鮑亦澄，陳宜保，孫文博，王合英

(清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

?

基于微控制器的拉曼光譜儀控制系統(tǒng)

鮑亦澄，陳宜保，孫文博，王合英

(清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

使用STM32F303微控制器為核心，重新設(shè)計(jì)了高精度長(zhǎng)焦距雙光柵光譜儀(SPEX1403)的控制系統(tǒng). 重新設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有測(cè)量拉曼光譜的全部功能，具有完善的可編程加減速功能，并使用USB VCP協(xié)議與計(jì)算機(jī)通訊.

拉曼光譜儀；控制系統(tǒng)；微控制器；USB虛擬串口

80年代初進(jìn)口的高精度長(zhǎng)焦距雙光柵光譜儀(型號(hào)SPEX1403)，原用于拉曼光譜教學(xué)實(shí)驗(yàn)，該光譜儀分辨率高(0.15 cm-1)[1]，專門為拉曼光譜測(cè)量設(shè)計(jì). 控制器在實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常發(fā)生故障，無法啟動(dòng)，即使啟動(dòng)成功，實(shí)驗(yàn)過程中也經(jīng)常發(fā)生死機(jī)或者顯示錯(cuò)亂. 而且受當(dāng)時(shí)技術(shù)所限，原來的控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上比較笨重，且缺少內(nèi)部存儲(chǔ)器，若干重要參量無法保存，必須每次開機(jī)后設(shè)置，使用不夠方便. 但該光譜儀的光學(xué)和機(jī)械部件極為優(yōu)良，是1臺(tái)非常有價(jià)值的光譜儀器，也有其他研究人員對(duì)該型號(hào)光譜儀控制系統(tǒng)進(jìn)行改造的先例[2-3]. 為了繼續(xù)利用該光譜儀進(jìn)行教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)，筆者采用ARM控制芯片，重新設(shè)計(jì)并制作了光譜儀控制器，使得這臺(tái)具有高分辨率的長(zhǎng)焦距光譜儀重新在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮作用.

1 拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示. 控制核心使用STM32F303微控制器. 該微控制器是基于ARM Cortex-M4核心的32位微控制器，不但具有強(qiáng)大的計(jì)算性能，還有豐富的外部設(shè)備.

圖1 拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

通過內(nèi)置的通用串行總線物理層控制器(USB PHY)可以方便、高速地與計(jì)算機(jī)連接. 該微控制器同時(shí)負(fù)責(zé)USB通訊、命令解析以及脈沖信號(hào)的產(chǎn)生等工作，使得電路核心只需1片芯片，減小了電路的規(guī)模[4].

由于使用了USB接口作為通訊接口，此系統(tǒng)的控制器非常小巧(僅3.5英寸硬盤大小)，且只需通過1條USB連接線連接計(jì)算機(jī)，避免了某些改造方式需要拆開計(jì)算機(jī)機(jī)箱安裝專用板卡的麻煩，并且也不需要過時(shí)的并行接口，使得普通筆記本電腦也能輕松使用該控制器運(yùn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn). 所有的脈沖生成和安全功能都由控制器硬件掌控，具有最高的優(yōu)先級(jí)，不會(huì)因?yàn)閁SB傳輸失敗或者計(jì)算機(jī)運(yùn)行非實(shí)時(shí)操作的原因而造成脈沖不穩(wěn)定，甚至發(fā)生危險(xiǎn).

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件基于成品STM32F3 DISCOVERY 開發(fā)板，引出其自帶的USB接口和GPIO，并將部分GPIO連接至LED和DB-25接口. 其中LED為指示用，DB-25接口則負(fù)責(zé)傳輸脈沖控制信號(hào)至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(Mini Step Driver, MSD).

常用的USB設(shè)備通常需要配置傳輸端點(diǎn)，使用前需要安裝特定的USB驅(qū)動(dòng)程序. 由于本系統(tǒng)并沒有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?只需要傳輸命令)，此處使用這樣的開發(fā)模式不但沒有必要，而且由于編寫基于libusb的上位機(jī)具有一定難度，提高了研究人員進(jìn)一步開發(fā)控制器的門檻.

