[0001] 本发明涉及油液原子发射光谱技术领域，尤其涉及一种同步光谱采集系统。

[0002] 油液原子发射光谱，又称旋转圆盘电极原子发射光谱(RDE‑AES)，是元素定量检测的分析方法，专门用于准确定量各种在油液中微量磨损元素的含量，从而判定润滑机构的磨损程度、磨损部位和综合状态，实现设备运行状况的监测和故障预警。具有直接进样、检测速度快、分析精度高等特点，应用于设备磨损监测、趋势预估、故障预警及提供针对性维保建议。油液原子发射光谱系统主要由进样系统、激发光源、分光系统、测控系统和终端输出系统五部分组成。基于原子发射光谱原理，通过进样系统将被测油液样品旋转带入石墨电极放电间隙，在激发光源的作用下，放电间隙放电，样品中各种元素的原子被激发，产生的复合光通过透镜和光纤，进入分光系统，色散分光后，元素特征光谱按波长大小依次被色散并被光电传感器接收。再由采集系统进行采集及数据处理，最终由计算机算法模块建模并计算获得检测结果。

[0003] 一般情况下，油液原子发射光谱不仅要检测在用油中的磨损金属元素，如银、铝、钡、钙、铁、铜、镍、锰、镁、铬、铅、钛、钒、锌等，还要检测硼、磷、砷、硅等非金属元素，波段范围覆盖200nm‑800nm，并且光谱分辨率较高，通常在0.035nm左右。宽谱带、高分辨、高采样速率带来数据量的极大增加，对处理器、解算模块及嵌入式内存带来挑战。为了解决这样的矛盾，现有通常的处理办法是，把200nm‑800nm的波段分成几个部分，采用时间轮换的方式进行分波段采集，解决大数据量对处理器的压力。

[0004] 然而，对于油液原子发射光谱来说，元素的激发是同步的，也就是说，在原子化激发开始的一瞬间，各波段的光谱信号是同步产生的，而且是不可逆的。如果采用时间轮换的方式进行分波段采集，或多或少会丢失某瞬间某波段的光谱信号。因此，研究一种全谱带严格同步采集，不丢失时间维度上的光谱信号采集系统，对于进一步提高技术水平及设备性能是十分必要的。

[0036] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0039] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0040] 目前，为了解决油液原子发射光谱的宽谱带、高分辨、高采样速率要求带来的数据运算量过大的问题，采用时间轮换的方式进行分波段采集，解决大数据量对处理器的压力，然而，本发明研究发现，对于油液原子发射光谱，在原子化激发开始的一瞬间，各波段的光谱信号是同步产生的，而且是不可逆的。分波段采集方式从根源上，或多或少会丢失某瞬间某波段的光谱信号。然而相关技术中却没有发现这一问题，忽略了光谱信号在时间域的丢失，导致光谱分析仪的分析准确性降低。

[0041] 基于此，本发明实施例提供了一种同步光谱采集系统，应用于采集油液原子发射光谱等需要同步对宽波段光谱数据进行严格同步采集的场合，本发明实施例的核心目的是采用多个严格并行工作的单机实现同步工作。同步采集虽然技术难度较高，并发采集大数量的处理具有挑战，但可以解决传统轮换式采集或时分复用采集存在时间域上的光谱信号遗失问题，实现真正的同步采集，同步误差不超过1纳秒。

[0042] 如图1所示，本发明实施例的同步光谱采集系统包括同步采集主机2和若干同步采集从机3，同步采集主机2分别和同步采集从机3以及上位计算机1连接。

[0043] 同步采集主机2用于根据上位计算机1下发的光谱采集指令驱动若干第一光学传感器同步采集油液原子发射光谱中第一波段的光谱信息，并向同步采集从机3发送同步采集控制信号；同步采集从机3用于根据同步采集控制信号驱动若干第二光学传感器同步采集油液原子发射光谱中第二波段的光谱信息，并将采集到的第二波段的光谱信息同步发送给同步采集主机2；同步采集主机2还用于将采集的第一波段的光谱信息和第二波段的光谱信息同步发送至上位计算机1，其中油液原子发射光谱的波段包括第一波段和第二波段。

[0044] 具体地，同步采集主机2和同步采集从机3整体结构相同，同步采集主机2和同步采集从机3的均能够对光谱信息进行同步采集。

[0045] 在一示例中，同步光谱采集系统包括同步采集主机2、同步采集从机3和6×n个紫外高灵敏CMOS传感器(n为同步采集主机与同步采集从机的数量总和)。同步采集主机2除了具备同步采集从机3的全部采集功能外，还具有与上位计算机1的通讯接口。

