A Signal Collecting System of Multi-frequency Laser Wavemeter based on ADμC842 MCU
摘要：介绍一种基于ADμC842单片机的激光波长计信号采集系统，该系统采用ADμC842外部触发DMA工作方式，实现对待测信号的大容量快速采集和存储，具有采集精度高、速度快、性价比高、可靠性好、易于控制程序开发等优点。使采集数据FFT变换成为可能，以便在频谱图上得到多波长激光频谱。
关键词：波长计；单片机；DMA；锁相环

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
激光波长/频率测量仪器即波长计（wave-meter），可用来测量调谐激光器的输出波长值，或者用于测量未知激光的波长值，在光频标研究领域有着重要的作用。激光波长计基于迈克尔逊干涉原理：两束激光相互叠加，产生干涉条纹，比对已知波长的参考激光和未知波长的被测激光的干涉条纹数目，可以获得被测激光的波长/频率值。
2基于迈克尔逊干涉仪的波长计原理
迈克尔逊波长计适合测量连续激光波长，其光学系统采用迈克尔逊干涉原理，如图1所示。
参考光源输出光束1，经多次反射，分为两束同频率的光，最后汇聚于B点发生干涉，由光探测器D1接收，作为参考信号。
待测光由光栏射入，与射出的参考光调整至重合；两个反射器R1和R2安装在同一可动的平行导轨上。在波长计工作时，驱动电机拖动导轨沿轴向连续往返平动，使参考光和待测光产生光程差，发生干涉现象，由光探测器D1和D2接收，由此得到它们的干涉条纹的信号。
 
图1   迈克尔逊波长计结构
单波长测量技术是经过对干涉条纹信号细分、整形和计数电路分别获得参考激光和被测激光干涉条纹数。根据参考激光波长值和两组条纹数比值可直接求得被测激光波长值。
由于系统对光电信号只采用简单的计数方式，当混合频率的激光（如同时射入绿光和红光）射入波长计时就会得到错误的波长值。
3．改进方案
3.1方案制定
光电转换后得到的光强信号是模拟电信号，需要把模拟信号转换成为数字信号，以便借助计算机分析。光强信号的采集要求采集速率高、数据存储量大、模数转换精度高等特点。
实现以上性能需要具备三个参数。精度：AD转换位数越高精度就越高；采样速率：转换速率越高对高频信号越有利；存储容量：大容量的存储可以方便进行大量数据的处理。
虽然现有的ADC已经达到上百兆的转换速率，但通常是和单片机分离的独立元件。而采用6000系列的DSP处理器又会增加成本和延长研发周期，根据信号的特点和系统快速采集的要求，研制了一个基于ADμC842单片机的激光波长计高速、大容量信号采集系统。
通常I/O数据有四种传送方式,即：同步传送、异步传送、中断传送、DMA传送。
在上述三种数据传送方式中，都要转道CPU才能实现。单片机系统无法实现小于其指令周期的高速数据传输及数据采集。这就限制了单片机在高速数据传输领域内的应用。
DMA(Direct Memory Access)的含义是直接存储器存取，这是一种由硬件来执行数据传送的工作方式。现今ADI公司推出了一款新型的ADμC842单片机，它将AD转换、DMA功能、单片机内核集成一体，完全可以满足要求精度和采集速率。此外ADμC842芯片可以外接16M的片外存储器。
3.2 系统原理与组成
数据采集系统由ADμC842单片机及片外存储器SDRAM、光电转换电路、锁相倍频电路和上位PC机组成。被测光信号通过光探测器转变为电信号输入到ADμC842芯片的ADC端口；参考激光信号倍频后用来触发AD转换，作为数据采集的时基以抵消驱动电机拖动反射镜扫描的速度不稳。该系统由下位机和上位机组成,下位机和上位机通过RS232来联接。整个系统如图2 所示。
ADμC842芯片进行信号高速采集是可以采用外部触发方式的，也就是将方波触发脉冲输入到单片机的触发端，每输入一个方波，单片机就对信号进行一次采集并将其存储。
由抽样定理可知，要保证从信号抽样后的离散时间信号无失真地恢复原始时间连续信号（即抽样不会导致任何信息丢失），必须满足：信号是频带受限的(信号频率区间有限)；采样率至少是信号最高频率的两倍。利用NE564锁相环芯片将参考光进行16倍频后，倍频信号作为触发信号，可以满足抽样定理。这样即可保证在待采集信号频率不稳定的情况下，采集到不失真的信号。
ADμC842芯片是一种内嵌MCU 的高性能多通道数据采集系统, 只是内部的数据存储器有限, 加上62512芯片这种快闪存储器可解决这些问题。最后将采集好的信号进行FFT变换得到光谱信号，可以很直观的观察到光的频域特性，进而可以解决两种频率不同的光同时射入波长计中造成计数值错误的问题。
3.3 工作原理
3.3.1 DMA允许与响应
 单片机系统开机运行时或进行内部数据处理时应对DMA置低以便禁止DMA状态。当DMA允许为１时，进入DMA预备状态，等待外部触发信号输入。DMA触发信号可以是周期信号的过零脉冲，也可以是单脉冲信号放大整形输出。DMA允许后的第一个触发脉冲到来，单片机开始数据采集和传送。
3.3.2 数据线与地址线的控制
总线的选择控制由ALE允许信号控制两组74LS373三态锁存器，使其分别处于开通和高阻状态。P0口为地址/数据复用总线，采用分时复用功能来实现数据信号和地址信号分时在同一物理线路下传输。