QE65000光纖光譜儀內部結構分析

裴 昊 亓夫軍

（中國海洋大學，山東 青島 266100）

1 QE65000光纖光譜儀概述

QE65000光纖光譜儀作為一種新型儀器，集探測器、光學平臺和電子學的最新科技于一身，構架了一個非常靈敏的系統。因其可以提供極高的光譜響應能力和光學分辨率，故可作為科學研究提供強有力的手段。事實上，在Ocean Optics公司研發的諸多產品中，QE65000光纖光譜儀最為靈敏，具有高達90%的量子效率（量子效率被定義為光子轉換為光電子的效率）、高速的信號處理速度以及高信噪比。故而在實際的科研應用中，QE65000光纖光譜儀非常適合用來測量光信號非常弱的情形，如熒光光譜、DNA序列、天文學研究，薄膜反射光測量等。

2 QE65000光纖光譜儀光學部分構成

2.1 QE65000光纖光譜儀內部構件

QE65000光譜儀內部構件及其功能：a.SMA連接器：連接光譜儀和光纖，光由輸入光纖通過此連接器進入光具座；b.狹縫：位于連接器之后，可以用狹縫大小來調節進入光具座的光亮，控制光譜分辨率；c.濾光器：光在進入光具座之前，先要通過濾光器，以限制波長范圍；d.準直光鏡：使進入光具座的光線匯聚到光譜儀的光柵上；e.光柵：使光線發生衍射，分散后的光線打在聚焦鏡上；f.聚焦鏡：將光線聚焦在CCD上；g.CCD探測器：QE65000核心部件；h.OFLV濾光片：消除高階衍射。

2.2 Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面陣探測器

QE65000光纖光譜儀采用了Hamamatsu S7031-1006 FFT-CCD背照式面陣探測器，分辨率為1044×64，測量波長可覆蓋200-1100nm。相比于線陣CCD，面陣式CCD探測器的優點體現在兩個方面。其一、面陣CCD通過內部電路對像素進行縱向的運算，顯著地提高了信噪比和信號處理速度。其二、面陣CCD可以更好地利用由于狹縫高度而獲得額外的入射光，大大地提高了系統的靈敏度。

由于該CCD結構為薄型背照式，所以它在紫外區具有與生俱來的極高的響應，它還可以通過板載的熱電致冷器（降溫達到 -15°C）來降低暗噪聲，使探測器的積分時間最多提升至15分鐘，大大提升微光應用下探測范圍。

3 QE65000光纖光譜儀電子部分構成(見圖)

QE65000光譜儀板的波長校準系數已寫入QE65000的存儲芯片里，通過光譜儀運行軟件可簡單方便地讀取這些光譜儀專有參數，校準光譜儀的測試波長，以實現與PC機的快速通訊。

3.1 QE65000光譜儀芯片結構

EZ-USB FX2芯片包括1個8051處理器、1個串行接口引擎SIE(Serial Interface Engine)、1個 USB 收發器、8.5KB 片上 RAM、4KB FIFO存儲器以及1個通用可編程接口（GPIF）。FX2是一個全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發時間。EZ-USB FX2擁有1個獨特的架構，其中包括1個智能串行接口引擎（SIE）。它執行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來以用于實現專用的功能，并保證其持續的高性能的傳輸速率。FX2還包括2個通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進行連接，并且它還支持所有通用總線標準，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USB FX2完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。

3.2 EZ-USB FX2 USB通訊原理

EZ-USB FX2提供了一種獨持架構，使USB接口和應用環境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數據傳輸但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO。這種被稱之為“量子 FIFO”（Quantum FIFO）的處理架構，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。

具體來說，USB執行OUT傳輸，將EP2端點設成512字節四重FIFO。在USB端和外部接口端都不知道有四重FIFO。USB端只要有一個FIFO為“半滿”，就可以繼續向外發送數據。而當FIFO寫“滿”時，FX2會自動將其轉換至外部接口端，排除等候讀取；并將USB接口隊列中下一個為“空”的FIFO轉移到USB接口上，以供其繼續寫數據。外部接口端與此相似，只要有一個FIFO為“半滿”，就可以繼續讀取數據。當前操作的FIFO讀“空”時，則自動將其轉換到USB接口端，排除等候寫入；并將外部接口隊列中下一個為“滿”的FIFO轉移到外部接口上，供其繼續讀取數據。

在USB協議中，定義端點作為數據的接收器和發送器。主機發送4個bit的地址和1個bit的方向來選擇端點，因此USB最多可有 32個端點定義：IN0～IN15和 OUT0～OUT15。在高速模式下的端點緩存結構中，FX2定義了7個端點。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點緩存。EP0是默認的控制傳輸端點，既是IN端點也是OUT端點。EP1IN、EP1OUT支持塊、中斷和同步傳輸。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件訪問；而EP2、4、6和8無需固件干涉即可同片外互傳高速數據。FX2端點配置方式非常靈活。EP2、4、6和8是大容量高帶寬的數據傳輸端點，可設為IN或OUT端點的一種，能配置成多種形式以適應帶寬需要。

全速模式時，每個OUT傳輸發送OUT數據包，并不考慮外設是否處于“忙”狀態而不能接收數據。針對這種浪費帶寬的情況，在高速模式時推薦使用新的PID類型“PING”。主機先對OUT端點發出個較短的“PING”，訪問當前外設是否有數據空間來存放OUT的數據包。僅僅當外部設備回答“ACK”時，主機才發送較長OUT數據包。

ACK（Acknowledge）表示成功，數據接收無誤。

NAK（Negative Acknowledge）表示忙，需要重新發送。

3.3 EZ-USB FX2串口連接器結構

除了采用USB通訊之外，QE65000光譜儀還備有一個30針的串口連接器，其高速電子系統還可以通過RS-232接口靈活的與各種組件和外部設備接駁，包括PC,PLC以及其他嵌入式設備。

30針串口連接器包含I2C總線系統，SPI總線系統，RS-232總線系統，10個用戶可編程的數字輸入/輸出線以及一個外部觸發線。在實際使用中一般通過PIN1(RS232 Rx):串口信號接收端；PIN 2(RS232 Tx):串口信號發送端；PIN 5(Ground):地線；PIN 12(VCC or 5VIN)5V:電源來進行串口通訊。

需要說明的是，在使用串口通訊時，QE65000光譜儀需要一個＋5V電源。同時Spectra Suite波譜軟件（儀器自帶軟件）也不支持通過串口操作光譜儀，需要根據附帶的串口命令集，自己編寫軟件用于串口操作。

[1]QE65000 Data Sheet.Ocean Optics

[2]QE65000 Fiber Optic Spectrometer Installation and Operation Manual.Ocean Optics