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一種用單片機控制的光譜數據采集系統
摘要：介紹利用單片機和A/D器件MAX120等構成的光譜信號采集系統，由單片機控制A/D產生不同的采樣頻率，用于光電倍增管和CCD輸出的光譜信號的采集。概述
在光譜測量中，常用光電倍增管（PMT）和電荷耦合器件（CCD）作為光電轉換器。在慢變化、高精度光譜測量中使用PMT；對于閃光燈、熒光和磷光等強度隨時間變化時的光譜信號則采用CCD。PMT和CCD輸出的信號形式是不同的：光電倍增管輸出的是連續的模擬信號；CCD輸出的是視頻脈沖信號。由于輸出信號的不同，相應的信號采集電路也不盡相同。本文所述的系統通過設定控制開關的不同狀態，由單片機檢測、判斷和執行相應的操作，完成對不同形式輸入信號的采集。采集到的光譜強度通過并口送入計算機進行處理、計算，并顯示和打印出光譜曲線。
由于CCD像元幾何尺寸小、精度高，有光積分時間和信號存儲功能，因此，可以用來進行光譜測量。被測光源發出的光線經狹縫落在光柵平面上，經光柵色散后在CCD像元上成像，CCD各像元的位置對應于光線色散后不同的波長。CCD輸出的是被測對象的視頻信號，在視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收光強的強弱，而信號輸出的時序則對應CCD光敏元位置的順序。由采樣電路對CCD輸出信號進行逐位采樣，根據采樣的位數，就可以知道信號所在的波長，而信號的幅度則是該波長的光譜能量。這樣，只要對目標進行一次采樣，就可以得到在一定波長范圍內的光譜分布曲線，因而可以用來測量閃光燈等瞬態發光光譜。
光電倍增管以其特有的倍增系統，成為一種理想的低噪聲放大器。它可以探測極微弱的光信號，而且響應速度很快，有效面積也大，被廣泛應用于光信號測量的領域。光電倍增管輸出的是一個理想的電流源，外接一個負載電阻，通過測量信號電流在負載上的電壓降，即可得到光譜信號。
一、系統設計
利用單片機控制A/D采集光譜信號是一種方便快捷的方法。光譜數據采集系統的原理框圖如圖1所示。它主要由單片機、CCD時序產生電路、
多路選擇開關、A/D采樣電路、存儲器、并行口倍增管高壓調整電路等組成。我們設計的信號采集電路可以用于兩種探測器。針對不同的探測器，單片機工作在不同的狀態，利用同一A/D采樣電路，完成信號的采集。A/D采樣通過并口和計算機通訊，由計算機完成光譜數據的處理。這在應用中非常方便實用，可以滿足光譜測量要求。
AT89C52是美國ATMEL公司的產品。89系列的單片機與80C51系列完全兼容。它的最大特點就是在片內含有Flash存儲器。我們選用的AT89C52是在標準型AT89C51基礎上改進的（在存儲器容量、定時器和中斷能力上加以改進）。AT89C52的內部含有8KB可改寫的Flash內部程序存儲器，可擦/寫1000次，3級程序存儲器加密，256字節內部RAM，32根可編程I/O線，3個16位定時/計數器，可編程串行口，中斷級8級。
1.A/D轉換
在光譜數據采集系統中，A/D轉換器選用MAX120。其引腳和電路原理如圖2所示。MAX120是一種采用BiCMOS工藝、帶采樣電路的12位模擬數字轉換器（ADC）；它有片內的跟蹤、保持電路（T/H）和低漂移電壓基準電路，而且轉換速度快、功耗低。它的轉換時間為1.6μs，其中包含了T/H電路250ns的采樣時間，因此，MAX120的吞吐率高達5×10 5次/s采樣，可以滿足一般測量需要。
MAX120可以接收-5～ 5V的模擬輸入電壓，惟一需要的外部元件是去耦電容（用于為電源電壓和基準電壓去耦）。它的工作可用0.1～8MHz頻率范圍的時鐘信號。MAX120采用了標準的微處理器接口，3態數據輸出可直接與12位數據總線連接。訪問數據和在線釋放的時序特性參數允許在不插入等待狀態的情況下與大多數微處理器兼容。所有的邏輯輸入端和輸出端與TTL/COMS電平兼容。
圖2（b）所示電路圖中，內部緩沖器對電容進行充電以減少2次轉換之間所需的采集時間。模擬輸入端可以看作1個6kΩ
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