侯喜報(bào),張志輝,劉　磊,韓順利,羅文建

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島　266555)

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基于雙端口通信的光柵光譜儀設(shè)計(jì)方法

侯喜報(bào),張志輝,劉磊,韓順利,羅文建

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266555)

摘要：針對(duì)單片機(jī)作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的光柵光譜分析儀具有電路復(fù)雜、可靠性差、測(cè)量速度慢等諸多局限性,提出一種基于工控板作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的光柵光譜分析儀設(shè)計(jì)方法。該方法根據(jù)雙口RAM雙端口通信機(jī)制和查詢測(cè)量參數(shù)指令地址的軟件設(shè)計(jì)方法,采用FPGA控制PC/104總線作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)與雙口RAM數(shù)據(jù)通信及控制總線,在兼容原有系統(tǒng)成熟模塊的前提下,實(shí)現(xiàn)工控板對(duì)光譜分析儀參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法切實(shí)可行,且相對(duì)于原有光譜分析儀產(chǎn)品,平均測(cè)量時(shí)間縮短83.7%。

關(guān)鍵詞：光譜分析儀; 雙口RAM; 地址查詢; 縮短測(cè)量時(shí)間

引言

光纖通信技術(shù)由于具有傳輸容量大、傳輸速率高、抗電磁干擾、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3],已經(jīng)在軍事[4-5]、工業(yè)[6-7]、農(nóng)業(yè)[8]和醫(yī)療衛(wèi)生[3]等各個(gè)領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,高性能的光纖通信系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光器(LD)、發(fā)光二極管(LED)、光纖放大器等光有源器件和光學(xué)濾波器、光纖等光無(wú)源器件的光譜特性測(cè)試或光傳輸特性測(cè)試提出了更高的要求[9-10],光譜分析儀是上述光有源器件、光無(wú)源器件及光纖通信系統(tǒng)不可或缺的基礎(chǔ)工作參數(shù)測(cè)試儀器,是發(fā)展高性能光纖通信系統(tǒng)的重要測(cè)試工具。

目前,大部分光譜分析儀產(chǎn)品多局限于物質(zhì)的光譜分析[11-12],目的是得到物質(zhì)的化學(xué)組成、含量或結(jié)構(gòu),本單位光譜分析儀采用雙通光柵分光單元,工作在600~1 700 nm近紅外通信波段,是一款應(yīng)用于光通信領(lǐng)域,專門測(cè)量、分析和表征光有源和無(wú)源器件及光纖通信系統(tǒng)工作參數(shù)的近紅外光譜分析儀[13]。但近年來(lái)隨著用戶對(duì)光譜測(cè)試和分析要求的不斷提高以及國(guó)外新型號(hào)同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的推出,對(duì)光譜分析儀波形數(shù)據(jù)分析功能、測(cè)量速度、存儲(chǔ)性能、人機(jī)交互靈活性、外部接口、可靠性和可生產(chǎn)性等方面提出了更高的要求。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本原理

光譜分析儀整機(jī)原理如圖1所示。入射光經(jīng)工作于Littrow條件下的雙通光柵分光單元分解成單色光,經(jīng)由探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào),放大后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換,測(cè)量模塊將數(shù)字信號(hào)保存在雙口RAM中并進(jìn)行電平修正計(jì)算,同時(shí)還通過(guò)雙口RAM讀取計(jì)算機(jī)主控模塊設(shè)定的波長(zhǎng)、分辨率、光衰減值和光軸準(zhǔn)直等參數(shù),并傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以此為依據(jù),產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電壓并通過(guò)電源模塊控制直流無(wú)刷電機(jī),直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)軸直接固定在光柵的轉(zhuǎn)軸上,從而精確控制光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。另外,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊還分別驅(qū)動(dòng)控制入射及出射狹縫、光軸對(duì)準(zhǔn)、光衰減等電機(jī),并把這些電機(jī)的位置數(shù)據(jù)反饋給測(cè)量模塊。計(jì)算機(jī)主控模塊通過(guò)雙口RAM與測(cè)量模塊交互,讀取的來(lái)自測(cè)量模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)處理后作為縱坐標(biāo)送LCD顯示,讀取通過(guò)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)得到的掃描調(diào)諧波長(zhǎng)值作為橫坐標(biāo)送LCD顯示。同時(shí),對(duì)波形數(shù)據(jù)的運(yùn)算與分析,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與輸出,外部接口以及鍵盤操作都是由計(jì)算機(jī)主控模塊控制完成的。

