Features of the system for registration and storage of information of a multichannel Fourier spectrometer

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A system for collecting, processing and storing information for a multichannel Fourier spectrometer is considered. The functional diagram of the electronic part of the device, a block diagram, as well as a brief description of the software that allows measurements to be carried out in an automated mode and to be able to record and store the received data are given. An experiment was conducted and the results obtained were analyzed.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Многоканальные фурье-спектрометры позволяют проводить комплексные спектральные исследования объекта. Использование систем зондов с оптоволокнами разных спектральных диапазонов позволяет одновременно вычислять спектр пропускания, спектр нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и спектр отражения. Данные приборы могут применяться в различных отраслях промышленности, в первую очередь на технологических линиях для одновременного и непрерывного контроля за ключевыми участками производственного процесса. Известны спектрометры, которые решают эту задачу переключением прибора с одного зонда на другой. Существует единственный многозондовый фурье-спектрометр модели MATRIX-F, предназначенный для измерений в ближнем ИК-диапазоне в режиме реального времени. Этот прибор оснащен шестью зондами, которые можно переключать, измеряя последовательно шесть различных объектов, однако такие приборы не могут обеспечить проведение непрерывных и одновременных спектральных измерений всех выбранных объектов. Общая схема построения многоканального спектрометра приведена на рис. 1.

 

Рис. 1. Схема построения многозондового спектрометра.

 

Излучение из интерферометра освещает общий вход многозондовой системы. Оно распределяется между зондами и поступает на соответствующие измерительные головки и далее направляется на фотоприемники [5, 6].

1. ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ МНОГОКАНАЛЬНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА

Была разработана функциональная схема многоканального фурье-спектрометра (рис. 2), которая обеспечивает регистрацию интерферограмм, прием и передачу данных в компьютер, а также их хранение в автономном режиме.

 

Рис. 2. Функциональная схема многоканального фурье-спектрометра.

 

Присутствие линейного двигателя (ЛД) указывает на то, что данная схема описывает спектрометр динамического типа. Привод подвижного отражателя (ППО) обеспечивает перемещение триэдра интерферометра спектрометра с постоянной скоростью. Фотодиод принимает излучение с лазера, в результате на выходе диода образуется гармонический сигнал с постоянной частотой и амплитудой. Моменты перехода сигналов через нулевое значение используются для запуска аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые входят в состав системы сбора данных (ССД). В систему также входит микроконтроллер (МК), приемники инфракрасного излучения (ИК-излучения) П1, П2, П3 с усилителями A1, A2, A3, USB-мост, карта памяти и панель управления для ввода параметров регистрации. Карта памяти и сенсорная панель являются опцией.

Приемники ИК-излучения П1…П3 принимают поток излучателя, промодулированный интерферометром спектрометра (интерферограмму). Все АЦП запускаются одновременно. Выходные данные АЦП побайтно поступают в оперативно запоминающие устройство (ОЗУ) МК. Вслед за словом АЦП 18 бит идут 14 бит скорости сканирования подвижного отражателя. Размер массива потока данных ОЗУ определяется задаваемым спектральным разрешением. После заполнения массива ОЗУ происходит копирование данных в персональный компьютер (ПК) через USB-мост. Микроконтроллер помимо приема/передачи потока данных, формирует сигнал поворота подвижного отражателя.

Перечисленные задачи могли бы решать ССД моделей USB-6212-BNC(NI), USB1616HS-BNC (Measurement Computing), MPS-140801, но их адаптация потребовала бы серьезных изменений уже разработанного программного обеспечения спектрометра.

