基于ADμC842单片机的激光波长计信号采集系统

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    A Signal Collecting System of Multi-frequency Laser Wavemeter based on ADμC842 MCU
摘要：介绍一种基于ADμC842单片机的激光波长计信号采集系统，该系统采用ADμC842外部触发DMA工作方式，实现对待测信号的大容量快速采集和存储，具有采集精度高、速度快、性价比高、可靠性好、易于控制程序开发等优点。使采集数据FFT变换成为可能，以便在频谱图上得到多波长激光频谱。
关键词：波长计；单片机；DMA；锁相环
This paper introduces a signal collecting system of infrared wavemeter based on ADμC842 MCU. In this system, ADμC842 works in the mode of external trigger enable DMA to collect signal in big capability. It has merits of high precision and fast speed in collection, high ratio of performance to price, good reliability, simplicity in the development of control procedure and so on.. This enables system to take the signal data FFT conversion and get spectrum of multi-frequency optic in the graph of frequent domain.
Keywords：Wavemeter；MCU；DMA；PLL
1引言
激光波长/频率测量仪器即波长计（wave-meter），可用来测量调谐激光器的输出波长值，或者用于测量未知激光的波长值，在光频标研究领域有着重要的作用。激光波长计基于迈克尔逊干涉原理：两束激光相互叠加，产生干涉条纹，比对已知波长的参考激光和未知波长的被测激光的干涉条纹数目，可以获得被测激光的波长/频率值。
2基于迈克尔逊干涉仪的波长计原理
迈克尔逊波长计适合测量连续激光波长，其光学系统采用迈克尔逊干涉原理，如图1所示。
参考光源输出光束1，经多次反射，分为两束同频率的光，最后汇聚于B点发生干涉，由光探测器D1接收，作为参考信号。
待测光由光栏射入，与射出的参考光调整至重合；两个反射器R1和R2安装在同一可动的平行导轨上。在波长计工作时，驱动电机拖动导轨沿轴向连续往返平动，使参考光和待测光产生光程差，发生干涉现象，由光探测器D1和D2接收，由此得到它们的干涉条纹的信号。


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图1   迈克尔逊波长计结构
单波长测量技术是经过对干涉条纹信号细分、整形和计数电路分别获得参考激光和被测激光干涉条纹数。根据参考激光波长值和两组条纹数比值可直接求得被测激光波长值。
由于系统对光电信号只采用简单的计数方式，当混合频率的激光（如同时射入绿光和红光）射入波长计时就会得到错误的波长值。
3．改进方案
3.1方案制定
光电转换后得到的光强信号是模拟电信号，需要把模拟信号转换成为数字信号，以便借助计算机分析。光强信号的采集要求采集速率高、数据存储量大、模数转换精度高等特点。
实现以上性能需要具备三个参数。精度：AD转换位数越高精度就越高；采样速率：转换速率越高对高频信号越有利；存储容量：大容量的存储可以方便进行大量数据的处理。
虽然现有的ADC已经达到上百兆的转换速率，但通常是和单片机分离的独立元件。而采用6000系列的DSP处理器又会增加成本和延长研发周期，根据信号的特点和系统快速采集的要求，研制了一个基于ADμC842单片机的激光波长计高速、大容量信号采集系统。
通常I/O数据有四种传送方式,即：同步传送、异步传送、中断传送、DMA传送。
在上述三种数据传送方式中，都要转道CPU才能实现。单片机系统无法实现小于其指令周期的高速数据传输及数据采集。这就限制了单片机在高速数据传输领域内的应用。
DMA(Direct Memory Access)的含义是直接存储器存取，这是一种由硬件来执行数据传送的工作方式。现今ADI公司推出了一款新型的ADμC842单片机，它将AD转换、DMA功能、单片机内核集成一体，完全可以满足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存储器。
3.2 系统原理与组成
数据采集系统由ADμC842单片机及片外存储器SDRAM、光电转换电路、锁相倍频电路和上位PC机组成。被测光信号通过光探测器转变为电信号输入到ADμC842芯片的ADC端口；参考激光信号倍频后用来触发AD转换，作为数据采集的时基以抵消驱动电机拖动反射镜扫描的速度不稳。该系统由下位机和上位机组成,下位机和上位机通过RS232来联接。整个系统如图2 所示。
ADμC842芯片进行信号高速采集是可以采用外部触发方式的，也就是将方波触发脉冲输入到单片机的触发端，每输入一个方波，单片机就对信号进行一次采集并将其存储。
由抽样定理可知，要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失），必须满足：信号是频带受限的(信号频率区间有限)；采样率至少是信号最高频率的两倍。利用NE564锁相环芯片将参考光进行16倍频后，倍频信号作为触发信号，可以满足抽样定理。这样即可保证在待采集信号频率不稳定的情况下，采集到不失真的信号。
ADμC842芯片是一种内嵌MCU 的高性能多通道数据采集系统, 只是内部的数据存储器有限, 加上62512芯片这种快闪存储器可解决这些问题。最后将采集好的信号进行FFT变换得到光谱信号，可以很直观的观察到光的频域特性，进而可以解决两种频率不同的光同时射入波长计中造成计数值错误的问题。
3.3 工作原理
3.3.1 DMA允许与响应
单片机系统开机运行时或进行内部数据处理时应对DMA置低以便禁止DMA状态。当DMA允许为１时，进入DMA预备状态，等待外部触发信号输入。DMA触发信号可以是周期信号的过零脉冲，也可以是单脉冲信号放大整形输出。DMA允许后的第一个触发脉冲到来，单片机开始数据采集和传送。
3.3.2 数据线与地址线的控制
总线的选择控制由ALE允许信号控制两组74LS373三态锁存器，使其分别处于开通和高阻状态。P0口为地址/数据复用总线，采用分时复用功能来实现数据信号和地址信号分时在同一物理线路下传输。


