作信号采集模块进行一帧图像数据的2212的像素点信号转换和采集； e、信号转换模块通过CPLD向微控器模块发出对信号采集模块采集到的一帧图像数据的2160有效像素点中的每一个进行转换就绪通知； f、数据搬移模块将信号转换模块转换完成的一帧图像数据中的2160有效像点素数据搬移到数据存储模块当一帧图像数据搬移完成后CPLD向微控器模块发出完成信号； g、微控器模块通过通讯模块将数据存储模块内的数据移入上位机。
7.根据权利要求6所述的光谱仪的信号采集方法，其特征在于:在步骤g完成后，将返回到步骤b，等待上位机发送采集指令。
8.根据权利要求6所述的光谱仪的信号采集方法，其特征在于:在步骤c中微控器模块设定信号采集模块的曝光时间为I毫秒-15秒。
【文档编号】G05B19/418GK104331046SQ201410570399
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】陈程 申请人:天津港东科技发展股份有限公司