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《信息技術雜志》2015年第二期

1雙光束分光光度計的硬件電路設計

1.1信號采集處理電路設計信號采集處理電路總體設計思路為被調制的光信號投射在光電倍增管上，轉換成相應的電信號，再把采集到的電信號做一些必要的處理之后進行數據分析。信號采集處理電路圖如圖3所示，光電倍增管是一種高阻抗電流器件，所以前置放大器采用高阻抗輸入，以轉換成電壓信號，并進行適度的線形放大。被放大了的模擬信號經過A/D轉換成數字量，最終通過微型計算機進行適當的數據處理［4］。在雙光束分光光度計中需要兩個采集放大板，一個是沒有經過樣品的信號，稱為參考信號;另一個是經過樣品被吸收后的信號，稱為樣品信號;這也正是雙光束名稱的由來。通過光電二極管(PD)對光信號進行采集，光電二極管和普通二極管相比，它的PN結面積相對比較大，目的是方便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作，當沒有光照射的時候，反向電流很微弱，被稱為暗電流;當有光照射時，反向電流迅速增大到幾十微安，被稱為光電流，光越強則光電流越大。光電流流經電阻之后，電流信號就轉換為電壓信號OUTPUT，該信號經過CA3140和OP07這兩個集成運算放大器之后，最終輸出信號ADC_CHA和ADC_CHB已經滿足了AD轉換電路的要求。這兩個信號最后都送到AD轉換電路。模擬信號轉換為數字信號采用的是24位高精度模數轉換器ADS1255，其中模擬電壓輸入為5V，數字電壓輸入為3.3V，VREF25提供的是獨立的2.5V參考電壓，經過穩壓二極管和電容來保證模數轉換的精度;XTAL1和XTAL2是晶振輸入信號，選用的晶振為7.68MHz，所以其兩端的電容選用18pF;SPI_CS片選輸入信號、SPI_CLK時鐘輸入信號、SPI_MOSI輸入數字信號都是來自主芯片ARM的控制信號，主芯片通過它們來控制其工作情況;ADS_SPI_DRDY轉換數據狀態位和ADC_SPI_MISO輸出數字信號是輸給主芯片ARM的信號，正是把采集到的信號轉換為數字量供系統分析;SYNCP/DWN、RESET、D0和D1不接信號，其中SYNCP/DWN、RESET直接接3.3V將它們拉高，D0和D1直接懸空即可。

1.2分析顯示系統的設計主芯片板選用的是STM32F103RBT6，它是32位基于ARM核心的微控制器［5］。ARM內核是專門設計于滿足集成行高、低功耗、實時應用、具有競爭性價格優勢。該芯片最高工作頻率可達到72MHz，具有512k字節的閃存以及64k字節的SRAM，豐富的片上資源大大簡化了系統硬件，同時大大降低了系統功耗。STM32F103具有5個USART串行通信接口，內置分數波特率發生器，發送與接收共用可編程波特率，最高達4.5Mbit/s，數據字的長度、停止位均可設置。此外，靈活的靜態存儲器控制器FSMC能夠通過同步或異步存儲器與16位PC卡接口相連，便于外擴存儲器和液晶顯示屏。圖4主芯片連接電路主芯片連接電路圖如圖4所示，與STM32F103RBT6連接的有兩個晶振輸入，與OSC_IN和OSC_OUT連接的是8MHz的晶振輸入，用于外部高頻晶或PLL倍頻用;與OSC32_IN和OSC32_OUT連接的是32.768kHz的晶振輸入，用于外部低頻晶振，也叫時鐘晶振，用于系統待機或低功耗。BOOT0和BOOT1是決定STM32的啟動模式，STM32的啟動模式主要有三種，第一種為有用戶閃存啟動，這是正常的啟動模式;第二種為從系統存儲器啟動，這種模式是是由廠家設定的;第三中模式為內置SRAM啟動，主要是用于調試。對比一下，應該選擇第一種模式即用戶閃存啟動，因此讓BOOT1懸空BOOT0接地即BOOT1=X、BOOT0=1。JTAG0和JTAG1輸入的是JTAG程序調試下載接口，這種下載模式斷電后數據丟失，主要是用于程序調試使用;MAX232CSE是雙通道的RS232驅動器及接收器，其中程序燒寫也是通過該串口實現的，對于STM32來說高電平為+5V，低電平為0V，而計算機的RS232串口的高電平為－12V，低電平為+12V，因此需要MAX232CSE來轉換一下;USB接口，由于通用串行總線(USB)是一種支持熱插拔的系統，對靜電特別敏感，因此在出口處連接了PR-TR5V0U2X低電容雙軌到軌ESD(靜電釋放)保護二極管來保護電路，防止靜電對系統產生影響;信號MTLR_RXD、MRLT_TXD與輸出顯示屏連接，實現人機對話。主界面能夠進入系統設置和功能測試，功能測試主要包括光度測量、光譜測量、定量測量、動力學測量、多波長測量。開機后自動進入應用系統的歡迎畫面，經過短時間等待及載入自檢系統，各檢測項目均無異常時進入初始化系統主界面，依次鎢燈初始化、濾色片初始化、樣品池初始化、尋找零極光位置、波長定位校準。之后就進入了測試界面，等待數據輸入。

