光谱数据处理电路及结果分析 - 采用线阵CCD的便携式光谱采集系统设计

　　2．2 光谱数据处理电路及液晶显示动态曲线研究

　　本文采用的微处理器是STC公司的STC89C52RC，其带有额外的P4口，使得IO口资源更加丰富，由于这款单片机的内核是基于C51的，因此其机器周期还是传统的12T模式，但是STC可以通过下载程序的模式设置来使用6T模式工作，即超频工作。本系统微处理器的时钟为24 MHz，使用6T模式工作：6个时钟周期为一个机器周期，指令周期为0．25 ns。由于其内部存储资源的限制：内存为512个字节，ROM空间为8 K。如果直接对ADS830转换后的数字信号进行处理，会导致数据的丢失，并且转换后的光谱数据的速率达到了1 MHz（周期1 ns）。基于以上两点，需要使用缓冲装置来暂存数据，以便单片机有效的对光谱数据进行处理。

　　文中采用了具有先进先出特性的异步FIFO芯片IDT7205，其内部有8 K字节的存储空间，可以有效地对光谱数据进行缓冲。RS为其复位脉冲，低电平有效，一个有效的复位需要W和R处于高电平才能完成，只有在RS有效低电平过后，W和R才能进行操作。复位后的IDT7205读写指针

　　地址相等且位于0位置。EF和FF为指示标志位，其中EF为内部空标志位，其有效的低电平说明此时IDT7205里数据已经读取完，等待写入数据，而FF则表示内部数据空间已经写满，需要尽快读出里面的数据。IDT7205复位后，这两者都处于低电平，因此在编程的时需要进行区分。

　　

　　图5为IDT7205的硬件连接图，其中D1～D8为ADS830转换后的数字光谱信号，Q1～Q3则与STC89C52RS连接，这样单片机就有比较充足的时间和空间来处理光谱信号，并对处理后的信号进行显示。

　　文中设计的光谱采集系统可以使用电脑端和LCD端两种方式来实现光谱数据的显示，描绘其吸光度曲线，并得出吸收峰峰值和对应于该峰峰值的波长。电脑端的显示比较简单，通过PC机较强的数据处理能力能较好较快地显示吸光度曲线，而对于LCD19264来说，则有比较多的细节需要处理。文中采用的是带背光的LCD19264液晶来进行吸光度曲线的显示，该液晶只有192*64的分辨率，因此要进行吸光度曲线的显示，需要对光谱数据进行压缩。CCD的有效像元有2 160个，要在19264上进行显示，有两种方法：使用翻屏来实现或者使用数据压缩的方式实现。通过观察CCD采集的光谱信号发现，吸收峰峰值只在一个或几个特定的波长出现，而其他波长处的吸光度值则基本一致。因此，文中使用压缩的方法来实现吸光度曲线在液晶上的显示。通过设定采样阀值，把2 160个数据压缩为192个字节的光谱数据，采集的机理是：对低于该阀值的光谱数据则丢弃不用，而对高于其阀值的光谱数据进行存储，并比较前后两个光谱数据的大小，若相等，则只采用其中的一个数据。如果检测到峰峰值比较大的光谱数据，则把此时采集的序号和峰值的幅度进行存储，方便在液晶上显示峰值吸光度。

　　利用LCD19264来绘制动态曲线，需要特殊的编程方式来实现。LCD19264是以字节方式写入的，也就是一次写入需要准备8bit的数据位。动态曲线的显示则是以点（相当于1位）的方式进行绘制的，因此绘制动态曲线时需要把字节与点进行转换。19264其行是以页来进行操作的，而列则是按单列来操作，64列为一屏，总共3屏，在LCD19264上画点，横坐标则是液晶的列，而纵坐标则通过页来实现，即横坐标有192个点，纵坐标有64个点（8页），列与横坐标一致，因此不需要转换，而纵坐标由于和液晶的8页对应，因此需要进行转换。按照液晶的结构（图6）从上到下依次为0页，1页，3页，……，7页。例如：要找到50对应于哪一页，首先需要算出50对应于8页中的哪一页，50／8=6，因此50对应于第6页。具体在哪一位可以通过对50取8的余数，50％8=2，那么我们就可以确定50对应于LCD19264的第6页上的第2位，通过在该位写入高电平，则可以把50绘制在液晶上。

　　

　　3 光谱采集系统测试结果及分析

　　通过对方案进行验证以及对设计的系统电路图进行多次调试和修改，得到了便携式分光光度计硬件结构图（图7）。使用了接插件把LCD19264和TCD1208AP连接于系统接口上，方便扩展性能更好的器件，JTAG口和RS232口主要用来实现CPLD程序、单片机程序的下载，同时RS232口还兼有上传采集数据到PC端的功能。

　　

　　对整个系统在液晶和PC端的数据进行处理并显示（图8）可以看出，绘制的光谱曲线有较明显的差别。这是由于测量过程中，CCD中采集光谱的变化造成的，同时采集过程中光谱数据的采样时刻的精确性对测量结果会有一定的影响。但液晶上基本可以显示出光谱峰峰值的位置和大小，从而为物质分析提供参考。

　　4 结束语

　　对基于CCD的分光光度计光谱采集电路进行了方案设计和硬件实现，并对设计中的关键技术进行了分析和讨论，包括噪声消除方法以及如何利用液晶显示器绘制动态光谱曲线。为了实现系统不同接口间的速度匹配，采用了FIFO来完成光谱数据的缓冲，从而使速度较慢、内部存储空间较小的低成本单片机也能用来实现大数据量的光谱数据采集。通过对白色自然光进行测试，光谱曲线具有较好的分辨度以及较快的探测速度。