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基于网口通信技术开发傅立叶变换红外光谱仪刘志国
基于网口通信技术开发傅立叶变换红外光谱仪
Development of FTIR Spectrometer based on
Network Port Communication Technology
刘志国
(北京北分瑞利分析仪器有限公司,北京10005
[摘要]从电气方面描述了利用网口通信技术,对光谱仪的电气系統进行的升级改造,
用FPGA芯片集成了大量逻辑电路和计数器,既编小了电路板,又使得仪器的固件升级更
具有灵活性,为了降低仪器噪声水平、提高可靠性,采用了电磁兼容设计。经检測鉴定,
仪器的各项技术指标均达到设计要求。
[关键词]PC104;FPGA; Dsock
中图分类号」TH744
文献标识码]A
仪和电气控制与检測系统构成,它将采集的数据
引言
传送给上位机,再由上位机进行光谐分析。关于
随着科技的进步,光谱仪器也在不断发展和典型的迈克尔逊干涉仪的工作原理,请读者参阅
完善,应用领域不断拓宽,手持式、便携式仪器相关文章,此处不再赘述。下面主要从电气方面
也逐渐发展起来,仪器的小型化,网络化正成为描述光谱仪的原理架构。傅立叶变换红外光谱仪
当今科学仪器发展的主流方向。
电气原理框图如图1所示。
傅立叶变换红外光谱仪( Fourier Transform
红外源
Infrared Spectrometer,简称FTIR)是基于迈克尔
干涉仪
红外前置放大器
激光器
逊干涉原理和傅立叶变换原理的红外光谱分
干涉仪扫描
控制电路
光手沙信号成大、滤)>
析仪器。由于突出的技术性能,傅立叶变换红外
嵌入式微机及接口电路
光谱仪正逐步取代棱镜式、光栅式红外光谱仪器,
网路接口
成为红外光谱分析领域的必备工具,在工业、农
业、环保、科研诸多领域有着广泛应用
上位机
北京北分瑞利分析仪器有限公司经过多年的
图1傅立叶变换红外光谱仪电气原理框图
研发和生产实践,在仪器的小型化方面已做了很
傅立叶变换红外光谱仪电气系统按功能主要
多工作,本文介绍了基于网口通信技术所开发的包括以下几个部分:
傅立叶变换红外光谱仪
1)嵌入式微机及接口电路
这部分电路是电气系统的核心,主要由嵌入
1傅立叶变换红外光谱仪原理
式微机(PC104)和 FPGA组成,其作用是监测仪
傅立叶变换红外光谱仪由改进型迈克尔干涉器状态、接收上位机命令、设置仪器参数、控制
万方数括
《仪器仪表与分析监测》2017年第1期
采集数据、上传数据等。
2.3红外信号放大滤波和采集控制设计
2)干涉仪扫描控制电路
红外干涉信号首先由前置放大器中红外探测
主要由激光探测及放大电路、FPGA、D/A转器接收,转换为电压信号,用运放将电压信号放
换和功率放大电路组成,其作用是控制干涉仪动大到要求的幅度,接着将放大后的信号转换为抗
镜扫描,使动镜匀速运动,红外光经干涉仪后产干扰强的差分模拟信号,通过屏蔽电缆送到主控
生稳定匀速変化的干涉信号。
板,前置放大器加屏蔽揹施以降低噪声。
3)红外信号放大滤波和采集控制电路
主控板接收到前置放大器送来的差分模拟信
主要由模拟放大器和AD转换电路组成,其作号,将其用运算放大器合并为单一信号。这一信
用是对红外信号进行放大、滤波、AD转换、再将号幅度较小,且有时测量用到光学附件,信号会
数字信号传给嵌人式微机进行处理。
变得很骰弱,所以放大电路设计成可变增益放大
4)通信接口电路
器,测量时根据信号大小,由软件设定放大倍数。
主要由嵌入式微机的以太网模块和网口电缆
经过放大的信号需要进行滤波,采用二阶有
组成,负责与上位机通信。
源低通滤波电路滤除高频噪声。二阶有源低通滤
波电路由运算放大器和RC电路组成。
2傅立叶红外变换光谱仪电气系统设计
模拟信号经过滤波后,送到24位A/D模数
2.1嵌入式微机接口设计
转换器进行模数转换,AD模数转换器数据接口
嵌入式微机采用PC104型,接口104针,主有并行和申行两种,并行接口除了占用电路板面
芯片属于X86系列,主频300MHz,内存128MB,积外,还不易隔离,易造成信号干扰,所以采用
2 MB SPI Flash,拥有USB接口、申口、并口、网串行模数转换器,同时采取信号隔离措施。
口等诸多接口,可外接VGA和 TET LCD。
AD转换后的数据通过串行方式先传送到
FPGA是现场可编程门阵列芯片( Field FPGA,在FPGA中设计了串并转换电路。方法是将
Programmable Gate Array)的简称,本设计采用MD芯片工作方式设置为主串行模式,在FPCA中,
XILINX的 Spartan系列FPGA芯片,芯片除了包以AD串行时钟SCLK作基准,将串行数据转变成
含大量门阵列之外,还可以利用P核进行逻辑控并行数据。嵌入式徽机再从FPGA中读取并行数据。
制与数据处理设计。
2.4网络接口电路设计
嵌入式微机接口主要依靠FPGA芯片来完成,
新型嵌入式微机(PC104大都集成了10V100Mbps
内容包括地址译码、命令解析、逻辑控制、串并以太网控制器,支持10/100BASE-T,符合IE
转换、计数器、P核应用等。
802.3技术规范。由于嵌入式微机本身已具有以
2.2干涉仪扫描控制设计
太网接口,只需将其用线缆引到仪器外壳即可。
为了减少占用嵌入式微机中断和工作时间,2.5软件设计
进而影响到仪器的数据采集和通信,本设计中干
傅立叶变换红外光谱仪的软件分为上位机分
涉仪内部的动镜扫描控制,不再由嵌入式做机或析软件( Mainktos)和下位机控制软件。
其他单独的CPU完成,而是运用FPGA中的IP
上位机软件( Main TOS)能在Win7及Win10
核功能及一些逻辑控制来实现。FPGA中的控制操作系统上运行,符合FDA21 CFR Part11标准,
逻辑以动镜运动速度的反馈信号为参考,计算可正常销往国外市场,进入食品、医药制造行业。
出控制量的大小,再经过D/A数模转换器和功
下位机软件进行了全新模块化设计,将程序
放电路来驱动动镜进行扫描,控制方式属于PID分为主控模块、数据采集模块、数据处理模块和
方式。
网口通信模块。此外,增加了干涉仪内部温度、
万方数括