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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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楼主: wangjiahao88
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:35 | 显示全部楼层
光束经入射狭缝a打入到平面反射镜b上,待测光转向打入凹面反射镜c上面,经准直后平行打入平面光栅d上,光栅将复合光按照波长顺序进行分离,分离后的单色光打入凹面反射镜e上,聚焦后由平面反射镜f经出射狭缝射出,在出射狭缝g处放置CCD采集分离出来的光信号。WDM1-2光栅单色仪也是采用Czerny-Turner光学平台,这种平台使得光线在有限空间中得到更长的光路,从而提高光学系统的色散能力和分辨率。在使用中凹面反射镜c和e都是固定的,光学系统的分辨率就由光栅和入射狭缝来决定,而光栅的总刻线数从根本上决定了光谱仪的分辨率,仪器杂散光较小,波长调节采用正弦机构,通过精密的螺纹分度,使单色波长达到高准确度、高重复性,配置了机械计数器,其他技术参数如表2-1所示:

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:36 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:36 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:37 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:37 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:38 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:38 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:38 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:39 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:39 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:39 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:39 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:40 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:41 | 显示全部楼层
本系统所采用的STM32F103VCT6芯片内置的3个高效12位逐次逼近型模拟数字转换器,它有18个输入通道,可测量16个外部信号和2个内部信号源;各个通道中附带有模拟看门狗,可以设置用户自定义的高电压闽值及低电压闽值,看门狗可以自动检测输入的电压是否超出设定的高低闽值;各个通道的AD转换均可以实现单次转换、连续转换、多个通道的自动扫描等模式,而且在转换结束、注入转换结束及发生模拟看门狗事件时产生中断,可及时在中断中处理数据,转换后的数值可以实现在寄存器中左对齐或者右对齐;ADC带有自动校准功能,校准可大幅度减小由于内部电容器组的变化而造成的测量精度误差,在校准期间,每个电容器组上都会计算出一个误差修正码,这个误差修正码用于消除在随后AD转换中每次电容器组上产生的误差值,为了使测量准确度提高,在每次上电后都要进行一次校准,校准结束后可开始正常转换;内部的ADC转换中可软件设置各个通道的采样时间,ADC可以使用若干个采样周期对输入电压值进行采样,采样周期的数目可以通过相应寄存器进行设置,每个通道可以以不同的时间进行采样,总的转换时间可通过如下公式计算:

Tconv=采样时间+12.5个周期

其中Tconv为总的转换时间,采样时间从最小的1.5个周期到最大239.5个周期共8个采样时间可选择,如果选择最小转换时间1.5个周期,则,总的转换时间为Tconv为14个周期,STM32的ADC的最大工作频率为14MHz,当系统为ADC提供14MHz工作频率时,每次转换的时间最小为1}s;虽然通道转换的值在存储时只有一个寄存器,但在多通道转换时可以采用DMA方式进行数据传输,DMA可以直接将转换结果传送给缓冲区存储,保证高效且无丢失数据。在大多数实际应用中,STM32内部ADC都达到需求,但在一些要求更高的应用中,要想更好的减小ADC的测量误差及噪声,提高准确度,可以利用过采样技术将12为ADC提高至更高级ADC,如14位或者16位ADC等,这样可省去外围ADC部件的连接,还可节省成本,减低系统复杂度。在ADC转换时更多的需要关注下信号的信噪比(SNR),一般情况下,信噪比越大,说明混在信号中的噪声越小,而在ADC转换过程中,噪声的产生可以来自很多方面,如参考电压或者供电电压的变化、或者由于量化误差引起的量化噪声等,虽然我们可以通过在电路设计时在电源或信号周围加入滤波电容来减小噪声,但是量化噪声总是存在的,而信噪比的增加是与量化噪声有直接关系的,在一定条件下,利用过采样技术和求平均值可以减小量化噪声并改善信噪比,这就可以有效的提高测量的分辨率。过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行多次采样,然后对采样值累计求和,然后求取平均值滤波而得到相应的采样结果。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:42 | 显示全部楼层
可见过采样可以增加分辨率位数,但是以牺牲CPU的运行时间和占用内存资源为代价的。在本系统中,主芯片内部为12位ADC,运行频率最大为14MHz,所以在12位时的最小转换时间为1}s,即每秒的采样次数为1M,实际使用中将分辨率的位数提高2位,即使用中达到14位的分辨率。则由上式可知,过采样的频率需要提高到原来采样频率的16倍,则在利用过采样技术达到14为位分辨率时,每秒钟的采样次数衰减16倍,达到每秒钟62.SK的采样次数,这个采样次数在本系统中完全可以满足系统的需要,而且,为了更好地减小系统噪声,调高ADC精度,在设计PCB电路板时,也考虑到ADC输入信号的屏蔽及电源信号的滤波和IO口间的串扰等,尽量减小对ADC信号的影响,所以使用STM32芯片内部的ADC完全可以做到高精度14位AD采样,不需要附加外部ADCo