[0046] 同步采集主机2和同步采集从机3均采用FPGA处理器，FPGA处理器为现场可编程门阵列，通过硬件描述语言编程，生成相关指令控制各路紫外灵敏CMOS传感器的同步采集光谱信息，各路信号之间严格同步。

[0047] 第一光学传感器和第二光学传感器采集光谱的波段不同，两者采集范围的第一波段和第二波段相互补充组成至少包括200nm‑800nm宽波段范围，且分辨率均优于0.035nm。

[0048] 第一光学传感器和第二光学传感器均采用紫外高灵敏CMOS传感器，紫外高灵敏CMOS传感器为可以直接感应紫外‑近红外波段的阵列式传感器，本发明实施例中为2048像元阵列。利用其紫外曝光灵敏、光电转换及读出速度快的特点，同步采集主机2和同步采集从机3分别驱动6路紫外高灵敏CMOS传感器，采用12部紫外高灵敏CMOS传感器无缝衔接，在普通帕邢龙格(Paschen‑Runge)400mm焦距光路中实现200nm‑800nm全谱信号同步曝光。

[0049] 在一些实施例中，第一光学传感器和第二光学传感器还可为2048像素的CCD或CID传感器。

[0050] 本发明实施例的同步光谱采集系统，通过同步采集主机2驱动若干第一光学传感器同步采集油液原子发射光谱中第一波段的光谱信息，同步采集主机2通过同步采集控制信号控制若干同步采集从机3同步采集油液原子发射光谱中第二波段的光谱信息，确保了采集数据的时间一致性，通过两个或多个主机同步采集光谱信息，分散了单个主机的计算压力，使时间域上的无缝同步采集成为可能，能够在200nm‑800nm宽波段以优于0.035nm光谱分辨率同步采集油液原子发射光谱，无时间域丢失，避免光谱信号丢失从而提高后续检测的准确性。

[0051] 在一实施例中，如图2所示，同步采集主机2包括主控制单元、第一电平转换及放大驱动器和第一多通道同步ADC；主控制单元用于根据上位计算机1下发的光谱采集指令生成同步工作且相位相同的第一逻辑信号，将第一逻辑信号发送至第一电平转换及放大驱动器，通过第一多通道同步ADC接收第一光学传感器采集的第一波段的光谱信息，并向同步采集从机3发送同步采集控制信号；第一电平转换及放大驱动器用于根据第一逻辑信号驱动若干第一光学传感器同步采集油液原子发射光谱中第一波段的光谱信息；第一多通道同步ADC用于将第一光学传感器采集的第一波段的光谱信息转换为数字信号后传输至主控制单元。

[0052] 具体地，主控制单元采用第一FPGA处理器。

[0053] 采用第一FPGA处理器作为主控制单元，可以利用FPGA门阵列处理器产生无时延的同步逻辑信号及相关功能模块实现同步采集。

[0054] 在一示例中，第一电平转换及放大驱动器设有三路，主控制单元产生第一逻辑信号后，第一逻辑信号由3片四通道的第一电平转换及放大驱动器转换为5V工作电压，驱动6部第一光学传感器同步工作。通过同步工作且相位相同的第一逻辑信号确保每个第一光学传感器能够同步采集对应的光谱信息。

[0055] 第一多通道同步ADC采用6通道16位同步ADC，其实现由6部第一光学传感器输出的曝光信号的同步模数转换，其工作模式为6通道同步采样，进而实现6路信号的同步转换。通过第一多通道同步ADC将采集的信息转换为数字信号，使其可以被主控制单元处理。

[0056] 进一步地，第一FPGA处理器包括第一接口模块、通讯模块、第一算法模块、第一RAM控制模块、第一驱动控制模块和第一FIFO模块；第一接口模块用于和同步采集从机3连接；通讯模块用于和上位计算机1连接；第一FIFO模块用于对第一多通道同步ADC传输的第一波段的光谱信息的数字信号进行数据整合及缓存；第一算法模块用于将第一FIFO模块中输出的数据进行运算后发送给上位计算机1；第一RAM控制模块用于存储同步采集过程中第一光学传感器采集到的数据；第一驱动控制模块用于根据上位计算机1下发的光谱采集指令生成同步工作且相位相同的第一逻辑信号，并将第一逻辑信号发送至第一电平转换及放大驱动器。

