裴 昊 亓夫軍

（中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

1 QE65000光纖光譜儀概述

QE65000光纖光譜儀作為一種新型儀器，集探測(cè)器、光學(xué)平臺(tái)和電子學(xué)的最新科技于一身，構(gòu)架了一個(gè)非常靈敏的系統(tǒng)。因其可以提供極高的光譜響應(yīng)能力和光學(xué)分辨率，故可作為科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的手段。事實(shí)上，在Ocean Optics公司研發(fā)的諸多產(chǎn)品中，QE65000光纖光譜儀最為靈敏，具有高達(dá)90%的量子效率（量子效率被定義為光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率）、高速的信號(hào)處理速度以及高信噪比。故而在實(shí)際的科研應(yīng)用中，QE65000光纖光譜儀非常適合用來測(cè)量光信號(hào)非常弱的情形，如熒光光譜、DNA序列、天文學(xué)研究，薄膜反射光測(cè)量等。

2 QE65000光纖光譜儀光學(xué)部分構(gòu)成

2.1 QE65000光纖光譜儀內(nèi)部構(gòu)件

QE65000光譜儀內(nèi)部構(gòu)件及其功能：a.SMA連接器：連接光譜儀和光纖，光由輸入光纖通過此連接器進(jìn)入光具座；b.狹縫：位于連接器之后，可以用狹縫大小來調(diào)節(jié)進(jìn)入光具座的光亮，控制光譜分辨率；c.濾光器：光在進(jìn)入光具座之前，先要通過濾光器，以限制波長(zhǎng)范圍；d.準(zhǔn)直光鏡：使進(jìn)入光具座的光線匯聚到光譜儀的光柵上；e.光柵：使光線發(fā)生衍射，分散后的光線打在聚焦鏡上；f.聚焦鏡：將光線聚焦在CCD上；g.CCD探測(cè)器：QE65000核心部件；h.OFLV濾光片：消除高階衍射。

2.2 Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面陣探測(cè)器

QE65000光纖光譜儀采用了Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面陣探測(cè)器，分辨率為1044×64，測(cè)量波長(zhǎng)可覆蓋200-1100nm。相比于線陣CCD，面陣式CCD探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一、面陣CCD通過內(nèi)部電路對(duì)像素進(jìn)行縱向的運(yùn)算，顯著地提高了信噪比和信號(hào)處理速度。其二、面陣CCD可以更好地利用由于狹縫高度而獲得額外的入射光，大大地提高了系統(tǒng)的靈敏度。

由于該CCD結(jié)構(gòu)為薄型背照式，所以它在紫外區(qū)具有與生俱來的極高的響應(yīng)，它還可以通過板載的熱電致冷器（降溫達(dá)到 -15°C）來降低暗噪聲，使探測(cè)器的積分時(shí)間最多提升至15分鐘，大大提升微光應(yīng)用下探測(cè)范圍。

3 QE65000光纖光譜儀電子部分構(gòu)成(見圖)

QE65000光譜儀板的波長(zhǎng)校準(zhǔn)系數(shù)已寫入QE65000的存儲(chǔ)芯片里，通過光譜儀運(yùn)行軟件可簡(jiǎn)單方便地讀取這些光譜儀專有參數(shù)，校準(zhǔn)光譜儀的測(cè)試波長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的快速通訊。

3.1 QE65000光譜儀芯片結(jié)構(gòu)

EZ-USB FX2芯片包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)、1個(gè) USB 收發(fā)器、8.5KB 片上 RAM、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF）。FX2是一個(gè)全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發(fā)時(shí)間。EZ-USB FX2擁有1個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，其中包括1個(gè)智能串行接口引擎（SIE）。它執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來以用于實(shí)現(xiàn)專用的功能，并保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。FX2還包括2個(gè)通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接，并且它還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USB FX2完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。

3.2 EZ-USB FX2 USB通訊原理

EZ-USB FX2提供了一種獨(dú)持架構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)试S以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO。這種被稱之為“量子 FIFO”（Quantum FIFO）的處理架構(gòu)，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。

