光纤通信技术由于具有传输容量大、传输速率高、抗电磁干扰、保密性强等优点^{[1, 2, 3]},已经在军事^{[4, 5]}、工业^{[6, 7]}、农业^[8]和医疗卫生^[3]等各个领域得到了飞速发展和广泛应用,高性能的光纤通信系统对半导体激光器(LD)、发光二极管(LED)、光纤放大器等光有源器件和光学滤波器、光纤等光无源器件的光谱特性测试或光传输特性测试提出了更高的要求^{[9, 10]},光谱分析仪是上述光有源器件、光无源器件及光纤通信系统不可或缺的基础工作参数测试仪器,是发展高性能光纤通信系统的重要测试工具。

目前,大部分光谱分析仪产品多局限于物质的光谱分析^{[11, 12]},目的是得到物质的化学组成、含量或结构,本单位光谱分析仪采用双通光栅分光单元,工作在600~1 700 nm近红外通信波段,是一款应用于光通信领域,专门测量、分析和表征光有源和无源器件及光纤通信系统工作参数的近红外光谱分析仪^[13]。但近年来随着用户对光谱测试和分析要求的不断提高以及国外新型号同类竞争产品的推出,对光谱分析仪波形数据分析功能、测量速度、存储性能、人机交互灵活性、外部接口、可靠性和可生产性等方面提出了更高的要求。

光谱分析仪整机原理如图 1所示。入射光经工作于Littrow条件下的双通光栅分光单元分解成单色光,经由探测器转变成电信号,放大后经模数转换,测量模块将数字信号保存在双口RAM中并进行电平修正计算,同时还通过双口RAM读取计算机主控模块设定的波长、分辨率、光衰减值和光轴准直等参数,并传输给电机驱动模块,电机驱动模块以此为依据,产生驱动电压并通过电源模块控制直流无刷电机,直流无刷电机的转轴直接固定在光栅的转轴上,从而精确控制光栅转动。另外,电机驱动模块还分别驱动控制入射及出射狭缝、光轴对准、光衰减等电机,并把这些电机的位置数据反馈给测量模块。计算机主控模块通过双口RAM与测量模块交互,读取的来自测量模块的测量数据处理后作为纵坐标送LCD显示,读取通过光栅转动得到的扫描调谐波长值作为横坐标送LCD显示。同时,对波形数据的运算与分析,数据的存储与输出,外部接口以及键盘操作都是由计算机主控模块控制完成的。

图 1

Fig. 1

图 1 光谱分析仪整机原理图 Fig. 1 The schematic diagram of spectrometer

该系统目前存在的问题是计算机主控模块中采用16位M68000系列单片机作为主控及数据处理平台,其局限性表现在:

(1) 由于单片机系统资源有限,且为串行工作模式,应用于该模块须大量引脚复用,且模块中采用较多逻辑芯片来实现逻辑控制,这种设计模式导致光谱分析仪电路复杂,系统的可靠性和可生产性变差;

(2) 为实现系统多个模块协调工作,测量模块单片机和计算机主控模块单片机要不断监测中断产生,以相互交换总线控制权,导致测量速度相对较慢;

(3) 由于单片机系统资源和时钟频率的限制,波形数据处理速度过慢,且只能进行简单基本的波形数据计算,而不能全面深入的分析光谱特性;

(4) 由于单片机工作模式局限性,只有单一GPIB接口,不具有通用性。

另外,系统中内置软驱,不具有实用性,存储性能受到限制,还存在软件操作复杂、人机交互灵活性不足等问题。本文针对以上问题,利用双口RAM的双端口通信机制,提出一种基于工控板作为主控及数据处理平台,测量参数指令地址查询的光谱分析仪改进设计方法。

上述系统中双口RAM连接测量模块单片机和计算机主控模块单片机进行数据交互,是整个系统的核心。该双口RAM为8位输出,具有两套独立的地址线、数据线和逻辑控制线,允许左右两个处理器对其双端口存储器同时进行操作;具有两套独立的中断逻辑,左右两端各包含一个8位邮箱,通过向邮箱中读写数据,控制左右中断的开关,实现左右处理器间握手通信;具有两套独立的忙逻辑,避免左右处理器对同一地址同时写操作,或一个处理器写入数据的同时另一个处理器读出数据时产生的地址数据竞争,保证左右处理器同时对同一地址进行正确读写操作;还具有位数扩展机制,可级联输出多于8位的数据。

基于上述双端口通信机制,本文提出采用基于x86的高性能工控板代替单片机作为系统主控及数据处理平台,平台中使用FPGA控制PC/104总线作为主控处理器与双口RAM数据通信及控制总线;对双口RAM进行数据及地址位数拓展,并在双口RAM和测量处理器之间增加8位总线收发器,用于信号隔离和电平转换,其接口框图如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 主控处理器与测量处理器接口框图 Fig. 2 Interface block diagram of the master processor and the measurement processor

测量模块中FLASH存放系统的自检程序、全局变量、测量程序等主要下位机软件。改进的硬件系统结构的最大特点是在解决原光谱分析仪存在问题的前提下,最大限度兼容原有系统的双通光栅分光单元、数据采集、数据测量、电机驱动等成熟模块功能,FPGA作为下位机数据处理和控制芯片,产生局部总线协调PC/104总线接口模块的逻辑工作方式。系统开机并通过各功能状态自检后,各模块相互配合完成的工作有两部分,一是进行中心波长、扫描带宽、分辨带宽、视频带宽等参数的设置;二是进行单次扫描测量或连续扫描测量。无论进行哪部分工作,主控处理器都会通过PC/104总线接口将工作参数指令发送到双口RAM中,并同时对测量处理器产生中断,测量处理器读取中断信号和工作指令,根据指令内容通过FLASH控制程序协调控制各模块进行相关工作,工作完成后测量处理器通过双口RAM对主控处理器产生中断,以便提取参数设置值或测量数据,主控处理器将结果提取到SDRAM中,通过上位机软件进行进一步处理、分析并显示。高性能工控板内置2G DDR3板上内存,可整体提高数据测量速度和分析处理速度;在该工控板上进行基于Windows系统的上位机软件开发,可在优化人机交互灵活性的同时,全面深入开展光谱数据分析处理算法的研究;该工控板可拓展USB、Ethernet、DVI等外部接口,SATA II接口支持大容量硬盘,有效解决存储性能问题。

