专利名称：多通道积分电路模块、多通道积分电路模块组及光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子发射光谱分析仪器领域，尤其涉及多通道积分电路模块、多通道积分电路模块组及光谱仪。
背景技术：
电弧激发一米或两米光栅光谱仪是原子发射光谱仪器中重要分支，该仪器的特点可直接对地质样品中土壤、岩石、水系沉积物和高纯金属氧化物等粉末状样品进行分析，无需化学消解及稀释过程，从而避免了消解后溶液中某些元素的含量被稀释降低分析灵敏度，而且还极易带入难以控制的污染。长期以来，我国生产的电弧激发一米或两米光栅光谱仪在地质领域全国开展地球 化学找矿《1:5万区域化探全国扫面计划》中每年有几十万件地球化学样品的分析任务，以及有色、冶金系统中大量的高纯金属氧化钨、氧化钥和其它贵金属样品中测定17 19种杂质元素含量，因此在我国众多实验室得到广泛应用。而传统的电弧激发一米或两米光栅光谱仪通常采用相板记录、洗相、测光等流程进行光谱分析，其操作程序繁锁、工作效率低、劳动强度大和易污染环境等弊端，因此，广大用户十分期待新型的电弧激发光电直读光谱仪的诞生。电弧激发光电直读光谱仪主要工作原理是利用交流或直流电弧光源将试样激发出特征光谱，特征光谱经过凹面光栅的分光系统衍射为不同波长的光谱线，而后将该光信号转化为电信号，电信号经过放大及数据处理后得到试样实验数据，由于光谱线的强度与不同的元素的含量成一定的函数关系，因此，通过对试样实验数据进行处理可以计算出试样中被测元素的含量，这种电弧激发光电直读光谱仪具有操作简单，且工作效率高等优点。在光信号转化为电信号时是以光电流的形式输出的，光电流的大小随特征谱线光强而变化，而特征谱线光强随时间变化具有一定的波动性，因此，通常不是测量光电流的瞬时值，而是采用积分的方法，记录一段时间内光电流在电容上的积分电压值。在实际应用中，用户对分析元素通道数量要求从几个到几十个，而且对上层应用方面的要求也不尽相同，而通道数量的增加会降低数据采集的速度，这就需要能快速集成、具有多种采集模式功能的积分电路。
发明内容
本发明的实施例提供了一种的多通道积分电路模块，采集效率高，易于集成。为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案一种多通道积分电路模块，包括多个光电流输入通道、多个积分及放大电路单元、处理器单元以及模块地址编码单元；多个光电流通道分别连接至各自的积分及放大电路单元，每个积分及放大电路单元的输出分别连接至处理器单元；
模块地址编码单元与处理器单元连接，用于设置该多通道积分电路模块的地址信息；处理器单元，用于采集各个输入通道的积分数据，以及读取地址编码单元设置的地址信息。可选地，还包括继电器、驱动器以及自检电流信号；各个光电流输入通道分别经继电器的一端接至驱动器，驱动器连接至处理器单元，处理器单元控制驱动器驱动继电器的动作，继电器的另一端接自检电流信号。可选地，光电流输入通道为8个，继电器为4个双联继电器，每个光电流输入通道分别接到双联继电器的一端。可选地，每个积分及放大电路单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第一电感、第一电容以及模拟开关；光电流输入通道经第一电感接至第一运算放大器的第一相输入端，第一运算放大器的第二相输入端接地，第一运算放大器的第一相输入端 经第一电容接至第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端经第一电阻接至第二运算放大器的第二相输入端，第二运算放大器的第一相输入端接至第二运算放大器的输出端；第一电容的两端分别接模拟开关的一对通断端，模拟开关的控制端接至处理器单元，处理器单元控制模拟开关的状态。可选地，在第二运算放大器的第二相输入端接有稳压二极管。可选地，模块地址编码单元为拨码开关。可选地，拨码开关为8位拨码开关。可选地，处理器单元采集各个通道的积分数据的采集模式包括分段采集、按频率采集和按自由设定时间采集。