В процессе проектирования, была разработана структурная схема ССД (рис. 3). Ядром структуры является микроконтроллер семейства ARM модели STM32F767. В процессе работы системы параметры регистрации задаются с помощью сенсорной панели и считываются микроконтроллером с использованием интерфейса USART. Карта SDHC предназначена для записи или чтения интерферограмм, она подключена к МК через интерфейс SPI. Микросхемы АЦП в процессе работы преобразуют аналоговый сигнал интерферограмм в цифровой для дальнейшей обработки в ПК. АЦП запускаются сигналами CNV и RD. После завершения оцифровки данных микросхемы АЦП поочередно отправляет на МК сигналы BUSY. Обмен данными между МК и АЦП осуществляются через порты F и D. МК передает и принимает информацию через USB-мост по цифровому порту Е. Подключение ПК к устройству осуществляется через USB-мост.

 

Рис. 3. Структурная схема системы сбора данных.

 

2. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МНОГОКАНАЛЬНОГО ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для возможности работы с фурье-спектрометром было разработано программное обеспечение (ПО) для регистрации, обработки и хранения данных на ПК. Данное ПО работает в операционной системе Windows. Для реализации ПО использовались языки программирования С++ и Qt (подробнее см. [1, 4, 7]).

Апробация ПО была проведена в трехканальном режиме. Скриншот ПО представлен на рис. 4. На вход первого канала подавался меандр с частотой 100 Гц, на вход второго – синусоидальный сигнал от генератора модели ГЗ 118 с частотой 600 Гц, вход третьего канала был заземлен. На рис. 5а показан выделенный программно меандр по одному каналу, а на рис. 5б – сигнал синусоиды по другому каналу [2, 3].

 

Рис. 4. Интерферограмма одновременной регистрации трех сигналов (02.10.2021 в 16:12:53).

 

Рис. 5. Программное выделение сигнала меандра по первому каналу (а) и синусоиды по второму каналу (б).

 

Выделенные сигналы полностью соответствуют по частоте и амплитуде сигналам, поданным на соответствующие входы ССД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы получены следующие результаты.

Разработана оригинальная электронная система фурье-спектрометра, а также программы регистрации и обработки данных, что подтверждается авторским свидетельством.

Проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены характеристики, удовлетворяющие заданным требованиям, а работоспособность программного обеспечения доказывается соответствующими тестами.

Авторы данной работы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках государственного задания НТЦ УП РАН (проект FFNS-2022-0009).

×

About the authors

V. A. Vagin

Scientific and Technological Centre of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

Email: La3232@mail.ru
Russian Federation, Butlerova str.,15, Moscow, 117342

P. S. Martyanov

Scientific and Technological Centre of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: La3232@mail.ru
Russian Federation, Butlerova str.,15, Moscow, 117342

A. I. Khorokhorin

Scientific and Technological Centre of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

Email: La3232@mail.ru
Russian Federation, Butlerova str.,15, Moscow, 117342

References

  1. Вагин В.А., Мошкин Б.Е. // Оптич. журн. 2019. Т. 86. № 2. С. 52.
  2. Балашов А.А., Мартьянов П.С., Хорохорин А.И. // Приборы и техника эксперимента. 2019. № 1. С. 143.
  3. Мартьянов П.С., Вагин В.А., Хорохорин А.Н. // РЭ. 2023. Т. 68. № 12. С. 1247.
  4. Золотарев В.М. Методы исследования материалов фотоники. СПб.: ИТМО, 2008.
  5. Вагин В.А., Хорохорин А.И. // Физические основы приборостроения. 2020. Т. 9. № 4. С. 64.
  6. Вагин В.А., Хорохорин А.И. // Приборы и техника эксперимента. 2021. № 6. С. 130.
  7. Турыгин А.Ю., Хорохорин А.И., Вагин В.А. Программа регистрации, визуализации, обработки и хранения данных, полученных с помощью фурье-спектрометра. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023684221// Опубл. офиц. бюл. «Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем». 2023. № 11.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the multi-probe spectrometer.

Download (90KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Functional diagram of a multichannel Fourier spectrometer.

Download (152KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Structural diagram of the data collection system.

Download (150KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Interferogram of simultaneous registration of three signals (10/02/2021 at 16:12:53).

Download (99KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Software selection of a meander signal on the first channel (a) and a sinusoid on the second channel (b).

Download (111KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».