基于微控制器的拉曼光譜儀控制系統

鮑亦澄，陳宜保，孫文博，王合英

(清華大學 物理系，北京 100084)

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基于微控制器的拉曼光譜儀控制系統

鮑亦澄，陳宜保，孫文博，王合英

(清華大學 物理系，北京 100084)

使用STM32F303微控制器為核心，重新設計了高精度長焦距雙光柵光譜儀(SPEX1403)的控制系統. 重新設計的控制系統具有測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協議與計算機通訊.

拉曼光譜儀；控制系統；微控制器；USB虛擬串口

80年代初進口的高精度長焦距雙光柵光譜儀(型號SPEX1403)，原用于拉曼光譜教學實驗，該光譜儀分辨率高(0.15 cm-1)[1]，專門為拉曼光譜測量設計. 控制器在實驗過程中經常發生故障，無法啟動，即使啟動成功，實驗過程中也經常發生死機或者顯示錯亂. 而且受當時技術所限，原來的控制系統在設計上比較笨重，且缺少內部存儲器，若干重要參量無法保存，必須每次開機后設置，使用不夠方便. 但該光譜儀的光學和機械部件極為優良，是1臺非常有價值的光譜儀器，也有其他研究人員對該型號光譜儀控制系統進行改造的先例[2-3]. 為了繼續利用該光譜儀進行教學和科研實驗，筆者采用ARM控制芯片，重新設計并制作了光譜儀控制器，使得這臺具有高分辨率的長焦距光譜儀重新在近代物理實驗教學中發揮作用.

1 拉曼光譜測量系統的結構

拉曼光譜測量系統的結構圖如圖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，不但具有強大的計算性能，還有豐富的外部設備.

圖1 拉曼光譜測量系統的結構圖

通過內置的通用串行總線物理層控制器(USB PHY)可以方便、高速地與計算機連接. 該微控制器同時負責USB通訊、命令解析以及脈沖信號的產生等工作，使得電路核心只需1片芯片，減小了電路的規模[4].

由于使用了USB接口作為通訊接口，此系統的控制器非常小巧(僅3.5英寸硬盤大小)，且只需通過1條USB連接線連接計算機，避免了某些改造方式需要拆開計算機機箱安裝專用板卡的麻煩，并且也不需要過時的并行接口，使得普通筆記本電腦也能輕松使用該控制器運行整個實驗. 所有的脈沖生成和安全功能都由控制器硬件掌控，具有最高的優先級，不會因為USB傳輸失敗或者計算機運行非實時操作的原因而造成脈沖不穩定，甚至發生危險.

2 硬件設計

本系統硬件基于成品STM32F3 DISCOVERY 開發板，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接口則負責傳輸脈沖控制信號至步進電機驅動器(Mini Step Driver, MSD).

常用的USB設備通常需要配置傳輸端點，使用前需要安裝特定的USB驅動程序. 由于本系統并沒有大量數據傳輸的需求(只需要傳輸命令)，此處使用這樣的開發模式不但沒有必要，而且由于編寫基于libusb的上位機具有一定難度，提高了研究人員進一步開發控制器的門檻.

為此，筆者選擇了基于USB通訊設備類(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(包括Windows, Linux, OS X)都預裝了USB VCP驅動程序，一般只要插上該控制器即可正確識別，并且添加一虛擬串口設備(在Windows下一般為COM*，在Linux和OS X下一般位于/dev/tty.usbmodem*，*為系統分配序號). 此串口設備和標準串口設備相同，原來能通過串口通訊的程序無需修改即可直接應用于該設備. 注意到USB VCP設備沒有像普通串口規定波特率，其傳輸速率可以達到USB協商速率(在本控制器上，為USB 2.0全速，即12 Mbps)，遠超一般RS232串口的11.52 Mbps的速率. 引入USB VCP使得普通用戶可以僅憑借串口編程的知識，輕松體驗USB接口的高速傳輸速率的優勢.

為了方便使用，本控制器預留了若干個指示運行狀態的LED指示燈，可以讓使用者清楚地了解到控制器的運行狀態(是否正在運行，波數運行方向，脈沖信號速度，USB通訊指示等).

3 微控制器軟件設計

本系統的通訊通過自定義的命令集來實現，實現了設定實驗參量、回讀設定參量、運行、運行情況查詢等實驗必需功能. 此外，本系統也為拉曼光譜測量添加了若干實用功能，保證了系統的穩定運行.

此光譜儀使用步進電機帶動正弦驅動機構來移動光柵到合適角度，從而實現波數的掃描. 步進電機啟動時，需要使用低于最大空載啟動頻率的脈沖，如果直接使用高速脈沖啟動步進電機，將由于扭矩不足而造成步進電機丟步. 對于此光譜儀現有的開環系統，丟步將造成未知的光柵角度，從而造成錯誤的光譜掃描范圍.

為了解決該問題，必須引入合適的加速和減速脈沖序列，來實現緩慢的加速過程[7-8]. 系統使用STM32內置高級定時器可以生成所需要的時鐘，配合軟件實現自定義的加減速脈沖序列，在實際使用中，定義了256點的脈沖間隔序列，其加減速效果良好，在反復啟停測試中未發現丟步.

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

本系統可以直接通過USB VCP設定激光波長的范圍，并在運行中產生正確的快門信號，當掃描到設定的激光波長范圍時，自動用機械快門擋住光電倍增管，實現對光電倍增管的保護.

4 上位機軟件設計

根據USB VCP類似于標準串口設備的原理，LabVIEW程序可以直接通過VISA讀寫模塊對虛擬串口設備進行操作，即格式化生成所需的命令字符串并發送，然后查詢控制器返回的運行結果即可.

筆者為拉曼光譜實驗所編寫的LabVIEW控制程序界面截圖如圖2所示. 在教學實驗中，可以設定到簡單模式，程序會自動設定好參量并且發送到控制器，一方面防止學生對控制器不熟悉，錯誤操作造成故障；另一方面，也防止過多參量的設置給學生帶來壓力. 對于科研人員，可以在切換到高級模式后，詳細地調節控制器的各個參量，優化掃描過程.

圖2 LabVIEW程序界面

控制系統改造完成，已經成功應用于近代物理實驗教學，圖3是利用本系統測量到四氯化碳和酒精的拉曼光譜圖. 本項目也為在物理實驗教學中對一些高精度指標的舊儀器裝備進行基于現代通信技術接口的改進，使其使用更為方便，在教學中發揮更大的作用.

(a)CCl4

(b)C2H6O

5 結束語

基于微控制器的拉曼光譜儀控制系統實現了對光譜儀的自動控制，可以讓拉曼光譜教學實驗順利開展，提高了光譜的分辨精度，從而使開展更多的研究性實驗成為可能，同時還能讓學生更好地接觸到科研級別的拉曼測量，激發了學生的學習興趣. 由于控制器的性能較好，且具有可編程性，易于后續開發更新或者推廣.

[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據采集系統的研制[J]. 光散射學報, 2000，12(1):46-48.

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

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

[5] 吳明琪,馬潮. 嵌入式系統的USB虛擬串口設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2005(4):62-63.

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

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

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

[責任編輯：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

教育部基礎學科拔尖學生培養試驗計劃資助(No.20160204)；基金委基礎科學人才培養資助(No.J1210018)

鮑亦澄(1995-),男，浙江杭州人，清華大學物理系2013級本科生.

指導教師：陳宜保(1973-)，男，湖北興山人，清華大學物理系高級工程師，碩士，主要從事實驗物理教學工作.

TH744.1; TP332

A

1005-4642(2016)11-0007-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文