此外，本发明还提供了包含多个上述任一的多通道积分电路模块的多通道积分电路模块组，每个多通道积分电路模块通过CAN总线与上位机连接。 此外，本发明还提供了包含上述任一多通道积分电路模块的光谱仪。本发明提供的多通道积分模块，每个光电流输入通道对应各自的积分及放大电路单元，采集效率高，并设置有模块地址编码单元，在通道数增加时，可以直接通过增加多通道积分模块实现，而无需重新设计整个采集电路，该多通道积分模块的采集效率高，易于集成。更进一步地，在光电流输入通道上连接由驱动器驱动的继电器，继电器与自检电流信号连接，从而实现自检电流信号与积分测试电流信号的切换，并方便的通过自检电流信号来实现整个模块的自检，为测试提供更为可靠的测试环境。更进一步地，积分及放大电路单元采用了包括模拟开关与电容配合的设计，并通过处理单元控制模拟开关的状体，这样，可以通过模拟开关来控制电容的充放电，进而，便于集成多种采集模式，使其上层的应用更为丰富和方便，更加的智能化。
图I为根据本发明实施例的多通道积分电路模块的电路结构示意图；图2为根据本发明的实施例的积分及放大电路单元的电路结构示意图；图3为根据本发明的实施例的分段积分采集方法的流程图4为根据本发明的实施例的按频率采集方法的流程图；图5为根据本发明的实施例的自由设定时间采集方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。如图I和图2所示，在该具体的实施例中，在一个光电流积分模块中，光电流输入通道CH1-CH8为8个，处理器单元为SoC单片机200，该SoC单片机具有多个I/O 口及内置的模数转换器(ADC)。当然，可以理解的是，此处光电流输入通道的数目仅为示例，可以根据 具体的设计需要设定光电流的数目和所需的处理器单元的类型，本发明并不限于此。每一路光电流输入通道分别接一个积分及放大电路单元100后，接入到SoC单片机200的具有模拟输入功能的I/O 口，如P3. 0-3. 7，也就是说，将8路光电流输入经过积分及放大电路后的模拟量分别接入到SoC单片机200的8个数据口，而后，可以调用单片机200内部的ADC将模拟量轮流进行转换及采集。当然，也可以将经过积分及放大电路后的模拟量经过模数转换器(图未示出)之后在接入到单片机的数据口，单片机直接采集转换为数字量的信号。在本实施例中，如图2所示，以光电流输入通道CHl为例，每个与光电流输入通道连接的积分及放大电路单元包括第一运算放大器101、第二运算放大器105、第一电阻107、第一电感101、第一电容102以及模拟开关106，光电流输入通道CHl经第一电感101接至第一运算放大器103的第一相输入端103-1，第一运算放大器的第二相输入端接地103-2，第一运算放大器的第一相输入端103-1经第一电容102接至第一运算放大器103的输出端；第一运算放大器103的输出端经第一电阻107接至第二运算放大器105的第二相输入端105-2，第二运算放大器的第一相输入端105-1接至第二运算放大器105的输出端；第一电容102的两端分别接模拟开关106的一对通断端SlDl，模拟开关的控制端接至处理器单元200，处理器单元200控制模拟开关106的状态，该实施例中，运算放大器的第一相输入端103-1、105-1为反相输入端，第二输入端103-2、105-2为正相输入端。其中，光电流输入通路CHl的光电流输入后，第一电感101起到抗波动、稳定输入电流的作用，第一运算放大器103与第一电容102组成电流积分电路，第二运算放大器105组成电压跟随器，降低输出阻抗，减小后续电路对积分电压的影响。在第一电容102的两端接模拟开关106的一对通断端S1D1，模拟开关102的控制端接到单片机200，也就是由单片机控制模拟开关的通断状态，通过该模拟开关106的通断来控制整个电路为积分状态还是放电状态，本实施例中，模拟开关106开启，则电路处于积分状态，模拟开关106闭合，则电路处于放电状态。更具体地，该实施例中采用两个4通道的模拟开关，其IN端分别接至单片机200的I/O 口，如PO. 0-0. 7。此外，更优地，在第二运算放大器105的第二相输入端105-2接有一稳压二极管104，以起到限位作用，即对积分后的电压进行限位。