STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统

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分析光谱仪探测系统的特点，制定整个系统的实施方案，包括ccD的选
型、ccD的安装位置;微处理器的选型，要实现的功能;上位机的显示
方式及功能等。
设计了探测系统的硬件电路，具体包含ccD的驱动电路，模数转换器的
采集电路，USB传输电路，SD卡存储电路和微处理器的基本配置电路。
实现了微处理器的驱动开发软件，软件包括产生CCD驱动信号，控制CCD
积分时间，产生模数转换器的触发采集信号，完成底层USB驱动开发和
USB与上位机的通信实现。
实现了上位机应用程序的开发，上位机的开发使用Visual Studio 2008集
成开发平台，程序通过USB接收微控制器发来的数据，完成波长定标，
数据平滑滤波后显示光谱图像。

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在1859年，本生和基尔霍夫制成了世界上第一台实用的光谱仪，并利用这
台仪器系统地研究各物质产生的光谱，在1940年，Arnold Beckman制作了第一
台商用的紫外可见分光光度计(the Beckman DU)}2}。此后，科学家们在不断研究
中发现各种物质在一定条件下都有自己的特征光谱，从此就建立了光谱分析的基
础，并创建了光谱分析法。很快这种光谱分析方法便成了物理学、化学、生物学
和医学等学科中分析物质的重要手段。光谱仪器最早的成就是促使人们不断发现
新的元素，从此以后，科学工作者对光谱分析方法越来越感兴趣，一方面他们不
断开展光谱实验研究工作;另一方面他们为了新的应用需求而不断的改进现有的
光谱仪器，使得光谱技术及仪器得到不断的发展。

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在光谱仪发展过程中，为了使得功能不断提高，仪器的体积也变得庞大起来，
结构变得复杂，价格昂贵，安装及调试也比较困难，这样虽然能够满足实验室中
高精度科学分析的需求，但是在实验室以外的使用将受到很大的限制，对于野外
地质勘探、海洋生物分析等需要实时测量的应用领域，这些实验室的仪器限于体
积将无法现场使用。因此，微型化、集成化的光谱仪将成为发展的必然趋势[[3]

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近些年来，随着对海洋资源的开发，越来越多的技术和仪器投入到深海探测
中，激光拉曼光谱技术目前是实现对深海海底固、液、气态目标物原位、实时、
连续、无接触测试的重要技术手段。随着探测深度的提高，对仪器功耗、体积提
出更高要求，而光谱仪的微型化、集成化能够降低成本，减少系统功耗，这也是
传统光谱仪无法实现的，同样在对体积、功耗及便携要求较高的场合都需要微型
光谱仪来完成工作。

2万 · 2019-8-19 12:27

1.微电子领域的图像检测仪器得到迅猛发展，常见的有:CCD(Charge
Coupled Devices，电荷藕合器件)阵列、CMOS(Complementary Metal Oxide
Semiconductor，互补金属氧化物)、PDA(Photoelectric Diode Array，光电二极管
阵列)等，这些图像探测器内置多个检测单元，并且具有自动扫描的功能，能够
同时测量一定光谱范围内的光谱信号，并快速地将光谱数据输出，而更高要求的
探测器可以集成器件制冷功能，可以更好地降低器件的暗噪声等。
2.在微处理器领域，功能强大、集成度高的芯片不断涌现，使得光谱仪的电
路设计部分变得更加简单，电路中外围芯片的使用数量不断减少，电路板的面积
能够大为减小，而且随着高传输速率接口的出现，使得微处理器与计算机之间的
通信更加高效、方便。
3.计算机突飞猛进也使得光谱仪微型化成为可能，现在计算机的处理速度越
来越快，能够在短时间内处理大批的光谱数据，大大降低了高速获得和处理光谱
数据的成本，而且计算机体积可以做的越来越小，使得计算机加上光谱仪一套系
统可以放入一个便携式箱子中，可以满足现场检测的需求。

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光谱仪是一个光电系统结合的整体，前级为系统的分光装置，后级为光谱探测及处理装置元件接收面上:将要探测的光从入射狭缝进入，经过光栅分离后投射在光电转换，经过光电转换后将电信号适当放大、缓冲后进入数模转换器中，然后将转换后的结果在显示器中绘制出光谱的变化。其中，采集到的信重要的影响号的处理显示，它的工作效率、速度、体积大小光谱探测系统作为对对光谱仪微型化有着，硬件设计的好坏也直接影响着光谱仪微型化的实用性发展。

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美国Ocean Optic公司是有名的微型光谱仪提供商，从初期的USB2000+及随
后的USB4000和科学级QE65000等都是其代表性产品。以USB4000为例，它
作为新一代光谱仪中的旗舰产品，内部为东芝公司的3648像素的线阵CCD探测
器以获得更高的信噪比。带有自动清零功能的16位A/D转换器，4种触发模式，
并且可以根据温度变化来进行暗噪声校正。模块化的USB4000光谱仪可以响应
从350到1000nm的光谱范围，USB4000可通过USB2.0接口与电脑连接或通过
RS-232系列接口，在连接USB后，可以依靠USB接口供电[[15]

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荷兰Avantes公司的AvaSpec系列光纤光谱仪采用对称式的Czerny-Turner光学平台，能够在较宽的谱段范围内获得更高的光学分辨率，并且容易消除杂散光的干扰，可以在近红外谱段有更出色的色散效应等。以AvaSpec-2048为例，内部带有2048个像素的线阵CCD探测器，配有标准SMA光纤接头，内置了14位的AD转换卡和高速USB2.0接口。它提供多种不同闪耀波长和色散系数的光栅供选择，测量的波长范围为200-1100nmo

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图1-2为Avantes公司开发的一款新型电路板，运行频率可达64MHz，配有16位AD转换器和USB2.0/RS232接口。它可以支持多种新型探测器和高速(USB2.0)及无线(Bluetooth蓝牙，另外还可放置高速SD卡作为板载存储介质，使光谱仪可以脱离计算机而独立工作，主板上面引出多路数字IO接口，其中有13个可编程的IO端口，还有2个模拟输出口和2个模拟输入口，这些IO口可控制数据采集的触发信号、控制激光器打开关闭等。电路板默认为USB供电，也可以外接12V直流供电。此电路板是新的avaspec-USB2平台光谱仪的一部分，可兼容多种型号的探测器

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光栅是由一系列等宽又等间隔的刻线组成的，刻线密度可以由使用的光谱范围而定。光栅可分为投射式和反射式两种类型，光谱仪中经常用的反射式光栅有平面光栅和凹面光栅。平面反射光栅是目前光栅单色器中经常使用的，它是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间距的平行刻痕，平行光束以一定角度处入射到光栅平面上，经光栅刻线衍射后，衍射光束经过物镜的聚合，并在焦平面上发生干涉

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STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统

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