一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，包括USB接口电路、电源管理电路、基准时钟电路、主控与时序发生电路、输出驱动电路和同步信号输出接口；USB接口电路用于为电源管理电路提供直流电源，并为所述主控与时序发生电路提供与上位机通信的接口；基准时钟电路与主控与时序发生电路连接，为其提供所需工作时钟；主控与时序发生电路用于在系统时钟的驱动下产生多路同步脉冲时序信号，并经输出驱动电路输出；同步信号输出接口与输出驱动电路相连，为激光器和光谱仪的信号传输线缆提供标准接口。本实用新型具有多通道、高精度、频率与脉宽可调的特点，既可满足LIBS实验平台对时序控制的要求，也可集成到手持式LIBS分析仪等小型仪器中。
【专利说明】
一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器
技术领域
[0001]本实用新型涉及激光诱导击穿光谱分析技术领域，具体涉及一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器。
【背景技术】
[0002]激光诱导击穿光谱(Laser-1nducedBreakdown Spectroscopy简称LIBS)是一种利用原子发射光谱分析物质元素的技术，其基本原理是利用高能激光烧蚀电离样品表面，激发出等离子体，通过对等离子体冷却过程中辐射的特征光谱进行分析，可以对样品的元素进行定性和定量分析。该技术具有无需样品制备、多组分快速分析、在线原位检测等优点，可以广泛应用于冶金分析、环境监测、地质勘探、在线监控等领域。
[0003]由于在等离子体整个生命周期中，不同时间阶段的特征光谱信号强度和信噪比存在差别，而特征光谱的信号强度和信噪比直接影响定量分析的准确度和检测极限，因此存在最佳的光谱米集时间点。LIBS系统中，通常米用可调延时精度在纳秒或皮秒级别的多通道延时发生器来精确控制激光器出光与光谱仪采集光谱的时间间隔(即工作时序)，从而获取最佳光谱数据。因此，时序控制器在LIBS系统中具有关键性作用。
[0004]现有LIBS实验平台一般采用通用型延时发生器(如美国Stanford公司的DG535)来控制工作时序。这类时序控制器虽然性能优良，但体积大、功耗高、价格昂贵，且依赖进口，不适用于系统集成。而且，随着LIBS系统逐渐走向仪器化和小型化，现有时序控制器无法满足系统对体积、功耗、可集成性等方面的严格要求，需要开发一种适用于LIBS系统的小体积、低功耗、低成本、易集成的新型时序控制器。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是针对现有时序控制器无法满足LIBS系统仪器化和小型化需求的问题，提出一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，是一种小型化的高精度多通道时序控制器，既可满足LIBS实验平台对时序控制的要求，也可集成到手持式LIBS分析仪等小型仪器中。
[0006]本实用新型提供的一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，它包括USB接口电路、电源管理电路、基准时钟电路、主控与时序发生电路、输出驱动电路和同步信号输出接口；
[0007]所述USB接口电路与电源管理电路连接，用于提供直流电源，另外还与所述主控与时序发生电路连接，用于提供与上位机通信的接口 ；
[0008]所述电源管理电路为时序控制器中各部件提供所需工作电压；
[0009]所述基准时钟电路与所述主控与时序发生电路连接，为其提供所需工作时钟；
[0010]所述主控与时序发生电路与所述输出驱动电路相连，用于在系统时钟的驱动下产生多路同步脉冲时序信号，并经所述输出驱动电路输出；
[0011]所述同步信号输出接口与所述输出驱动电路相连，用于为激光器和光谱仪的信号传输线缆提供标准接口。
[0012]作为上述技术方案的改进，所述主控与时序发生电路由单片微控制器MCU构成。所述微控制器MCU内部集成有时钟倍频PLL模块、脉宽调制HRPWM模块、串口通信SCI模块、定时器和中央处理器CPU;时钟倍频PLL模块与所述基准时钟电路相连，对外部基准时钟倍频后，为MCU提供系统时钟;脉宽调制HRP丽模块与输出驱动电路相连，在系统时钟的驱动下产生多路同步脉冲时序信号经输出驱动电路输出；串口通信SCI模块与所述USB接口电路相连，实现与上位机通信;定时器在系统时钟的驱动下计时，通过计时中断周期性地驱动CPU重新加载HRPffM模块参数并重新使能该模块，产生周期性同步脉冲时序信号，实现对脉冲频率的控制；中央处理器CPU用于系统控制，根据上位机指令设置各模块运行参数，并监控各模块运行状态。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，所述脉宽调制HRPWM模块设有多个可同步使能的独立单元，每一单元包括数字计数器、比较器、二个比较寄存器和可编程延时线，数字计数器、二个比较寄存器以及可编程延时线均与比较器相连，所述可编程延时线与所述输出驱动电路相连。