具體來說，USB執(zhí)行OUT傳輸，將EP2端點(diǎn)設(shè)成512字節(jié)四重FIFO。在USB端和外部接口端都不知道有四重FIFO。USB端只要有一個(gè)FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)向外發(fā)送數(shù)據(jù)。而當(dāng)FIFO寫“滿”時(shí)，F(xiàn)X2會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換至外部接口端，排除等候讀?。徊SB接口隊(duì)列中下一個(gè)為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，以供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。外部接口端與此相似，只要有一個(gè)FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時(shí)，則自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排除等候?qū)懭?；并將外部接口?duì)列中下一個(gè)為“滿”的FIFO轉(zhuǎn)移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。

在USB協(xié)議中，定義端點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的接收器和發(fā)送器。主機(jī)發(fā)送4個(gè)bit的地址和1個(gè)bit的方向來選擇端點(diǎn)，因此USB最多可有 32個(gè)端點(diǎn)定義：IN0～I(xiàn)N15和 OUT0～OUT15。在高速模式下的端點(diǎn)緩存結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)X2定義了7個(gè)端點(diǎn)。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點(diǎn)緩存。EP0是默認(rèn)的控制傳輸端點(diǎn)，既是IN端點(diǎn)也是OUT端點(diǎn)。EP1IN、EP1OUT支持塊、中斷和同步傳輸。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件訪問；而EP2、4、6和8無需固件干涉即可同片外互傳高速數(shù)據(jù)。FX2端點(diǎn)配置方式非常靈活。EP2、4、6和8是大容量高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可設(shè)為IN或OUT端點(diǎn)的一種，能配置成多種形式以適應(yīng)帶寬需要。

全速模式時(shí)，每個(gè)OUT傳輸發(fā)送OUT數(shù)據(jù)包，并不考慮外設(shè)是否處于“忙”狀態(tài)而不能接收數(shù)據(jù)。針對(duì)這種浪費(fèi)帶寬的情況，在高速模式時(shí)推薦使用新的PID類型“PING”。主機(jī)先對(duì)OUT端點(diǎn)發(fā)出個(gè)較短的“PING”，訪問當(dāng)前外設(shè)是否有數(shù)據(jù)空間來存放OUT的數(shù)據(jù)包。僅僅當(dāng)外部設(shè)備回答“ACK”時(shí)，主機(jī)才發(fā)送較長(zhǎng)OUT數(shù)據(jù)包。

ACK（Acknowledge）表示成功，數(shù)據(jù)接收無誤。

NAK（Negative Acknowledge）表示忙，需要重新發(fā)送。

3.3 EZ-USB FX2串口連接器結(jié)構(gòu)

除了采用USB通訊之外，QE65000光譜儀還備有一個(gè)30針的串口連接器，其高速電子系統(tǒng)還可以通過RS-232接口靈活的與各種組件和外部設(shè)備接駁，包括PC,PLC以及其他嵌入式設(shè)備。

30針串口連接器包含I2C總線系統(tǒng)，SPI總線系統(tǒng)，RS-232總線系統(tǒng)，10個(gè)用戶可編程的數(shù)字輸入/輸出線以及一個(gè)外部觸發(fā)線。在實(shí)際使用中一般通過PIN1(RS232 Rx):串口信號(hào)接收端；PIN 2(RS232 Tx):串口信號(hào)發(fā)送端；PIN 5(Ground):地線；PIN 12(VCC or 5VIN)5V:電源來進(jìn)行串口通訊。

需要說明的是，在使用串口通訊時(shí)，QE65000光譜儀需要一個(gè)＋5V電源。同時(shí)Spectra Suite波譜軟件（儀器自帶軟件）也不支持通過串口操作光譜儀，需要根據(jù)附帶的串口命令集，自己編寫軟件用于串口操作。

[1]QE65000 Data Sheet.Ocean Optics

[2]QE65000 Fiber Optic Spectrometer Installation and Operation Manual.Ocean Optics