Features of the system for registration and storage of information of a multichannel Fourier spectrometer

V. A. Vagin; Вагин В. А.; P. S. Martyanov; Мартьянов П. С.; A. I. Khorokhorin; Хорохорин А. И.

doi:10.31857/S0033849424070113

Особенности системы регистрации и хранения информации многоканального фурье-спектрометра

Авторы: Вагин В.А.¹, Мартьянов П.С.¹, Хорохорин А.И.¹
Учреждения:
1. Научно технологический центр уникального приборостроения РАН
Выпуск: Том 69, № 7 (2024)
Страницы: 686-689
Раздел: ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
URL: https://journal-vniispk.ru/0033-8494/article/view/279651
DOI: https://doi.org/10.31857/S0033849424070113
EDN: https://elibrary.ru/HYHKQS
ID: 279651

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Рассмотрена система сбора, обработки и хранения информации для многоканального фурье-спектрометра. Приведена функциональная схема электронной части устройства, структурная схема, а также краткое описание программного обеспечения, которое позволяет проводить измерения в автоматизированном режиме и иметь возможность записи и хранения полученных данных. Проведен эксперимент, проанализированы полученные результаты.

Ключевые слова

фурье-спектрометр, АЦП, ЦАП, ПЗУ, микроконтроллеры, цифровая электроника, аналоговая электроника, система сбора данных

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Многоканальные фурье-спектрометры позволяют проводить комплексные спектральные исследования объекта. Использование систем зондов с оптоволокнами разных спектральных диапазонов позволяет одновременно вычислять спектр пропускания, спектр нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и спектр отражения. Данные приборы могут применяться в различных отраслях промышленности, в первую очередь на технологических линиях для одновременного и непрерывного контроля за ключевыми участками производственного процесса. Известны спектрометры, которые решают эту задачу переключением прибора с одного зонда на другой. Существует единственный многозондовый фурье-спектрометр модели MATRIX-F, предназначенный для измерений в ближнем ИК-диапазоне в режиме реального времени. Этот прибор оснащен шестью зондами, которые можно переключать, измеряя последовательно шесть различных объектов, однако такие приборы не могут обеспечить проведение непрерывных и одновременных спектральных измерений всех выбранных объектов. Общая схема построения многоканального спектрометра приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема построения многозондового спектрометра.

Излучение из интерферометра освещает общий вход многозондовой системы. Оно распределяется между зондами и поступает на соответствующие измерительные головки и далее направляется на фотоприемники [5, 6].

1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ МНОГОКАНАЛЬНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА

Была разработана функциональная схема многоканального фурье-спектрометра (рис. 2), которая обеспечивает регистрацию интерферограмм, прием и передачу данных в компьютер, а также их хранение в автономном режиме.

Рис. 2. Функциональная схема многоканального фурье-спектрометра.

Присутствие линейного двигателя (ЛД) указывает на то, что данная схема описывает спектрометр динамического типа. Привод подвижного отражателя (ППО) обеспечивает перемещение триэдра интерферометра спектрометра с постоянной скоростью. Фотодиод принимает излучение с лазера, в результате на выходе диода образуется гармонический сигнал с постоянной частотой и амплитудой. Моменты перехода сигналов через нулевое значение используются для запуска аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые входят в состав системы сбора данных (ССД). В систему также входит микроконтроллер (МК), приемники инфракрасного излучения (ИК-излучения) П1, П2, П3 с усилителями A1, A2, A3, USB-мост, карта памяти и панель управления для ввода параметров регистрации. Карта памяти и сенсорная панель являются опцией.

