一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统及方法与流程

本发明属于激光诱导击穿光谱领域，特别涉及一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统及方法，实现对激光诱导击穿光谱仪多通道光电探测器的输出信号进行精确控制和高速采集。

背景技术：

激光诱导击穿光谱仪以脉冲式激光为激发光源，通过将激光聚集到样品表面产生等离子体，等离子体发出特征光谱后经分光系统分光、光电探测器检测及信号控制采集系统采集后，将数据传输给计算机，经计算机分析处理后得到待测样品特征元素含量及其分布信息。由于激光作用到样品表面产生等离子体的持续时间较短，同时激发初始时刻信号并不稳定且背景信号较高，因此为了得到最佳的光谱强度和信背比，需要对采集时间进行精确的延时控制；光电探测器将分光后的特征谱线光信号转换为电信号，施加在光电探测器上的负高压的大小将直接影响光电探测器的放大倍数和仪器信噪比，因此为满足实际工作要求，需要对负高压大小进行连续可调；由于经光电探测器转换输出的电信号仍较弱，通常为微安级，且不同特征谱线对激光的响应程度即信号强度不同，因此需要分别对各特征谱线信号进行进一步的积分时间控制和放大调节。综上，设计一种满足激光诱导击穿光谱仪信号分析要求的控制与采集系统，对于实现仪器的分析功能、提升仪器的分析性能和自动化水平至关重要。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统及方法，以实现对激光同步延时信号的精确控制、光电探测器负高压的数字化控制和实时监测以及对特征谱线信号的积分放大调节、采集、存储、打包并上传至pc机，经计算机分析处理后最终得到待测样品特征元素的含量及其分布信息。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统，该系统包括激光电源控制单元、信号积分延时控制单元、信号积分放大单元、数据采集处理单元、负高压采集控制单元和通讯接口转换单元；

所述信号积分延时控制单元、信号积分放大单元、数据采集处理单元和负高压采集控制单元通过一块过桥板固定并实现公用信号的互联；

pc机和所述数据采集处理单元分别通过网口与通讯接口转换单元连接，所述激光电源控制单元、信号积分延时控制单元和负高压采集控制单元分别通过串口与通讯接口转换单元连接；

所述激光电源控制单元由pc机控制并输出同步触发信号，启动激光光源；

所述信号积分延时控制单元受所述同步触发信号触发后，向信号积分放大单元输出多通道积分延时信号；

所述信号积分放大单元接收多通道积分延时信号并受其控制，对多通道光电探测器输出信号进行积分放大；

所述数据采集处理单元对积分放大后的信号进行采集、存储、打包后经通讯接口转换单元传输至pc机；

所述负高压采集控制单元对多通道光电探测器的负高压进行监测及控制。

所述信号积分延时控制单元包括信号整形模块、主控器模块和串口通讯模块；

所述信号整形模块由一片双精度单稳态触发器及其外围电路组成，通过对外围电路的配置实现对激光电源控制单元输出激光同步触发信号的整形；

所述主控器模块采用fpga控制，以整形后的同步触发信号上升沿为延时起点，精确控制激光同步延时时间，输出多通道积分延时信号，所述多通道积分延时信号为多路独立且连续可调的，控制精度为纳秒量级；

所述串口通讯模块由一片单电源电平转换芯片及其外围电路组成，实现所述信号控制与采集系统和pc机之间的双向通讯功能。

所述信号积分放大单元包括积分通道控制模块和运算放大模块；

所述积分通道控制模块由多片16路的模拟开关组成，由所述信号积分延时控制单元产生的多通道积分延时信号通过排线控制，实现对运算放大模块的通道控制；

所述运算放大模块由多片运算放大器及其外围电路组成，通过使用高精度的电位计，实现对多通道光电探测器输出信号的放大倍数连续可调。

所述数据采集处理单元采用fpga作为主控芯片。

所述负高压采集控制单元包括主控器模块、串口通讯模块、一片多路da芯片和一片多路ad芯片；

所述主控器模块采用arm芯片，加载到多通道光电探测器上的目标负高压值由pc机设置，并经串口通讯模块将所述目标负高压值发送给arm芯片，arm芯片经过处理分析后控制da芯片输出对应的负高压值；同时，ad芯片采集加载到多通道光电探测器上的实际负高压值并发送给arm，由arm芯片通过串口通讯模块发送给pc机，由此实现对多通道光电探测器负高压的实时监测和数字化连续调节控制，调节范围为-1500v～0v。