在此实施例中，还设置有继电器6与自检电流信号7组成的模块，该继电器6通过驱动器5连接到单片机200，单片机发出的指令给驱动器5，从而由驱动器5控制继电器6的开关状态，在此实施例中，采用4个双联继电器6，8路光电流输入通道CH1-CH8分别接到双联继电器一个常开输入端，双联继电器的常闭输入端并接到自检电流信号7，本实施例中，自检电流信号7由负电压(如-15V)串接一固定电阻(如100k)、一可调电阻(如IOk)组成，形成分压电路，电流源的输入从固定电阻与可调电阻中间接出，可调电阻并接一电容。通过该模块可以实现对整个积分电路模块的自检，在继电器6处于闭合状态时，由自检电流信号为输入电流源，用以检测整个电路的状态是否正常，在驱动器接受单片机信号要进行光电流积分时，驱动器驱动继电器闭合，从而光电流从输入通道CH1-CH7进入积分电路，方便的实现了自检电流信号与积分测试电流信号的切换。在本发明中，采用了模块地址编码单元3，用于设置本多通道积分模块的地址信息，以便在多个多通道积分模块集成在一起时，识别积分数据所对应的模块。在本实施例 中，模块地址编码单元3为拨码开关，可以根据具体的模块数量来确定拨码开关的位数，例如可以为8位的拨码开关，与单片机200的I/O 口连接，通过手动设置拨码开关的高低状态，单片机200读取拨码开关的状态来作为该模块的地址信息。对于该实施例的积分电路模块，易于集成多种积分采集模式，可以根据上位机的指令在多种采集模式之间智能切换。采集模式可以包括分段采集、按频率采集和按自由设定时间采集。分段采集的方法，即在一定的积分段时间内，不断地轮流采集各个通道的光电流积分数据。这种分段采集方法，极大地扩展了积分电路的动态范围。采集时，对每个通道采集到的数据进行判断，大于某一数值，就保存数据，然后进行电容的放电，接着继续采集，然后把本时间段内的多次采集数据叠加。在一个具体的实施例中，通过调用单片机内部的ADCO轮流进行转换和采集，通过对ADCO的AMX0PRT寄存器O到8位的轮流置I及向AD0BUSY寄存器写I启动A/D转换，然后读取高8位ADH寄存器和低8位ADL寄存器实现数据采集，然后使高8位ADCOH乘以十进制数256再加上低8位ADC0L，赋予一个两字节32位的数组变量SUM，完成一次数据采集，并通过内部定时器T3进行计时，具体步骤参见图3，在进行初始化之后，首先，定时器T3开始计时，模拟开关控制所有通道打开，轮流采集第i通道数据，高8位ADH，低8位ADL，若所采集数据大于2560，则认为一次采集完成，此通道模拟开关闭合，放电4us，并将数据累加到该通道SUM[i]，直到到达预定时间，停止采集。按频率采集的方法，即按一定的频率进行采集，在每间隔一定的固定时间采集一次数据，这种采集方式，适合仪器的光谱曲线扫描、谱线定位等。在一个具体的实施例中，定时器T4用于设置频率，定时器T3设置积分总时间，参考图4所示，在进行初始化后，设置采集频率，积分间隔时间到达，则轮流采集第i通道数据，高8位ADH，低8位ADL，而后关闭所有通道的模拟开关，进行放电4us，并将数据累加到每个通道SUM[i]，重复积分，直到积分总时间到达,则停止采集。自由设定时间采集的方法，即对每个通道分别对应不同的积分开始时间和积分停止时间，这样，可以针对每个通道的特性进行积分，减少背景谱线，提高分析的灵敏度。在一个具体的实施例中，在初始化之后，接收各通道的积分开始时间Begin，积分结束时间End，并轮询各通道是否在开始时间Begin和积分结束时间End之间，若是，采集该第i通道数据，高8位ADH，低8位ADL，若所采集数据大于2560，则认为一次采集完成，此通道模拟开关闭合，放电4us，并将数据累加到该通道SUM[i]，直到到达预定时间，停止采集。以上对本发明的多通道积分模块的具体实施例进行了详细的描述，此外，本发明还提供了由上述任意的多通道积分模块组成的多通道积分模块组，通过模块的增加方便地实现通道数的扩展。