為此，筆者選擇了基于USB通訊設(shè)備類(Communication device class, CDC)[5-6]的USB虛擬串口(Virtual COM port, VCP)傳輸模式. 大部分常用的操作系統(tǒng)(包括Windows, Linux, OS X)都預(yù)裝了USB VCP驅(qū)動(dòng)程序，一般只要插上該控制器即可正確識(shí)別，并且添加一虛擬串口設(shè)備(在Windows下一般為COM*，在Linux和OS X下一般位于/dev/tty.usbmodem*，*為系統(tǒng)分配序號(hào)). 此串口設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)備相同，原來能通過串口通訊的程序無需修改即可直接應(yīng)用于該設(shè)備. 注意到USB VCP設(shè)備沒有像普通串口規(guī)定波特率，其傳輸速率可以達(dá)到USB協(xié)商速率(在本控制器上，為USB 2.0全速，即12 Mbps)，遠(yuǎn)超一般RS232串口的11.52 Mbps的速率. 引入U(xiǎn)SB VCP使得普通用戶可以僅憑借串口編程的知識(shí)，輕松體驗(yàn)USB接口的高速傳輸速率的優(yōu)勢(shì).

為了方便使用，本控制器預(yù)留了若干個(gè)指示運(yùn)行狀態(tài)的LED指示燈，可以讓使用者清楚地了解到控制器的運(yùn)行狀態(tài)(是否正在運(yùn)行，波數(shù)運(yùn)行方向，脈沖信號(hào)速度，USB通訊指示等).

3 微控制器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通訊通過自定義的命令集來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定實(shí)驗(yàn)參量、回讀設(shè)定參量、運(yùn)行、運(yùn)行情況查詢等實(shí)驗(yàn)必需功能. 此外，本系統(tǒng)也為拉曼光譜測(cè)量添加了若干實(shí)用功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

此光譜儀使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)正弦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來移動(dòng)光柵到合適角度，從而實(shí)現(xiàn)波數(shù)的掃描. 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，需要使用低于最大空載啟動(dòng)頻率的脈沖，如果直接使用高速脈沖啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，將由于扭矩不足而造成步進(jìn)電機(jī)丟步. 對(duì)于此光譜儀現(xiàn)有的開環(huán)系統(tǒng)，丟步將造成未知的光柵角度，從而造成錯(cuò)誤的光譜掃描范圍.

為了解決該問題，必須引入合適的加速和減速脈沖序列，來實(shí)現(xiàn)緩慢的加速過程[7-8]. 系統(tǒng)使用STM32內(nèi)置高級(jí)定時(shí)器可以生成所需要的時(shí)鐘，配合軟件實(shí)現(xiàn)自定義的加減速脈沖序列，在實(shí)際使用中，定義了256點(diǎn)的脈沖間隔序列，其加減速效果良好，在反復(fù)啟停測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)丟步.

由于光譜儀的光程長(zhǎng)、拉曼光譜信號(hào)弱，故系統(tǒng)采用具有高量子效率的光電倍增管作為光電探測(cè)器. 但光電倍增管不能接受強(qiáng)光的照射，工作情況下的強(qiáng)光照射將導(dǎo)致其損壞. 在拉曼光譜測(cè)量中，必然需要用到較強(qiáng)的激光，也必然會(huì)在激發(fā)出拉曼信號(hào)的同時(shí)激發(fā)出更強(qiáng)的瑞利散射信號(hào)，如果掃描范圍中包含了所使用的激光的波長(zhǎng)(如直接從反斯托克斯峰掃描到斯托克斯峰，必然經(jīng)過與泵浦激光同頻率的瑞利散射峰)，那么較強(qiáng)的瑞利散射信號(hào)就有可能對(duì)光電倍增管造成損害.

本系統(tǒng)可以直接通過USB VCP設(shè)定激光波長(zhǎng)的范圍，并在運(yùn)行中產(chǎn)生正確的快門信號(hào)，當(dāng)掃描到設(shè)定的激光波長(zhǎng)范圍時(shí)，自動(dòng)用機(jī)械快門擋住光電倍增管，實(shí)現(xiàn)對(duì)光電倍增管的保護(hù).