所述的通讯接口转换单元将串口传输转换为以太网传输，使得串口具有网络传输功能，并保持每个通讯接口与pc机之间独立通讯，最终由单一网口实现pc机与多硬件设备之间的交互。

一种利用所述的系统的信号控制与采集方法，该方法包括：

1)pc机将激光光源配置参数通过串口传输给激光电源控制单元，激光电源控制单元产生同步触发信号，并将所述同步触发信号通过同轴线缆传输给信号积分延时控制单元；

2)信号积分延时控制单元受所述同步触发信号触发后输出多通道积分延时信号；

3)信号积分放大单元接收多通道积分延时信号并受其控制，对所述多通道光电探测器的输出信号进行积分放大；

4)数据采集处理单元对积分放大后的信号进行采集、存储、打包后经通讯接口转换单元传输至pc机；

5)负高压采集控制单元对多通道光电探测器的负高压进行监测及控制。

通讯接口转换单元将串口传输统一转换为以太网传输，使得串口具有网络传输功能，并保持每个通讯接口的独立传输，最终由单一网口实现pc机与多硬件设备之间的交互。

所述步骤2)中，信号积分延时控制单元由信号整形模块、主控器模块及串口通讯模块组成；所述同步触发信号经信号整形模块整形后，触发主控制芯片fpga产生多通道积分延时信号，控制精度为纳秒量级，pc机通过串口通讯模块对所述多通道积分延时信号进行配置和调节。

所述步骤3)中，信号积分放大单元由积分通道控制模块和运算放大模块组成；多通道积分延时信号通过排线与信号积分放大单元连接并控制积分通道选择，运算放大模块对多通道光电探测器的输出信号进行积分放大，并将积分放大后的信号通过过桥板传输给数据采集处理单元。

所述步骤5)中，负高压采集控制单元由主控器模块、串口通讯模块、一片多路da芯片、一片多路ad芯片组成；主控器模块由arm芯片及其外围电路组成，pc机经串口通讯模块将负高压配置参数下发至主控器模块，arm芯片分析处理后将配置参数传输给da芯片，通过da芯片输出信号控制多通道光电探测器的各通道负高压；同时采用ad芯片将实时采集所施加的负高压值，并将采集值传输给主控制器模块，最终经串口通讯模块传输给pc机。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用fpga(field－programmablegatearray，现场可编程门阵列)作为控制激光同步延时时间的主芯片，利用其控制精度高和拓展性强的优点，实现对多路积分、延时时间的高精度调节和控制；采用多片精密、高速的bifet(bipolarfield-effecttransistor，双极-场效应晶体管)四通道运算放大器对光电探测器输出信号进行积分放大，通过高精度的电位计实现放大倍数的连续可调；数据采集处理单元采用fpga作为主控芯片，利用其并行处理能力强和速度快的优点，实现对对积分放大后的信号进行采集、存储、打包并传输给pc机；光电探测器的负高压采集控制集多路高分辨da(digitaltoanalog，数模转换)芯片和ad(analogtodigital，模数转换)芯片于一体，实现pc机对多通道负高压的数字化控制和实时监测；利用通讯接口转换单元将多个串口传输统一转换为以太网传输，使得串口具有网络传输功能，并保持每个通讯接口与pc机之间独立通讯，有利于系统功能集成化，同时提高了系统数据传输的稳定性和抗干扰能力。

本发明对激光诱导击穿光谱仪的实际效用体现在：根据pc机监测的各通道负高压，实现对多通道光电探测器负高压的数字化控制和实时监测，满足实际分析需求；通过对光谱信号的延时控制、积分放大、采集存储及打包处理，最终得到各元素含量及其分布信息，实现了对光谱仪多通道信号的自动化控制和实时采集处理，提高了仪器的自动化水平和分析精度；通过通讯接口转换单元将串口传输统一转换为以太网传输，有利于系统功能集成化，同时提高了系统数据传输的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明的一种用于激光诱导击穿光谱仪的信号控制与采集系统，包括激光电源控制单元、信号积分延时控制单元、信号积分放大单元、数据采集处理单元、负高压采集控制单元和通讯接口转换单元。

