基于单片机技术的拉曼光谱仪控制系统开发外文翻译资料

 2022-05-05 22:06:07

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基于单片机技术的拉曼光谱仪控制系统开发

Alejandro J. Gimeacute;nez*, Rivelino Flores Fariacute;as, J. M. Yaacute;ntilde;ez-Limoacute;n

Centro de Investigacioacute;n y de Estudios Avanzados del Instituto Politeacute;cnico Nacional Unidad Quereacute;taro.

Libramiento Norponiente No. 2000. Fracc. Real de Juriquilla, CP 76230 Quereacute;taro, Qro., 墨西哥

*agomez@qro.cinvestav.mx

摘要

通过使用基于微控制器技术的电子装置已经为拉曼光谱仪开发了电子控制系统。 利用这些微控制器，可以模拟出来能够执行复杂任务的控制电路，例如单色器步进电机控制以及拉曼光谱过程中所需要用到的光电倍增管脉冲计数。 这种方法可以用来给宝贵的科学仪器和工具带来新的生命前景。 它所建立的拉曼光谱仪控制功能现在已经能全面运行，并且与Windows 7兼容。为了确认开发出来的控制系统的正确操作，我们介绍了众所周知的材料的拉曼光谱以此来比较结果。

关键词：拉曼光谱，微控制器，光电倍增管。

简历

已经使用基于微控制器技术的电子技术开发了用于拉曼光谱仪的电子控制系统。 利用微控制器，我们可以模拟出来能够执行复杂任务的电子电路，例如控制单色器的步进电机，并且保持拉曼光谱过程中所需要的光子计数。 这个提议可以用来“重振”高成本的科学仪器和工具。 由于开发的电子元件而重建的光谱仪功能齐全，并且与Windows7兼容。 介绍了其拉曼光谱为比较目的而广为人知并证明所提出的控制系统的正确功能的材料的结果。

1.介绍

由于控制这些设备的电子设备故障导致的技术问题，在实验室中常见的问题是有价值的设备停止工作。通常其余的机构，光学器件或设备的一般部件处于良好状态。但是，当设备使用几年时，更换控制电路是非常困难的。有时候设备制造商会倒闭，并且要么得到备件，要么不可能要么太贵。在这种情况下，许多有价值的实验室仪器变得毫无用处，需要花费大量资金来更换设备。

在这项工作中，我们展示了如何通过开发自制控制系统电子来为旧仪器带来新生命。关键是要阐述这个电子是使用微控制器设备。微控制器是低成本的芯片上的计算机，包括非易失性存储器，RAM，算术和逻辑处理单元，外设，ADC转换器以及许多其他功能，可用于以简单的方式构建强大的电子电路[1,2]。

我们所研究的拉曼光谱仪[3]设备来自现在属于Horiba的Jobin-Yvon。它使用SPEX 1403单色器，该器件具有用于高分辨率和光检测的双衍射光栅，这是Research Inc. K943-02光电倍增管的产品。最初，单色器使用SPEX MSD-2驱动器接口进行控制。经过几年的操作后，界面开始呈现一些通信问题，直到完全失去通信与个人电脑。广泛的评估没有发现任何明显的问题，但使用此驱动程序操作单色仪仍是不可能的。无法控制单色器使光谱仪无法使用。

使用这种设备的另一个问题是它的复杂性。原始控制系统需要两台计算机 - 一台PC通过MSD-2驱动器连接单色仪，另一台PC使用PCI采集卡从光电倍增管获取数据。两台个人电脑都运行Windows 95，由于难以保持这种旧计算设备的正常运行，这成为了问题。因此，我们决定构建一个能够执行所需控制和数据采集任务的电子控制系统，该电路板还需要能够使用Windows 7与新电脑进行通信。建议的功能将确保开发的拉曼光谱仪控制多年来。

本文的目标之一是鼓励其他研究团队在既不可能也不切实可行的情况下开发自己的控制界面，以获取修复非工作仪器所需的原始备件。在这项工作中，我们指出了我们成

功用于项目的工具和技术。

  1. 方法

第一步是分析拉曼光谱分析所需的功能[4,5]。 待表征的样品用激光激发。 来自样本的“响应”（反射和散射光以及其他电磁事件）进入单色器，其使用衍射选择性地分离光; 一个机构移动反射镜和衍射光栅以从光输入中选择所需的波数。 该分析的目的是测量特征样品的非弹性斯托克斯和反斯托克斯散射光谱。 获得的数据提供了有关样本结构的有价值的信息。 通常当使用激光激发材料时，弹性散射占主导地位并且非弹性散射非常弱，因此需要非常灵敏的光检测器。 在我们的设备中，使用光电倍增管进行光检测，该光电倍增管是能够检测单光子的非常灵敏的设备。要使用我们的设备控制拉曼光谱过程，需要以下内容：1）控制步进电机用于定位单色器的功率驱动器; 2）高压DC光电倍增管源; 3）脉冲计数采集模块，以及4）到PC的通信端口。

为了完成所需的任务，我们选择构建控制系统的微控制器是Atmel的Atmega8。该器件是一款8位RISC架构微控制器，具有用于程序存储的8 Kb闪存，1 Kb静态RAM，8位和16位定时器计数器等外设功能，串行通信端口以及23条可编程输入/输出线[ 6]。为了编写微控制器的软件，我们使用了BASCOM-AVR Basic编译器[7]。它易于使用并生成高效的代码，可以下载到Atmelmicrocontrollers程序中。为了编程微控制器，我们使用了Atmel AVRISP mkII编程器[8]。

由于微控制器的高容量，可以执行用单个电路来控制拉曼光谱过程所需的所有任务。在制造长期使用的电子电路时，建议制造印刷电路板（PCB），而不是在原型制造面包板上工作。设计PCB的软件有很多种选择，但大多数都太昂贵。对于像这样的一次性项目，可以使用一些功能较弱但免费或低成本的学术版本。

