A Signal Collecting System of Multi-frequency Laser Wavemeter based on ADμC842 MCU
摘要：介紹一種基于ADμC842單片機的激光波長計信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用ADμC842外部觸發(fā)DMA工作方式，實現(xiàn)對待測信號的大容量快速采集和存儲，具有采集精度高、速度快、性價比高、可靠性好、易于控制程序開發(fā)等優(yōu)點。使采集數(shù)據(jù)FFT變換成為可能，以便在頻譜圖上得到多波長激光頻譜。
關(guān)鍵詞：波長計；單片機；DMA；鎖相環(huán)

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
激光波長/頻率測量儀器即波長計（wave-meter），可用來測量調(diào)諧激光器的輸出波長值，或者用于測量未知激光的波長值，在光頻標研究領(lǐng)域有著重要的作用。激光波長計基于邁克爾遜干涉原理：兩束激光相互疊加，產(chǎn)生干涉條紋，比對已知波長的參考激光和未知波長的被測激光的干涉條紋數(shù)目，可以獲得被測激光的波長/頻率值。
2基于邁克爾遜干涉儀的波長計原理
邁克爾遜波長計適合測量連續(xù)激光波長，其光學(xué)系統(tǒng)采用邁克爾遜干涉原理，如圖1所示。
參考光源輸出光束1，經(jīng)多次反射，分為兩束同頻率的光，最后匯聚于B點發(fā)生干涉，由光探測器D1接收，作為參考信號。
待測光由光欄射入，與射出的參考光調(diào)整至重合；兩個反射器R1和R2安裝在同一可動的平行導(dǎo)軌上。在波長計工作時，驅(qū)動電機拖動導(dǎo)軌沿軸向連續(xù)往返平動，使參考光和待測光產(chǎn)生光程差，發(fā)生干涉現(xiàn)象，由光探測器D1和D2接收，由此得到它們的干涉條紋的信號。
 
圖1   邁克爾遜波長計結(jié)構(gòu)
單波長測量技術(shù)是經(jīng)過對干涉條紋信號細分、整形和計數(shù)電路分別獲得參考激光和被測激光干涉條紋數(shù)。根據(jù)參考激光波長值和兩組條紋數(shù)比值可直接求得被測激光波長值。
由于系統(tǒng)對光電信號只采用簡單的計數(shù)方式，當混合頻率的激光（如同時射入綠光和紅光）射入波長計時就會得到錯誤的波長值。
3．改進方案
3.1方案制定
光電轉(zhuǎn)換后得到的光強信號是模擬電信號，需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，以便借助計算機分析。光強信號的采集要求采集速率高、數(shù)據(jù)存儲量大、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度高等特點。
實現(xiàn)以上性能需要具備三個參數(shù)。精度：AD轉(zhuǎn)換位數(shù)越高精度就越高；采樣速率：轉(zhuǎn)換速率越高對高頻信號越有利；存儲容量：大容量的存儲可以方便進行大量數(shù)據(jù)的處理。
雖然現(xiàn)有的ADC已經(jīng)達到上百兆的轉(zhuǎn)換速率，但通常是和單片機分離的獨立元件。而采用6000系列的DSP處理器又會增加成本和延長研發(fā)周期，根據(jù)信號的特點和系統(tǒng)快速采集的要求，研制了一個基于ADμC842單片機的激光波長計高速、大容量信號采集系統(tǒng)。
通常I/O數(shù)據(jù)有四種傳送方式,即：同步傳送、異步傳送、中斷傳送、DMA傳送。
在上述三種數(shù)據(jù)傳送方式中，都要轉(zhuǎn)道CPU才能實現(xiàn)。單片機系統(tǒng)無法實現(xiàn)小于其指令周期的高速數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集。這就限制了單片機在高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
DMA(Direct Memory Access)的含義是直接存儲器存取，這是一種由硬件來執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的工作方式�，F(xiàn)今ADI公司推出了一款新型的ADμC842單片機，它將AD轉(zhuǎn)換、DMA功能、單片機內(nèi)核集成一體，完全可以滿足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存儲器。
3.2 系統(tǒng)原理與組成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由ADμC842單片機及片外存儲器SDRAM、光電轉(zhuǎn)換電路、鎖相倍頻電路和上位PC機組成。被測光信號通過光探測器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞斎氲紸DμC842芯片的ADC端口；參考激光信號倍頻后用來觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，作為數(shù)據(jù)采集的時基以抵消驅(qū)動電機拖動反射鏡掃描的速度不穩(wěn)。該系統(tǒng)由下位機和上位機組成,下位機和上位機通過RS232來聯(lián)接。整個系統(tǒng)如圖2 所示。
ADμC842芯片進行信號高速采集是可以采用外部觸發(fā)方式的，也就是將方波觸發(fā)脈沖輸入到單片機的觸發(fā)端，每輸入一個方波，單片機就對信號進行一次采集并將其存儲。
由抽樣定理可知，要保證從信號抽樣后的離散時間信號無失真地恢復(fù)原始時間連續(xù)信號（即抽樣不會導(dǎo)致任何信息丟失），必須滿足：信號是頻帶受限的(信號頻率區(qū)間有限)；采樣率至少是信號最高頻率的兩倍。利用NE564鎖相環(huán)芯片將參考光進行16倍頻后，倍頻信號作為觸發(fā)信號，可以滿足抽樣定理。這樣即可保證在待采集信號頻率不穩(wěn)定的情況下，采集到不失真的信號。
ADμC842芯片是一種內(nèi)嵌MCU 的高性能多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 只是內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器有限, 加上62512芯片這種快閃存儲器可解決這些問題。最后將采集好的信號進行FFT變換得到光譜信號，可以很直觀的觀察到光的頻域特性，進而可以解決兩種頻率不同的光同時射入波長計中造成計數(shù)值錯誤的問題。
3.3 工作原理
3.3.1 DMA允許與響應(yīng)
 單片機系統(tǒng)開機運行時或進行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時應(yīng)對DMA置低以便禁止DMA狀態(tài)。當DMA允許為１時，進入DMA預(yù)備狀態(tài)，等待外部觸發(fā)信號輸入。DMA觸發(fā)信號可以是周期信號的過零脈沖，也可以是單脈沖信號放大整形輸出。DMA允許后的第一個觸發(fā)脈沖到來，單片機開始數(shù)據(jù)采集和傳送。
3.3.2 數(shù)據(jù)線與地址線的控制
總線的選擇控制由ALE允許信號控制兩組74LS373三態(tài)鎖存器，使其分別處于開通和高阻狀態(tài)。P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線，采用分時復(fù)用功能來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號和地址信號分時在同一物理線路下傳輸。