基于USB总线的微型光谱仪数据采集系统研究-物理电子学专业论文.docx

Classified Index: TH744.1 U.D.C: 681.785.235 Dissertation for the Master Degree of Engineering RESEARCH OF DATA ACQUISITION SYSTEM FOR MICRO-SPECTROMETER BASED ON USB Candidate: Li Haiying Supervisor: Prof. Yao Yong Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Physical Electronics Affiliation: Shenzhen Graduate School Date of Defence: June, 2006 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 摘 要 光谱仪器是一种分析物质化学组成及其含量的光学分析仪器，广泛应用于 物理、化学、生物医学及工农业生产、国防等各个科学技术领域。随着科学技 术的发展及科学领域的扩大，光谱仪的微小型化及实现快速、实时、现场检测 已成为一个重要的发展趋势。数据采集与传输系统是微型光谱仪的一个重要组 成部分，是实现上述要求的关键技术之一。 目前多数传统光谱仪的数据采集与传输方式在速度、微小型化和使用便捷 化方面已不能满足要求，从而限制微型光谱仪的广泛应用。本文在研究 CCD 和 USB 原理的基础上，开发出一种基于 CCD 和 USB 总线的微型光谱仪的数 据采集与传输系统，能够实现光谱仪的微小型化和使用便捷化，同时还达到了 实时快速检测的要求。 本文研究的主要内容包括以下四部分： (1) 调研了国内外微型光谱仪的发展现状，分析了数据采集与传输系统的 应用技术，提出了微型光谱仪的数据采集和传输系统的设计方案。 (2) 研究了微型光谱仪的基本结构。根据光谱仪的基本原理和特性，提出 了用于荧光检测的微型光谱仪的结构设计。具体分析了光源、光纤探头、光学 系统等分系统结构，同时，利用 CCD 和 USB，构建了数据采集与传输系统。 (3) 研究 CCD 在光谱分析领域的应用。采用型号为 TCD1208AP 的线阵 CCD 芯片作为光电转换器件，设计了光谱采集系统的 CCD 前端放大电路、 A/D 转换电路和缓存电路，经验证此采集系统满足微型光谱仪对光谱数据处理 的要求。 (4) 在研究 PCI 总线、RS232 等常用的计算机接口的特点的基础上，提出 了将一种将 USB2.0 技术应用于微型光谱仪数据采集系统的设计方案。依据所 选 USB2.0 接口芯片 CY7C68013A 的性能和系统要求，绘制了具体的硬件设计 电路图，编写了固件程序和驱动程序，实现了 USB 设备枚举与数据传输的功 能，定义了应用程序的基本功能。利用 USB 传输接口，加快了微型光谱仪信 号传输速度，使微型光谱仪可以利用总线供电、即插即用，达到了体积小、重 量轻、结构紧凑，适合野外作业的目的。 关键词 微型光谱仪；线阵 CCD；USB；数据采集 Abstract The spectrometer is a kind of precision optics analysis instruments which are used to analyze various kinds of substances chemical components and its content. It is applied extensively in many fields such as physical experiment, chemic analysis, biological research, medical science medicine study, industrial and agricultural production, national defense, etc. It is important for spectrometers to be miniaturized and microminiaturized, as well as to analyze in real-time and in situ rapidly. As an important part of spectrometer, data acquisition and transmission system is one of the key techniques to realize the above request. At present, the