在系统的改进设计中,为了能够快速准确的将工作参数指令发送到双口RAM中,提出了一种测量参数指令地址查询的方法。由于新系统平台下,测量参数设置及扫描测量等工作指令在双口RAM中对应的地址并没有改变,本文利用单片机开发系统通过反汇编、地址映射、断点调试等手段将各操作工作参数指令和双口RAM地址一一对应起来,并跟踪得到指令的软件控制流程,工控板以此为依据通过查询的方式进行指令下达。具体方法如下:

(1) 将开发系统连接测量处理器单片机,该开发系统作用有两点:一是映射EPROM和FLASH内存地址,对其进行仿真读写和程序开发;二是设置调试断点,跟踪数据流向。

(2) 将双口RAM地址段设置为断点,当测量处理器和工控板发生数据交换和指令传递时,执行程序将进入断点对应地址。

(3) 以得到的地址为线索,跟踪得到相应工作参数对应的具体地址和工作指令的控制流程。

(4) 重复以上操作,将所有工作参数对应地址和控制流程具体化,并写入工控板上位机软件。

改进系统的整机软件基于Windows系统,具有友好的操作界面,并集成光源、光纤、光纤放大器、波分复用器、光滤波器等光谱数据分析方法,整机软件流程如图 3所示。主控处理器首先初始化FLASH内存和测量参数,测量处理器完成自检后,通过双口RAM读取测量参数并相应初始化光栅及狭缝位置,主控处理器通过查询工作参数地址下发工作指令,测量处理器根据双口RAM地址内容执行参数设置或扫描测量工作,并通知主控处理器接收数据作波形显示、参数显示、波形分析及文件操作等进一步处理。

图 3

Fig. 3

图 3 光谱分析仪软件流程图 Fig. 3 Software flow chart of the spectrometer

为验证改进设计方案的可行性和正确性,本文使用工控板主控及数据处理平台代替原计算机主控模块,在工控板中装入Windows系统,利用FPGA转接板与母板相连,将工控板内存地址空间0xD0000~0xD7FFF通过PC/104地址总线映射为双口RAM的地址0x900000~0x907FFF,该工控板通过上位机软件对内存地址空间0xD0000~0xD7FFF进行数据读写,双口RAM中对应地址的数据也相应变化,通过该方式上位机软件可按控制流程间接向双口RAM发送工作指令。指令发送完毕后工控板向双口RAM邮箱0x907FFF写入00H中断测量处理器,测量处理器根据相应工作指令执行参数设置或光谱扫描测量工作,工作完成后测量处理器向双口RAM地址0x907FFE写入01H通知工控板执行完毕。

二进制光谱数据值存储在双口RAM以0x901000开始的地址空间中,光谱采样点数可由光谱分析仪设定,图 4为某一次上位机读取的双口RAM中法布里-玻罗半导体激光器(FP-LD)的部分二进制光谱数据。

图 4

Fig. 4

图 4 光谱二进制数据 Fig. 4 Binary data of the spectrum

为得到光谱电平值,双口RAM中的二进制光谱数据还需要做进一步计算处理。该二进制光谱数据是以四字节为一个单位,代表一个科学计数法表示的十进制光谱数据点,其中前两个字节为指数位,后两个字节代表底数,通过下式可将该地址段中的二进制数据转换成十进制光谱功率值P,单位为mW:

然后,将线性刻度坐标转化为对数刻度坐标,得到光谱电平值L:

图 5

Fig. 5

图 5 1 550 nm FP-LD光源光谱波形图 Fig. 5 Spectrum of 1 550 nm FP-LD

为验证改进系统测量速度是否提高,分别用改进系统和原光谱分析仪测量可调谐分布反馈半导体激光器(DFB-LD)1 550 nm光谱,峰值电平为6 dBm。分别在分辨带宽为0.05 nm、0.07 nm、0.1 nm、0.2 nm、0.5 nm、1 nm时各测量5组光谱数据,改进系统和原光谱分析仪所用时间如图 6所示。

图 6

Fig. 6

图 6 测量时间比较 Fig. 6 The comparison ofmeasurement time

由图 6结合30组实验数据可以得出,改进系统测量速度较原光谱分析仪有较为明显的提高,原光谱分析仪30组实验平均测量时间为6.46 s,改进系统平均测量时间为1.05 s,平均测量时间缩短83.7%。

本文利用双口RAM的双端口通信机制,在兼容原光谱分析仪成熟模块的基础上,提出一种基于工控板代替单片机作为主控及数据处理平台,测量参数指令地址查询的光谱分析仪改进设计方法。实验证明,方案正确可行,采用新的系统平台后,可极大简化硬件系统结构和控制时间损耗,提高仪器的可靠性和可生产性;通过对上位机软件重新开发,在优化操作界面,增强人机交互灵活性的同时,使光谱数据分析功能更加强大;可对系统外部通信接口进行扩展,增强仪器的实用性;相对于原光谱分析仪,可有效缩短测量时间。