圖1　光譜分析儀整機(jī)原理圖Fig.1　The schematic diagram of spectrometer

該系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題是計(jì)算機(jī)主控模塊中采用16位M68000系列單片機(jī)作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái),其局限性表現(xiàn)在:

(1) 由于單片機(jī)系統(tǒng)資源有限,且為串行工作模式,應(yīng)用于該模塊須大量引腳復(fù)用,且模塊中采用較多邏輯芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制,這種設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致光譜分析儀電路復(fù)雜,系統(tǒng)的可靠性和可生產(chǎn)性變差;

(2) 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作,測(cè)量模塊單片機(jī)和計(jì)算機(jī)主控模塊單片機(jī)要不斷監(jiān)測(cè)中斷產(chǎn)生,以相互交換總線控制權(quán),導(dǎo)致測(cè)量速度相對(duì)較慢;

(3) 由于單片機(jī)系統(tǒng)資源和時(shí)鐘頻率的限制,波形數(shù)據(jù)處理速度過(guò)慢,且只能進(jìn)行簡(jiǎn)單基本的波形數(shù)據(jù)計(jì)算,而不能全面深入的分析光譜特性;

(4) 由于單片機(jī)工作模式局限性,只有單一GPIB接口,不具有通用性。

另外,系統(tǒng)中內(nèi)置軟驅(qū),不具有實(shí)用性,存儲(chǔ)性能受到限制,還存在軟件操作復(fù)雜、人機(jī)交互靈活性不足等問(wèn)題。本文針對(duì)以上問(wèn)題,利用雙口RAM的雙端口通信機(jī)制,提出一種基于工控板作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái),測(cè)量參數(shù)指令地址查詢的光譜分析儀改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。

2改進(jìn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)中雙口RAM連接測(cè)量模塊單片機(jī)和計(jì)算機(jī)主控模塊單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,是整個(gè)系統(tǒng)的核心。該雙口RAM為8位輸出,具有兩套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和邏輯控制線,允許左右兩個(gè)處理器對(duì)其雙端口存儲(chǔ)器同時(shí)進(jìn)行操作;具有兩套獨(dú)立的中斷邏輯,左右兩端各包含一個(gè)8位郵箱,通過(guò)向郵箱中讀寫數(shù)據(jù),控制左右中斷的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)左右處理器間握手通信;具有兩套獨(dú)立的忙邏輯,避免左右處理器對(duì)同一地址同時(shí)寫操作,或一個(gè)處理器寫入數(shù)據(jù)的同時(shí)另一個(gè)處理器讀出數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的地址數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng),保證左右處理器同時(shí)對(duì)同一地址進(jìn)行正確讀寫操作;還具有位數(shù)擴(kuò)展機(jī)制,可級(jí)聯(lián)輸出多于8位的數(shù)據(jù)。

基于上述雙端口通信機(jī)制,本文提出采用基于x86的高性能工控板代替單片機(jī)作為系統(tǒng)主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái),平臺(tái)中使用FPGA控制PC/104總線作為主控處理器與雙口RAM數(shù)據(jù)通信及控制總線;對(duì)雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)及地址位數(shù)拓展,并在雙口RAM和測(cè)量處理器之間增加8位總線收發(fā)器,用于信號(hào)隔離和電平轉(zhuǎn)換,其接口框圖如圖2所示。