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图 2  信号采集系统原理框图
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3.3.3  DMA块数据传输
在主程序开头，CPU预先通过指令把要输入数据个数送入DMA控制器中的计数器，并把这些输入数据在内存存放的起始地址送给DMA控制器中的地址寄存器。然后，CPU便可执行主程序中的其它程序，同时也是等待DMA控制器发来的中断请求。
3.3.4 响应过程的结束
DMA控制器把地址寄存器中的输入数据在内存的地址发送给内存储器，并控制把数据端口中输入数据存入内存储器的相应存储单元，然后使计数器减1并判断它是否等于0。如果其内容不为0，（采集数据量不足），则继续采集数据。
4 系统软件编写
4.1下位机软件编写
为适应不同工作情况的需求,ADμC842 片内ADC 模块内的所有部件都能方便地通过3个SFR寄存器来设置：
(1)ADCCON1 —控制转换和采样时间
MD1 MD0：控制ADC的工作模式。二者的不同取值分别对应着ADC掉电；ADC正常工作；不执行转换周期时ADC掉电；不执行转换周期ADC待机的四种工作模式。
CK1 CK0：设置送入ADC时钟的主时钟分频系数。可选分频系数分别为2、4、8、32。
AQ1 AQ0：选择采样保持电路采样输入信号的时间。可选的采样时钟数为1、2、3、4个ADC时钟。
T2C：当该位被置1时，将由定时器2的溢出中断来启动ADC转换。
EXC：当该位被置1时，将由外部引脚CONVST的外部输入信号来启动ADC转换。
(2)ADCCON2 —控制ADC 通道选择和转换模式
ADCI：ADC 中断标志位。在ADC 转换结束时由硬件置位；当MCU 响应中断服务子程序时由硬件清除。
DMA：DMA 模式使能位。置1 时启动ADC 的DMA 模式进行工作。
CCONV：连续转换位。置1 时ADC 进入连续转换模式。
SCONV：单次转换位。置1 时开始单个转换周期；转换结束时SCONV 位自动复位至0。
CS3 CS2 CS1 CS0：通道选择位。0—7对应8个模拟输入通道，8为温度传感器，15 为停止DMA工作。
(3)ADCCON2 —ADC 状态指示
BUSY：ADC 忙状态位。
其为只读状态位，为1 时表示ADC正处在转换周期或校准周期中。
其余位：保留。
在DMA模式下，无需单片机控制，系统可以自动将AD转换的结果存入指定的位置。DMA 方式用于对快变信号的某一段时间的采样,可以通过上位机对这一段时间的信号进行精确的谱分析。
4.2上位机软件编写
上位机软件采用VB可视化编程工具。采用多线程方式编写接收、发送和处理命令字节。界面中显示采集数据结果。数据接收由串口通信来完成，上位机部分还可提供数据趋势显示功能，可动态显示数据一段时间内的变化趋势。数据趋势图用折线图表示。在同一直角系中可显示被测参数随时间变化的曲线。


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图 3 P1.0口和trI口输入波形



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图 4 通过VT RS232上位机程序再现采集数据的图形及再现图形
5. AD采样调试结果
如图3所示，用信号发生器发出两种波形，抽样波形为方波，待采样波形为锯齿波，以便验证DMA模式的A/D转换的正确性，做了如下的实验。
待采样波形为锯齿波经过DMA转换后，通过程序DeBug V2可以通过RS232通信串口，在PC机上在线看数据，如图4。可以验证，采集数据的正确性，可以证明DMA工作正常。
6． 结论
ADμC842 作为一种新型的微控制器, 具有一般单片机所不能比拟的强大功能。它内部集成的8 通道高精度ADC , 同时在ADC采集的时候能够采用外部触发连续转化的DMA 模式, 采集频率高达420kHz。本课题主要利用ADμC842 的ADC模块的外部触发DMA模式, 实现了对激光波长计内部的信号的高速大容量采集,达到了预期的效果，为多波长的测量技术的研究提供了前期方案。
本文作者创新点:目前国内大多数基于迈克尔逊原理的波长计采用简单的光电转换、倍频和计数的方式测量激光波长值，虽然精度越来越高，但当射入多波长值的激光时，测量就会发生错误。本系统利用双路光跟踪采集信号的方法，通过参考光信号触发外部DMA功能实现对待测光信号的采集，克服了这一缺陷，可以测量多波长的激光值。
参考文献
1.张航，李拥军，孙铁铮，于涛．PXA255在CCD图像采集中的应用．微计算机信息，2006，10-1：84-85
2. 李刚. ADμC8XX 系列单片机原理与应用技术. 北京: 北京航天航空大学出版社, 2002.
3. ADμC842 Users Manual. Analogy Devices,Inc, 2004.
4. 何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社,1999.
5. 徐爱卿.单片微型计算机应用和开发系统.北京：北京航空航天大学出版社,1995.
作者简介：孙远（1982.4生），男、北京人、汉族、北京工业大学硕士研究生，光电子专业，主要从事光电子方面的研究。Email:pleasuresun@sina.com。
邮编：100022
地址：北京工业大学9401信箱
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