Приемники ИК-излучения П1…П3 принимают поток излучателя, промодулированный интерферометром спектрометра (интерферограмму). Все АЦП запускаются одновременно. Выходные данные АЦП побайтно поступают в оперативно запоминающие устройство (ОЗУ) МК. Вслед за словом АЦП 18 бит идут 14 бит скорости сканирования подвижного отражателя. Размер массива потока данных ОЗУ определяется задаваемым спектральным разрешением. После заполнения массива ОЗУ происходит копирование данных в персональный компьютер (ПК) через USB-мост. Микроконтроллер помимо приема/передачи потока данных, формирует сигнал поворота подвижного отражателя.

Перечисленные задачи могли бы решать ССД моделей USB-6212-BNC(NI), USB1616HS-BNC (Measurement Computing), MPS-140801, но их адаптация потребовала бы серьезных изменений уже разработанного программного обеспечения спектрометра.

В процессе проектирования, была разработана структурная схема ССД (рис. 3). Ядром структуры является микроконтроллер семейства ARM модели STM32F767. В процессе работы системы параметры регистрации задаются с помощью сенсорной панели и считываются микроконтроллером с использованием интерфейса USART. Карта SDHC предназначена для записи или чтения интерферограмм, она подключена к МК через интерфейс SPI. Микросхемы АЦП в процессе работы преобразуют аналоговый сигнал интерферограмм в цифровой для дальнейшей обработки в ПК. АЦП запускаются сигналами CNV и RD. После завершения оцифровки данных микросхемы АЦП поочередно отправляет на МК сигналы BUSY. Обмен данными между МК и АЦП осуществляются через порты F и D. МК передает и принимает информацию через USB-мост по цифровому порту Е. Подключение ПК к устройству осуществляется через USB-мост.

Рис. 3. Структурная схема системы сбора данных.

2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для возможности работы с фурье-спектрометром было разработано программное обеспечение (ПО) для регистрации, обработки и хранения данных на ПК. Данное ПО работает в операционной системе Windows. Для реализации ПО использовались языки программирования С++ и Qt (подробнее см. [1, 4, 7]).

Апробация ПО была проведена в трехканальном режиме. Скриншот ПО представлен на рис. 4. На вход первого канала подавался меандр с частотой 100 Гц, на вход второго – синусоидальный сигнал от генератора модели ГЗ 118 с частотой 600 Гц, вход третьего канала был заземлен. На рис. 5а показан выделенный программно меандр по одному каналу, а на рис. 5б – сигнал синусоиды по другому каналу [2, 3].

Рис. 4. Интерферограмма одновременной регистрации трех сигналов (02.10.2021 в 16:12:53).

Рис. 5. Программное выделение сигнала меандра по первому каналу (а) и синусоиды по второму каналу (б).

Выделенные сигналы полностью соответствуют по частоте и амплитуде сигналам, поданным на соответствующие входы ССД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы получены следующие результаты.

Разработана оригинальная электронная система фурье-спектрометра, а также программы регистрации и обработки данных, что подтверждается авторским свидетельством.

Проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены характеристики, удовлетворяющие заданным требованиям, а работоспособность программного обеспечения доказывается соответствующими тестами.

Авторы данной работы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания НТЦ УП РАН (проект FFNS-2022-0009).

Список литературы

Вагин В.А., Мошкин Б.Е. // Оптич. журн. 2019. Т. 86. № 2. С. 52.
Балашов А.А., Мартьянов П.С., Хорохорин А.И. // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 1. С. 143.
Мартьянов П.С., Вагин В.А., Хорохорин А.Н. // РЭ. 2023. Т. 68. № 12. С. 1247.
Золотарев В.М. Методы исследования материалов фотоники. СПб.: ИТМО, 2008.
Вагин В.А., Хорохорин А.И. // Физические основы приборостроения. 2020. Т. 9. № 4. С. 64.
Вагин В.А., Хорохорин А.И. // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 6. С. 130.
Турыгин А.Ю., Хорохорин А.И., Вагин В.А. Программа регистрации, визуализации, обработки и хранения данных, полученных с помощью фурье-спектрометра. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023684221// Опубл. офиц. бюл. «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». 2023. № 11.