圖2　主控處理器與測(cè)量處理器接口框圖

測(cè)量模塊中FLASH存放系統(tǒng)的自檢程序、全局變量、測(cè)量程序等主要下位機(jī)軟件。改進(jìn)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是在解決原光譜分析儀存在問(wèn)題的前提下,最大限度兼容原有系統(tǒng)的雙通光柵分光單元、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等成熟模塊功能,FPGA作為下位機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制芯片,產(chǎn)生局部總線協(xié)調(diào)PC/104總線接口模塊的邏輯工作方式。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)并通過(guò)各功能狀態(tài)自檢后,各模塊相互配合完成的工作有兩部分,一是進(jìn)行中心波長(zhǎng)、掃描帶寬、分辨帶寬、視頻帶寬等參數(shù)的設(shè)置;二是進(jìn)行單次掃描測(cè)量或連續(xù)掃描測(cè)量。無(wú)論進(jìn)行哪部分工作,主控處理器都會(huì)通過(guò)PC/104總線接口將工作參數(shù)指令發(fā)送到雙口RAM中,并同時(shí)對(duì)測(cè)量處理器產(chǎn)生中斷,測(cè)量處理器讀取中斷信號(hào)和工作指令,根據(jù)指令內(nèi)容通過(guò)FLASH控制程序協(xié)調(diào)控制各模塊進(jìn)行相關(guān)工作,工作完成后測(cè)量處理器通過(guò)雙口RAM對(duì)主控處理器產(chǎn)生中斷,以便提取參數(shù)設(shè)置值或測(cè)量數(shù)據(jù),主控處理器將結(jié)果提取到SDRAM中,通過(guò)上位機(jī)軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理、分析并顯示。高性能工控板內(nèi)置2G DDR3板上內(nèi)存,可整體提高數(shù)據(jù)測(cè)量速度和分析處理速度;在該工控板上進(jìn)行基于Windows系統(tǒng)的上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā),可在優(yōu)化人機(jī)交互靈活性的同時(shí),全面深入開(kāi)展光譜數(shù)據(jù)分析處理算法的研究;該工控板可拓展USB、Ethernet、DVI等外部接口,SATA II接口支持大容量硬盤,有效解決存儲(chǔ)性能問(wèn)題。

3軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中,為了能夠快速準(zhǔn)確的將工作參數(shù)指令發(fā)送到雙口RAM中,提出了一種測(cè)量參數(shù)指令地址查詢的方法。由于新系統(tǒng)平臺(tái)下,測(cè)量參數(shù)設(shè)置及掃描測(cè)量等工作指令在雙口RAM中對(duì)應(yīng)的地址并沒(méi)有改變,本文利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)通過(guò)反匯編、地址映射、斷點(diǎn)調(diào)試等手段將各操作工作參數(shù)指令和雙口RAM地址一一對(duì)應(yīng)起來(lái),并跟蹤得到指令的軟件控制流程,工控板以此為依據(jù)通過(guò)查詢的方式進(jìn)行指令下達(dá)。具體方法如下:

(1) 將開(kāi)發(fā)系統(tǒng)連接測(cè)量處理器單片機(jī),該開(kāi)發(fā)系統(tǒng)作用有兩點(diǎn):一是映射EPROM和FLASH內(nèi)存地址,對(duì)其進(jìn)行仿真讀寫和程序開(kāi)發(fā);二是設(shè)置調(diào)試斷點(diǎn),跟蹤數(shù)據(jù)流向。

(2) 將雙口RAM地址段設(shè)置為斷點(diǎn),當(dāng)測(cè)量處理器和工控板發(fā)生數(shù)據(jù)交換和指令傳遞時(shí),執(zhí)行程序?qū)⑦M(jìn)入斷點(diǎn)對(duì)應(yīng)地址。