1.3步進電機控制系統設計步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移的開環控制器件。步進電機的轉速、位移分別取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數，即只要給電機加一個脈沖信號，電機就會轉過一個步距角。由于具有這種線性關系，且只有周期誤差而無累積誤差等特點，所以在需要精確控制位置的領域用步進電機來控制［6］。本系統用四個步進電機進行位置控制，第一個步進電機用于控制擋板的位置，實現氘燈和鎢燈的自動切換;第二個步進電機來控制濾色片的位置，實現對濾色片上多種顏色鏡片的選擇;第三個步進電機用于控制樣品池的位置。第四個步進電機來控制準直鏡、光柵、物鏡的相對位置，實現對波長的選擇。由STM32輸出控制信號來調整四個步進電機的位置，步進電機連接電路圖如圖5所示，STM32輸出的控制信號M1A—M1D、M2A—M2D、M3A—M3D、M4A—M4D電流比較小不能去直接驅動電機，所以需要ULN2803把這些信號放大之后再去驅動電機，經過ULN2803放大后對應的輸出信號為M1AA—M1DD、M2AA—M2DD、M3AA—M3DD、M4AA—M4DD，就可以直接去驅動步進電機了，這些信號是連接到步進電機的轉子線圈和定子線圈上來驅動電機，還有一根是電源線，所以連接到每個電機的線有五根。PDrv和PDet是來反映各個步進電機的運動位置，它是通過一個光點二極管來實現的，當電機運動到一定位置之后會把光電二極管前面的光擋住，這樣就把電機的位置反饋給STM32，來確保電機能夠精確定位。

1.4鎢燈控制系統設計T_ONOFF、D_ONOFF分別控制鎢燈和氘燈的信號，其中氘燈采用現成的氘燈電源來供電，所以只需把它的開關控制信號接到氘燈電源上即可。鎢燈沒有采用現成的電源，所以需要給它配置開關電路，鎢燈的配置電路圖如圖6所示，選用的繼電器是G5LA－112VDC，它的接點極數為1極，是單刀雙擲開關，額定線圈電壓為12VDC。1管腳直接接到12V電壓，由它來給鎢燈提供電源，2和5管腳之間接的是線圈，3管腳是常開開關，4管腳是常閉開關。當STM32輸出的信號是高電平時，即讓鎢燈點亮的時候，PC817S1的發光二極管不亮，即5管腳懸空就沒有電流流經線圈，是4管腳常閉開關在在工作，所以1、4直接導通輸出12V電壓給鎢燈，若信號STM32輸出的是低電平剛好相反。

2結束語

雙光束分光光度計在食品、醫療、化工、冶煉等各行各業大量的使用，所以要求它的測量結果要精確統一，受外界影響要小。本文主要介紹了雙光束分光光度計的硬件電路設計，選用STM32來實現系統控制和數據分析;選用光電倍增管來采集數據并轉換為電信號;選用步進電機來控制光源的轉換、濾色片、光柵的精準定位。

作者：易映萍王瑋高玲玲陳建帥單位：上海理工大學光電信息與計算機工程學院