所述信号积分延时控制单元、信号积分放大单元、数据采集处理单元和负高压采集控制单元通过一块过桥板固定并实现公用信号的互联，从而减少了各单元互联的导线数量。

pc机和所述数据采集处理单元分别通过网口与通讯接口转换单元连接，所述激光电源控制单元和负高压采集控制单元分别通过串口与通讯接口转换单元连接。

所述激光电源控制单元由pc机控制并输出同步触发信号。

所述信号积分延时控制单元受所述同步触发信号触发后，向多通道光电探测器输出多通道积分延时信号。

所述信号积分放大单元接收多通道积分延时信号并受其控制，对多通道光电探测器输出信号进行积分放大。

所述数据采集处理单元对积分放大后的信号进行采集、存储、打包后经通讯接口转换单元传输至pc机。

所述负高压采集控制单元对多通道光电探测器的负高压进行监测及控制。

所述通讯接口转换单元将串口传输统一转换为以太网传输，使得串口具有网络传输功能，并保持每个通讯接口的独立传输，最终由单一网口实现pc机与多硬件设备之间的交互。

所述信号积分延时控制单元由信号整形模块、主控器模块及串口通讯模块组成。所述信号整形模块由一片双精度单稳态触发器及其外围电路组成，通过对外围电路的配置实现对激光电源控制单元输出激光同步触发信号的整形。所述主控器模块采用fpga控制，以整形后的同步触发信号上升沿为延时起点，精确控制激光同步延时时间，输出多路独立、连续可调的积分、延时时间信号，控制精度可达纳秒量级。所述串口通讯模块由一片单电源电平转换芯片及其外围电路组成，实现所述信号控制与采集系统和pc机之间的双向通讯功能。

所述信号积分放大单元由积分通道控制模块和运算放大模块组成；积分通道控制模块由多片16路的模拟开关组成，由信号积分延时控制单元产生的积分控制信号通过排线控制，实现对运算放大模块的通道控制；运算放大模块由多片运算放大器及其外围电路组成，通过使用高精度的电位计，实现对多通道光电探测器输出信号的放大倍数连续可调。

所述数据采集处理单元采用fpga作为主控芯片，对积分放大后的信号进行采集、存储、打包后经通讯接口转换单元传输至pc机。

所述负高压采集控制单元由主控器模块、串口通讯模块、一片多路da芯片和一片多路ad芯片组成；主控器模块采用arm(advancedriscmachines，高级精简指令集处理器)芯片，加载到多通过光电探测器上的目标负高压值由pc机设置，并经串口通讯模块将所述目标负高压值发送给arm芯片，arm芯片经过处理分析后控制da芯片输出对应的负高压值；同时，ad芯片采集加载到光电探测器上实际负高压值并发送给arm，由arm芯片通过串口通讯模块发送给pc机，由此实现对多路光电探测器负高压的实时监测和数字化连续调节控制，调节范围为-1500v～0v。

本发明的工作过程如下：

系统上电后，由pc机将激光光源配置参数通过串口传输给激光电源控制单元，激光电源控制单元产生同步触发信号，并将此信号通过同轴线缆传输给信号积分延时控制单元。

信号积分延时控制单元由信号整形模块、主控器模块及串口通讯模块组成；同步触发信号经信号整形模块整形后，触发主控制芯片fpga产生多通道积分延时信号，控制精度可达纳秒量级，pc机通过串口通讯模块可对该多通道积分延时信号进行配置、调节；

信号积分放大单元由积分通道控制模块和运算放大模块组成；多通道积分延时信号通过排线与信号积分放大单元连接并控制积分通道选择，运算放大模块对多通道光电探测器输出的信号进行积分放大，并将此放大信号通过过桥板传输给数据采集处理单元。

数据采集处理单元将放大后的信号进行采集、存储、打包后经通讯接口转换单元传输给pc机。

负高压采集控制单元由主控器模块、串口通讯模块、一片多路da芯片、一片多路ad芯片组成；主控器模块由arm芯片及其外围电路组成，pc机经串口通讯模块将负高压配置参数下发至主控器模块，arm芯片分析处理后将配置参数传输给da芯片，通过da芯片输出信号控制光电探测器的各通道负高压；同时采用ad芯片将实时采集所施加的负高压值，并将采集值传输给主控制器模块，最终经串口通讯模块传输给pc机。

通讯接口转换单元将信号积分延时控制单元及负高压采集控制单元使用的串口通讯统一转换为以太网口通讯，并转发数据采集处理单元的网口传输数据，最终由单一网口实现pc机与多硬件设备之间的交互。

以上所述为本发明的具体实施例，但不能据此理解为本发明仅限于此，对于熟悉本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和实质的情况下所做出的改变和变形均属于本发明权利要求保护的范围。