(3) 以得到的地址為線索,跟蹤得到相應(yīng)工作參數(shù)對(duì)應(yīng)的具體地址和工作指令的控制流程。

(4) 重復(fù)以上操作,將所有工作參數(shù)對(duì)應(yīng)地址和控制流程具體化,并寫入工控板上位機(jī)軟件。

改進(jìn)系統(tǒng)的整機(jī)軟件基于Windows系統(tǒng),具有友好的操作界面,并集成光源、光纖、光纖放大器、波分復(fù)用器、光濾波器等光譜數(shù)據(jù)分析方法,整機(jī)軟件流程如圖3所示。主控處理器首先初始化FLASH內(nèi)存和測(cè)量參數(shù),測(cè)量處理器完成自檢后,通過(guò)雙口RAM讀取測(cè)量參數(shù)并相應(yīng)初始化光柵及狹縫位置,主控處理器通過(guò)查詢工作參數(shù)地址下發(fā)工作指令,測(cè)量處理器根據(jù)雙口RAM地址內(nèi)容執(zhí)行參數(shù)設(shè)置或掃描測(cè)量工作,并通知主控處理器接收數(shù)據(jù)作波形顯示、參數(shù)顯示、波形分析及文件操作等進(jìn)一步處理。

圖3　光譜分析儀軟件流程圖

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1方案可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性,本文使用工控板主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái)代替原計(jì)算機(jī)主控模塊,在工控板中裝入Windows系統(tǒng),利用FPGA轉(zhuǎn)接板與母板相連,將工控板內(nèi)存地址空間0xD0000~0xD7FFF通過(guò)PC/104地址總線映射為雙口RAM的地址0x900000~0x907FFF,該工控板通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)內(nèi)存地址空間0xD0000~0xD7FFF進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫,雙口RAM中對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)也相應(yīng)變化,通過(guò)該方式上位機(jī)軟件可按控制流程間接向雙口RAM發(fā)送工作指令。指令發(fā)送完畢后工控板向雙口RAM郵箱0x907FFF寫入00H中斷測(cè)量處理器,測(cè)量處理器根據(jù)相應(yīng)工作指令執(zhí)行參數(shù)設(shè)置或光譜掃描測(cè)量工作,工作完成后測(cè)量處理器向雙口RAM地址0x907FFE寫入01H通知工控板執(zhí)行完畢。

二進(jìn)制光譜數(shù)據(jù)值存儲(chǔ)在雙口RAM以0x901000開(kāi)始的地址空間中,光譜采樣點(diǎn)數(shù)可由光譜分析儀設(shè)定,圖4為某一次上位機(jī)讀取的雙口RAM中法布里-玻羅半導(dǎo)體激光器(FP-LD)的部分二進(jìn)制光譜數(shù)據(jù)。

圖4　光譜二進(jìn)制數(shù)據(jù)Fig.4　Binary data of the spectrum

為得到光譜電平值,雙口RAM中的二進(jìn)制光譜數(shù)據(jù)還需要做進(jìn)一步計(jì)算處理。該二進(jìn)制光譜數(shù)據(jù)是以四字節(jié)為一個(gè)單位,代表一個(gè)科學(xué)計(jì)數(shù)法表示的十進(jìn)制光譜數(shù)據(jù)點(diǎn),其中前兩個(gè)字節(jié)為指數(shù)位,后兩個(gè)字節(jié)代表底數(shù),通過(guò)下式可將該地址段中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制光譜功率值P,單位為mW:

(1)

α=(A&0x0000FFFF)

(2)

β=(A&0xFFFF0000)>>16

(3)

式中:A表示讀取的四字節(jié)光譜二進(jìn)制數(shù)據(jù),如:A=FFFB1BB4。

然后,將線性刻度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)刻度坐標(biāo),得到光譜電平值L:

L=10×lgP

(4)