光电倍增管需要使用高压直流稳压电源。我们采用了原始设备中使用的相同模块，即伽玛高压的MC30模块。连接到12伏直流电时，该模块能够提供高达3千伏的直流电。

PC通信

为了在电路板和PC之间建立通信，我们使用了一个RS-232端口[9]。 RS-232串行端口不再是全新PC的标准配置，但它们在I / O设备（如数据采集卡）中很普遍，

并且有很多USB转RS232转换器可以轻松获得。我们实现这个RS232端口的方式是使用MAX232 [10]集成电路。所使用的端口电路图如图所示

图1.该串行端口在软件中配置为以19,200 bps，8个数据位和1个停止位发送和接收数据字节。

图1. RS232通信模块的电路图。 该模块通过DB9连接器连接到PC。 TX和RX连接到微控制器的外设串行通信线路

步进电机驱动器和快门控制

单色器步进电机是一个4线圈单极步进电机[11]。图2描述了每个线圈的驱动电路。线圈驱动器被顺序激活以正向移动电机。要移动单色器1 cm-1，需要25个步骤。我们测试了不同的阶跃脉冲宽度失效，并且在2毫秒时电机运动表现出最佳性能。 TIP110达林顿晶体管[12]用于切换线圈电流。该晶体管能够通过从微控制器施加小的控制电流来切换大电流。 1N4006二极管与线圈并联，有助于吸收线圈关闭时产生的反冲电压[13]。如果不使用这个二极管，产生的电压峰值会干扰微控制器的正常工作，并且会观察到不稳定的行为。作为保护光电倍增管避免曝光过度的安全功能，可以控制快门伺服机构。该机构由一个线圈组成，该线圈移动一个杆来移动快门并阻挡或曝光光线。它使用与步进电机线圈相同的电路进行控制。

图2.步进电机线圈驱动电路。 对于步进电机的四个线圈中的每一个，都有这些电路中的一个。 当步进电机移动时线圈依次通电。

光电倍增管高压源和脉冲计数

光电倍增管的MC30高压模块由稳压12伏直流电源供电。该电源由微控制器使用类似于用于激励电机线圈和快门的功率晶体管控制。此功能使高压电源可以通过软件进行安全且容易的控制。

在光谱学中，精确测量不同波长的光响应非常重要。当使用光电倍增管时，通过计数脉冲来测量光强度。在固定时间内的脉冲数量给出了测量光的相对强度。一个用于检测由光电倍增管产生的约30伏脉冲的鉴别器电路已经被使用，这些脉冲被转换为二分频的输出信号，因此输出信号为TTL，因此与实现的微控制器兼容。开发的系统能够检测低至500nS的脉冲;从这个最小脉冲宽度，可以检测到高达2 Mhz的频率。使用微控制器时，这项任务很容易执行，因为我们PCB中使用的微控制器包含一个16位定时器/计数器外设，能够在测量一段固定时间的同时对脉冲进行计数。 （积分时间）。在进行光测量时，可以通过软件操作积分时间以获得所需的分辨率。较长的积分时间将产生更好的分辨率，但表征会花费更长时间。

拉曼光谱仪控制框图

图3显示了开发的拉曼控制系统的框图。 大部分控制集成在同一块印刷电路板上; 此集成简化了控制系统与接口PC，单色器和光电倍增管的互连。

（a）

（b）波数（该值取决于用于样品激发的激光的类型，例如用于氩激光的20,480cm-1）

(c)

图3（a）。 更新的拉曼光谱设备的结构图。 电机驱动器，高压模块和脉冲计数集成在同一块印刷电路板上，因为这种集成使系统易于互连。 （b）光电倍增管产生的脉冲信号处理的图形描述，由微控制器计数。

（c）单极步进电机驱动器电路顺序

PC光谱软件

PCB控制电路中的微控制器执行基本任务，如单色器位移，高电压激活和脉冲计数。 但是，要使用我们的修复设备获得频谱，有必要整合所有这些功能。 使用PC是一种很好的方法，因为PC具有较大的处理能力，许多外围设备和软件工具可用于管理控制过程和数据。 另外，个人电脑价格合理，易于更换。

为了开发我们的光谱软件，我们使用了Visual Basic Express 2010，这是一个功能强大且易于使用的集成开发环境（IDE），用于开发PC软件应用程序。 Visual Basic Express是免费的; 只需要注册即可下载软件包。 在此编

程环境中，可以访问串行端口，因此我们使用虚拟串行端口在PC和控制PCB之间进行通信。 拉曼光谱仪软件的程序窗口如图4所示。

在光谱仪的程序界面窗口中，用户可以设置所需的参数以执行拉曼光谱表征：使用的串行端口，光谱起始波数; 谱最终波数; 以cm-1为单位的采样步长; 实际单色器位置; 文件名和积分时间（微秒）。 读取光电倍增管计数值的执行时间主要取决于用户设定的积分时间，这段时间可能短至10 mS，长达10秒。

图4.开发用于执行拉曼光谱的PC软件的程序窗口。 该软件与PCB连接以控制执行光谱所需的步进电机，高压和脉冲计数。

  1. 结果

构建的印刷电路板（20 x 20厘米）包含方法部分中描述的模块，如图5所示。尽管该设备执行的任务非常复杂，但电路简单。 电机驱动器能够在50秒内移动1000 cm-1，并且没有明显的位置误差。 高电压输出在激活时，以70兆欧的负载输出2,000伏直流电。 PC和控制电路板之间的数据通信是完美的。 光电倍增管脉冲计数在黑暗处（由于光热辐射[14]）约为每秒60次。

图5.构建的

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