例如，在一个实施例中，当需要24个输入通道时，可由上述实施例的三个8通道的积分模块来组成，通过每个积分模块的模块地址编码单元来为每个模块设置地址标识信息，每个模块可以通过CAN总线实现与上位机连接，例如通过总线接口 400实现与上位机的通讯，而无需重新设计一个24输入通道的积分电路，方便的实现通道的扩展，同时，每个通道对应各自的积分电路，在通道增加时，同样实现高效率的采集。此外，本发明还提供了应用上述的多通道积分模块或模块的光谱仪，实现具有高效率及便于扩展的积分电路的光谱仪。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领 域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种多通道积分电路模块，其特征在于，包括 多个光电流输入通道、多个积分及放大电路单元、处理器单元以及模块地址编码单元; 多个光电流通道分别连接至各自的积分及放大电路单元，每个积分及放大电路单元的输出分别连接至处理器单元； 模块地址编码单元与处理器单元连接，用于设置该多通道积分电路模块的地址信息； 处理器单元，用于采集各个输入通道的积分数据，以及读取地址编码单元设置的地址信息。
2.根据权利要求I所述的多通道积分电路模块，其特征在于，还包括 继电器、驱动器以及自检电流信号； 各个光电流输入通道分别经继电器的一端接至驱动器，驱动器连接至处理器单元，处理器单元控制驱动器驱动继电器的动作，继电器的另一端接自检电流信号。
3.根据权利要求2所述的多通道积分电路模块，其特征在于，光电流输入通道为8个，继电器为4个双联继电器，每个光电流输入通道分别接到双联继电器的一端。
4.根据权利要求I所述的多通道积分电路模块，其特征在于，每个积分及放大电路单元包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第一电感、第一电容以及模拟开关； 光电流输入通道经第一电感接至第一运算放大器的第一相输入端，第一运算放大器的第二相输入端接地，第一运算放大器的第一相输入端经第一电容接至第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端经第一电阻接至第二运算放大器的第二相输入端，第二运算放大器的第一相输入端接至第二运算放大器的输出端；第一电容的两端分别接模拟开关的一对通断端，模拟开关的控制端接至处理器单元，处理器单元控制模拟开关的状态。
5.根据权利要求4所述的多通道积分电路模块，其特征在于，在第二运算放大器的第二相输入端接有稳压二极管。
6.根据权利要求4所述的多通道积分电路模块，其特征在于，处理器单元采集各个通道的积分数据的采集模式包括分段采集、按频率采集和按自由设定时间采集。
7.根据权利要求I所述的多通道积分电路模块，其特征在于，模块地址编码单元为拨码开关。
8.根据权利要求7所述的多通道积分电路模块，其特征在于，拨码开关为8位拨码开关。
9.一种多通道积分电路模块组，包括多个如权利要求1-8中任一项所述的多通道积分电路模块，每个多通道积分电路模块通过CAN总线与上位机连接。
10.一种光谱仪，包括如权利要求1-8中任一项所述的多通道积分电路模块。
全文摘要
多通道积分电路模块、多通道积分电路模块组及光谱仪。本发明提供了一种多通道积分电路模块，包括多个光电流输入通道、多个积分及放大电路单元、处理器单元以及模块地址编码单元；多个光电流输入通道分别连接至各自的积分及放大电路单元，每个积分及放大电路单元的输出分别连接至处理器单元；模块地址编码单元与处理器单元连接，用于设置该多通道积分电路模块的地址信息，处理器单元，用于采集各个光电流输入通道的积分数据，以及读取模块地址编码单元的地址信息。在通道数增加时，可以直接通过增加本多通道积分电路模块实现，而无需重新设计整个采集电路，该多通道积分电路模块采集效率高、易于集成。
文档编号H03H17/00GK102857193SQ20121030948
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者付国余, 王彦东, 楼巧兰, 辛会成, 曲红静, 常伟, 赵艳秋, 吴冬梅 申请人:北京瑞利分析仪器有限公司