利用關(guān)系式(1)和式(4)求得光譜電平值,并針對(duì)每一臺(tái)光譜分析儀進(jìn)行光譜波長(zhǎng)標(biāo)定和校準(zhǔn),即可通過(guò)上位機(jī)軟件顯示出準(zhǔn)確的光譜波形圖,圖5所示為中心波長(zhǎng)1 550 nm的FP-LD光源光譜波形圖。利用光譜電平值和波長(zhǎng)值根據(jù)相應(yīng)算法進(jìn)行峰值、谷值搜索,計(jì)算中心波長(zhǎng)、光譜帶寬等光譜參數(shù)以及集成不同類別的光譜數(shù)據(jù)分析方法。

4.2測(cè)量速度測(cè)試

為驗(yàn)證改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量速度是否提高,分別用改進(jìn)系統(tǒng)和原光譜分析儀測(cè)量可調(diào)諧分布反饋半導(dǎo)體激光器(DFB-LD)1 550 nm光譜,峰值電平為6 dBm。分別在分辨帶寬為0.05 nm、0.07 nm、0.1 nm、0.2 nm、0.5 nm、1 nm時(shí)各測(cè)量5組光譜數(shù)據(jù),改進(jìn)系統(tǒng)和原光譜分析儀所用時(shí)間如圖6所示。

圖5　1 550 nm FP-LD光源光譜波形圖

圖6　測(cè)量時(shí)間比較

由圖6結(jié)合30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量速度較原光譜分析儀有較為明顯的提高,原光譜分析儀30組實(shí)驗(yàn)平均測(cè)量時(shí)間為6.46 s,改進(jìn)系統(tǒng)平均測(cè)量時(shí)間為1.05 s,平均測(cè)量時(shí)間縮短83.7%。

5結(jié)論

本文利用雙口RAM的雙端口通信機(jī)制,在兼容原光譜分析儀成熟模塊的基礎(chǔ)上,提出一種基于工控板代替單片機(jī)作為主控及數(shù)據(jù)處理平臺(tái),測(cè)量參數(shù)指令地址查詢的光譜分析儀改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)證明,方案正確可行,采用新的系統(tǒng)平臺(tái)后,可極大簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制時(shí)間損耗,提高儀器的可靠性和可生產(chǎn)性;通過(guò)對(duì)上位機(jī)軟件重新開(kāi)發(fā),在優(yōu)化操作界面,增強(qiáng)人機(jī)交互靈活性的同時(shí),使光譜數(shù)據(jù)分析功能更加強(qiáng)大;可對(duì)系統(tǒng)外部通信接口進(jìn)行擴(kuò)展,增強(qiáng)儀器的實(shí)用性;相對(duì)于原光譜分析儀,可有效縮短測(cè)量時(shí)間。

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(編輯:張磊)

Improved design method of grating spectrometer based on dual port communication

HOUXibao,ZHANGZhihui,LIULei,HANShunli,LUOWenjian

(The 41st Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, Qingdao 266555, China)

Abstract：The grating spectrometers using microchip as the main control and data processing module have disadvantages of circuit complexity, poor reliability, slow scanning speed and many other limitations. To overcome the shortcomings, an improved design method of grating spectrometer in which an industrial control board was adopted as the main control and data processing module was proposed. Based on a dual port communication scheme of dual-port RAM(DPRAM) and the software design method of inquiring parameter command address table, FPGA was used to control the PC/104 bus as the data communication and control bus of the main control and data processing module and DPRAM. Under the premise of compatible with existing system modules, this method can realize parameter setting of the spectrometer and data measurements. The experimental results show that the method was practical and the average measurement time was reduced by 83.7% compared with the original spectrometer products.

Keywords：spectrometer; DPRAM; address inquiry; shortening measurement time

中圖分類號(hào)：TH 744.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：侯喜報(bào)(1988—),男,工程師,主要從事光電測(cè)量?jī)x器的研制和開(kāi)發(fā)的研究。E-mail:eiqd@ei41.com通信作者： 張志輝(1970—),男,高級(jí)工程師,主要從事光電測(cè)量?jī)x器的研制和開(kāi)發(fā)的研究。E-mail:eiqd@ei41.com

基金項(xiàng)目：重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C120301110C12)

收稿日期：2015-05-21