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:42 | 显示全部楼层
微型光谱仪是光电技术合二为一的整体,由前级光路系统分光后的光谱信号照射到CCD探测面上,在电路系统控制下完成光电信号的采集保持及转换。CCD信号输出后经过调理电路后进入数模转换器,转换后将得到的数字信号保存,并送往上位机上显示。本章将详细介绍微型光谱仪的探测系统整体框架及CCD驱动电路、ADC采集电路、USB接口传输电路等电路部分的具体实现。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:43 | 显示全部楼层
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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:43 | 显示全部楼层
微处理器的内部资源包括以下几个方面:1,GPIO数量:具有80个多功能双向的IO口,所有I/O口可以映像到16个外部中断,IO口的最大翻转频率可以达到18MHzo2、定时器:具有多个16位普通定时器,2个用于电机控制的PWM高级控制定时器,每个定时器都有4个用于输入捕获、输出比较、脉冲宽度调制(PWM)或脉冲计数的通道和增量编码器输入,高级定时器带有死区控制和紧急刹车;独立型的和窗口型的看门狗定时器;一个系统时间定时器,为24位自减型计数器。3、通信接口:具有13个通信接口,同步串行数据传输单元((I2C)提供通信接口(支持SMBus/PMBus);通用同步异步收发器(USART)单元提供52个I2C个独立的异步串行通信接口(支持IS07816,LIN,IrDA接口和调制解调控制);3个SPI接口可以同外部设备进行半/全双工、同步串行通信,最大传输速度可达到18Mbps,其中2个可复用为IZS接口;有一个控制局域网通信接口bxCAN接口,支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式,最大传输速率可以达到1Mbps;一个USB2.0全速接口,支持USB挂起/恢复操作,可以停止设备时钟实现低功耗,最大传输速率可以达到12Mbps;两外SDIO接口和FSMC接口标准可方便连接外围设备,如SD卡、LCD等。4、直接存储器存储归MA)控制器:具有12个通道的DMA控制器,有7个独立的可配置的通道,每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求,每个通道可以通过软件来配置及触发,可以支持的外设有定时器、数模转换器(ADC)、模数转换器归AC),SDIO,SPI,I2C和USARTo5,ADC及DAC具有3个12位的数模转换器(ADC),最大工作频率为14MHz,最小转换时间可以达到1}s,有18个输入通道,并附带芯片内的温度传感器;具有一个2通道12位模数转换器(DAC)o6、其他:4个片选的静态存储器控制器支持CF卡、SRAM,PSRAM,NOR和NAND存储器等,可以为微处理器提供更大的外部存储空间。

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:44 | 显示全部楼层
本系统采用口本东芝公司的TCD1304线阵CCD,驱动电压最低只需3.OV}典型功耗只有25mW,工作时钟最大为4MHz。内部结构如图4-2所示,是由光电二极管和电荷转移电极组成的光敏单元、两个复位脉冲控制栅、两个转移栅、两个模拟移位寄存器、内部逻辑电路和输出缓冲区六个部分组成。 834565d5a29220dea7.png

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wangjiahao88|  楼主 | 2019-8-19 12:44 | 显示全部楼层
在两个复位脉冲控制栅中间的就是CCD的光敏元,TCD1304由3694个光电二极管组成的光敏元阵列,其中包括前32个和后14个用作暗电流检测而被遮蔽的暗像元,有效像素为中间的3648个光敏元。图中D开头的表示不参与光信号积分的暗像元,S开头的表示参与曝光的有效光敏元。复位脉冲向外排布的是两个转移栅,用于读出光敏元中输出的光信号,再向外就是模拟移位寄存器,在逻辑控制电路的控制下,通过模拟移位寄存器把数据转移到信号输出缓冲区内,在信号输出缓冲区暂存后,由逻辑控制电路控制其从OS引脚输出。

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