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)USB VCP類似于標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)備的原理，LabVIEW程序可以直接通過VISA讀寫模塊對(duì)虛擬串口設(shè)備進(jìn)行操作，即格式化生成所需的命令字符串并發(fā)送，然后查詢控制器返回的運(yùn)行結(jié)果即可.

筆者為拉曼光譜實(shí)驗(yàn)所編寫的LabVIEW控制程序界面截圖如圖2所示. 在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以設(shè)定到簡(jiǎn)單模式，程序會(huì)自動(dòng)設(shè)定好參量并且發(fā)送到控制器，一方面防止學(xué)生對(duì)控制器不熟悉，錯(cuò)誤操作造成故障；另一方面，也防止過多參量的設(shè)置給學(xué)生帶來壓力. 對(duì)于科研人員，可以在切換到高級(jí)模式后，詳細(xì)地調(diào)節(jié)控制器的各個(gè)參量，優(yōu)化掃描過程.

圖2 LabVIEW程序界面

控制系統(tǒng)改造完成，已經(jīng)成功應(yīng)用于近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，圖3是利用本系統(tǒng)測(cè)量到四氯化碳和酒精的拉曼光譜圖. 本項(xiàng)目也為在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)一些高精度指標(biāo)的舊儀器裝備進(jìn)行基于現(xiàn)代通信技術(shù)接口的改進(jìn)，使其使用更為方便，在教學(xué)中發(fā)揮更大的作用.

(a)CCl4

(b)C2H6O

5 結(jié)束語

基于微控制器的拉曼光譜儀控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光譜儀的自動(dòng)控制，可以讓拉曼光譜教學(xué)實(shí)驗(yàn)順利開展，提高了光譜的分辨精度，從而使開展更多的研究性實(shí)驗(yàn)成為可能，同時(shí)還能讓學(xué)生更好地接觸到科研級(jí)別的拉曼測(cè)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣. 由于控制器的性能較好，且具有可編程性，易于后續(xù)開發(fā)更新或者推廣.

[1] SPEX Industries, Inc. SPEX-1403 operation & maintenance instructions [Z]. 1984.

[2] 繆鳳英,王華,唐新桂,等. SPEX-1403拉曼光譜儀掃描控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J]. 光散射學(xué)報(bào), 2000，12(1):46-48.

[3] 彭衛(wèi)群,歐榕,韋國恒,等. SPEX-DM1B替代系統(tǒng)BD-POW的研制[J]. 光散射學(xué)報(bào),1993，5(1):28-32.

[4] STMicroelectronics. STM32F303VC reference ma-nual [Z]. 2015.

[5] 吳明琪,馬潮. 嵌入式系統(tǒng)的USB虛擬串口設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005(4):62-63.

[6] 方旭. 基于STM32處理器的兩種USB通信方法的實(shí)現(xiàn)[J]. 科技信息,2010(21):589-591.

[7] 楊超,張冬泉. 基于S曲線的步進(jìn)電機(jī)加減速的控制[J]. 機(jī)電工程,2011,28(7):813-817.

[8] 儀慧玲,張仁杰. 基于STM32的步進(jìn)電機(jī)S曲線加減速算法的優(yōu)化[J]. 信息技術(shù),2015(3):178-181.Raman spectrometer control system based on microcontroller

[責(zé)任編輯：任德香]

BAO Yi-cheng, CHEN Yi-bao, SUN Wen-bo, WANG He-ying

(Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

The control system for a high resolution double Raman spectrometer was rebuilt based on a STM32F303 microcontroller. This control system included all the function needed for Raman spectrum measurement, guaranteeing high performance with programmable acceleration. The system utilized USB VCP protocol through full-speed USB port to communicate with computer, making it easy to develop software for host computer and extend the system for other experiments.

Raman spectrometer; control system; microcontroller; USB virtual COM port

2016-05-31；修改日期：2016-09-07

教育部基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃資助(No.20160204)；基金委基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)資助(No.J1210018)

鮑亦澄(1995-),男，浙江杭州人，清華大學(xué)物理系2013級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：陳宜保(1973-)，男，湖北興山人，清華大學(xué)物理系高級(jí)工程師，碩士，主要從事實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)工作.

TH744.1; TP332

A

1005-4642(2016)11-0007-03

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文