[0014]作为上述技术方案的更进一步改进，所述USB接口电路包括USB转串口和USB供电两部分;USB供电部分与电源管理电路连接，USB转串口部分与微控制器MCU内部的串口通信SCI模块连接。
[0015]本实用新型采用单片高度集成的微控制器芯片和少量外围电路实现了多通道、高精度、频率与脉宽可调的同步脉冲时序控制器，在满足LIBS系统对时序控制要求的基础上，大幅度减小了时序控制器的体积、功耗、成本，可集成到手持式LIBS分析仪等小型仪器中。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型实例的结构示意图；
[0017]图2是本实用新型实例提供的微控制器M⑶内脉宽调制HRPffM单元结构示意图；
[0018]图3是各通道时序不意图；
[0019]图3中，Ax、Bx分别表示第X单元的比较寄存器A和B的值。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021]如图1所示，本实用新型实例提供了一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，包括USB接口电路、电源管理电路、基准时钟电路、主控与时序发生电路、输出驱动电路和同步信号输出接口。
[0022]所述USB接口电路包括USB转串口和USB供电两部分;USB供电部分与电源管理电路连接，提供5V/500mA直流电源；电源管理电路为各电路模块提供所需工作电压;USB转串口部分与微控制器MCU内部的串口通信SCI模块连接，提供与上位机通信的接口。
[0023]所述基准时钟电路由20MHz高精度有源晶振构成，与微控制器MCU内部时钟倍频PLL模块相连，为MCU内部各模块提供所需工作时钟。
[0024]所述主控与时序发生电路由单片微控制器MCU(如TI TMS320C28346)构成。微控制器MCU内部集成有时钟倍频PLL模块、脉宽调制HRPWM模块、串口通信SCI模块、定时器和中央处理器CPU。时钟倍频PLL模块与外部基准时钟电路相连，对20MHz外部基准时钟10倍倍频后，为M⑶提供200MHz系统时钟;脉宽调制HRPffM模块与输出驱动电路相连，在200MHz系统时钟的驱动下产生8路同步脉冲时序信号经输出驱动电路输出；串口通信SCI模块与USB接口电路的USB转串口部分相连，实现与上位机通信;定时器在200MHz系统时钟的驱动下计时，通过计时中断周期性地驱动CPU重新加载HRPffM模块参数并重新使能该模块，产生周期性同步脉冲时序信号，实现对脉冲频率的控制。所述中央处理器CPU用于系统控制，根据上位机指令设置各模块运行参数，并监控各模块运行状态。
[0025]更进一步的，所述脉宽调制HRPffM模块，拥有8个可同步使能的独立单元，每一单元包括:16位数字计数器、比较器、16位比较寄存器A和B、可调延时分辨率为55ps的可编程延时线，如图2所示。比较器分别与数字计数器、比较寄存器A和B、可编程延时线相连，可编程延时线与外部输出驱动电路相连。所述脉宽调制HRPffM模块具有高分辨率。
[0026]HRPffM模块产生同步脉冲时序信号的原理如下:
[0027]当CPU同步使能HRPffM模块各单元后，各单元的数字计数器在200MHz系统时钟的驱动下同步计数，每一个时钟周期(5ns)计数器加I，同时与本单元比较寄存器A和B进行比值，当值相等时，比较器输出电平均立即翻转，产生脉冲信号。如图3所示，各单元脉冲信号前沿间的相对时延等于各单元比较寄存器A的差值乘以时钟周期5ns，各单元脉冲信号宽度等于各自比较寄存器B与A的差值乘以时钟周期5ns。通过设置各单元比较寄存器A的值，即可产生可调相对延时分辨率为5ns的8路同步脉冲信号;通过设置各单元比较寄存器B的值，即可调整各自脉冲信号宽度。
[0028]各单元比较器产生的5ns延时分辨率的脉冲信号输入到各自的可编程延时线进行二次精细延时。如图2所示，各单元可编程延时线均由255段传输时延为55ps的可选通可编程延时线串联组成，选通的串联可编程延时线的数量由选通寄存器的值决定。通过设置各单元可编程延时线选通寄存器的值，即可对各单元脉冲前沿间的相对时延进行二次精细调节，获得可调延时分辨率为55ps的8路同步脉冲信号。该脉冲信号经输出驱动电路调整信号电压和驱动能力后输出。
[0029]所述输出驱动电路由单片8路驱动芯片构成，各路传输线作等长处理，使各路间传输时延一致。通过同步信号输出接口输出到激光器和光谱仪。
[0030]所述同步信号输出接口由8个阻抗50欧姆的SMA母座构成，为激光器和光谱仪的信号传输线缆提供标准接口。
[0031 ]本实用新型的工作过程是:
[0032](I)微控制器MCU上电复位，进入串口SCI Boot模式，通过串口SCI模块和USB接口电路从上位机下载固件程序;运行固件程序，初始化时钟倍频PLL模块产生200MHz系统时钟、初始化HRPffM模块、初始化定时器；
[0033](2)上位机下发通道选通指令、相对延时参数、脉宽参数、频率参数，CPU通过串口SCI FIFO接收中断函数接收指令，根据接收到的通道指令参数设置HRPmi各单元比较寄存器A和B、可编程延时线选通寄存器，设置定时器周期寄存器；
[0034](3)上位机下发开始指令，CPU收到开始指令后，使能定时器开始计数，并同步使能HRPWM各单元计数器同步开始计数；当各单元计数器值与各自比较寄存器A、B的值相等时，产生脉冲信号，该脉冲信号经过选通的可编程延时线延时后输出；当所有选通的单元全部产生脉冲信号后，停止HRPWM所有单元计数器，等待定时器中断；当定时器中断产生时，CPU重新设置HRPffM各单元寄存器，并从新使能各单元计数器开始计数，产生下一轮脉冲信号。
[0035](4)当上位机下发停止指令时，CPU停止定时器和HRP丽所有单元计数器并重新设置各单元寄存器，等待开始指令;在停止状态下，上位机下发通道参数指令，CPU更新各寄存器的值，等待开始指令。
[0036]本实用新型的有益效果是:
[0037]本实用新型采用单片高度集成的微控制器芯片和少量外围电路实现了8通道、55ps可调相对延时精度、频率与脉宽可调的同步脉冲时序控制器，在满足LIBS系统对时序控制要求的基础上，大幅度减小了时序控制器的体积、功耗、成本，可集成到手持式LIBS分析仪等小型仪器中。
[0038]以上仅是针对本实用新型的具体实施例及其技术原理所做的说明，而并非对本实用新型的技术内容所进行的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型所公开的技术范围内，所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，它包括USB接口电路、电源管理电路、基准时钟电路、主控与时序发生电路、输出驱动电路和同步信号输出接口； 所述USB接口电路与电源管理电路连接，用于提供直流电源，另外还与所述主控与时序发生电路连接，用于提供与上位机通信的接口 ； 所述电源管理电路为时序控制器中各部件提供所需工作电压； 所述基准时钟电路与所述主控与时序发生电路连接，为其提供所需工作时钟； 所述主控与时序发生电路与所述输出驱动电路相连，用于在系统时钟的驱动下产生多路同步脉冲时序信号，并经所述输出驱动电路输出； 所述同步信号输出接口与所述输出驱动电路相连，用于为激光器和光谱仪的信号传输线缆提供标准接口。2.根据权利要求1所述的用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，所述主控与时序发生电路由单片微控制器MCU构成。3.根据权利要求2所述的用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，所述微控制器MCU内部集成有时钟倍频PLL模块、脉宽调制HRPffM模块、串口通信SCI模块、定时器和中央处理器CPU; 时钟倍频PLL模块与所述基准时钟电路相连，对外部基准时钟倍频后，为MCU提供系统时钟;脉宽调制HRPffM模块与输出驱动电路相连，在系统时钟的驱动下产生多路同步脉冲时序信号经输出驱动电路输出；串口通信SCI模块与所述USB接口电路相连，实现与上位机通信；定时器在系统时钟的驱动下计时，通过计时中断周期性地驱动CPU重新加载HRPWM模块参数并重新使能该模块，产生周期性同步脉冲时序信号，实现对脉冲频率的控制；中央处理器CPU用于系统控制，根据上位机指令设置各模块运行参数，并监控各模块运行状态。4.根据权利要求3所述的用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，所述脉宽调制HRPWM模块设有多个可同步使能的独立单元，每一单元包括数字计数器、比较器、二个比较寄存器和可编程延时线，数字计数器、二个比较寄存器以及可编程延时线均与比较器相连，所述可编程延时线与所述输出驱动电路相连。5.根据权利要求1至4中任一所述的用于激光诱导击穿光谱的时序控制器，其特征在于，所述USB接口电路包括USB转串口和USB供电两部分;USB供电部分与电源管理电路连接，USB转串口部分与微控制器MCU内部的串口通信SCI模块连接。
【文档编号】G06F13/16GK205540705SQ201620283528
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】李祥友, 李秋实, 郭连波, 曾晓雁, 陆永枫, 沈萌, 曾庆栋, 杨新艳
【申请人】华中科技大学