[0057] 在一示例中，第一接口模块采用LVDS接口模块，通讯模块采用USB通讯模块。

[0058] USB通讯模块可为USB3.0/USB2.0通讯模块，同步采集主机2通过USB3.0/USB2.0接口和上位计算机1进行数据传输。LVDS接口模块为8位差分通道，用于同步采集主机2与同步采集从机3的同步通讯接口，由同步采集主机2发起同步采集命令，同步采集主机2与同步采集从机3同步工作。同时在采集结束后，同步采集从机3的采集数据通过LVDS接口返回给主机单机。LVDS接口模块和USB通讯模块的使用，保证了数据传输的高速性和稳定性，适合于高速数据采集和处理的需求。

[0059] 具体地，第一驱动控制模块加载硬件描述语言编写的程序，通过加载的程序产生驱动6部第一光学传感器的第一逻辑信号。

[0060] 第一FPGA处理器同时包含32位第一FIFO模块，用于6通道同步模数转换后的数据缓冲及位数对齐，第一FIFO模块输出的数据进而由第一算法模块初步处理后，发送到上位计算机1。第一FIFO模块同样是由FPGA门阵列编程形成的模块，具有32bit宽度，起到采集的数据整合及缓存的作用，为双口FIFO，入口连接16位并行ADC输出，整合为32位，也就是两次ADC输出整合为32位数据，出口由第一算法模块一次性读取，提高效率。

[0061] 第一RAM控制模块控制128Mbit的SDRAM，用于算法模块的数据缓存及初步运算，为了不占用采集系统的采集时间，实现同步采集，采集过程中采集到的数据存储于SDRAM，采集停止后，运算后的数据统一通过通讯模块，即通过USB3.0/USB2.0接口发送到上位计算机1。同时，整个同步光谱采集系统的发起及采集曝光时间、积分时间等参数由上位计算机1通过通讯模块告知同步采集主机2。

[0062] 通过模块化设计第一FPGA处理器提高处理效率，第一FIFO模块提高了数据缓存和处理的效率，第一算法模块和第一RAM控制模块确保了数据的快速运算和存储。

[0063] 在一实施例中，如图3所示，同步采集从机3包括从控制单元、第二电平转换及放大驱动器和第二多通道同步ADC；从控制单元用于根据同步采集控制信号生成同步工作且相位相同的第二逻辑信号，将第二逻辑信号发送至第二电平转换及放大驱动器，通过第二多通道同步ADC接收第二光学传感器采集的第二波段的光谱信息，并将采集的第二波段的光谱信息发送给同步采集主机2；第二电平转换及放大驱动器用于根据第二逻辑信号驱动若干第二光学传感器同步采集油液原子发射光谱中第二波段的光谱信息；第二多通道同步ADC用于将第二光学传感器采集的第二波段的光谱信息转换为数字信号后传输至从控制单元。

[0064] 从控制单元采用第二FPGA处理器。采用第二FPGA处理器作为从控制单元，可以利用FPGA门阵列处理器产生无时延的同步逻辑信号及相关功能模块实现同步采集。

[0065] 进一步地，第二FPGA处理器包括第二接口模块、第二算法模块、第二RAM控制模块、第二驱动控制模块和第二FIFO模块；第二接口模块用于和同步采集主机2连接；第二FIFO模块用于对第二多通道同步ADC传输的第二波段的光谱信息的数字信号进行数据整合及缓存；第二算法模块用于将第二FIFO模块中输出的数据进行运算后发送给同步采集主机2；第二RAM控制模块用于存储同步采集过程中第二光学传感器采集到的数据；第二驱动控制模块用于根据同步采集控制信号生成同步工作且相位相同的第二逻辑信号，并将第二逻辑信号发送至第二电平转换及放大驱动器。

[0066] 具体地，第二接口模块采用LVDS接口模块。

[0067] 应当就理解的，同步采集从机3中的第二电平转换及放大驱动器和第二多通道同步ADC与同步采集主机2中的第一电平转换及放大驱动器和第一多通道同步ADC的构成和实现原理相同，从控制单元中的第二接口模块、第二算法模块、第二RAM控制模块、第二驱动控制模块和主控制单元中的第一多通道同步ADC、第一接口模块、第一算法模块、第一RAM控制模块、第一驱动控制模块和第一FIFO模块的构成和实现原理相同。即同步采集从机3除了不具备通上位计算机1通信的通讯模块外，硬件组成与主机单机一致。所不同的是，同步采集从机3通过第二接口模块接受同步采集主机2的同步握手及控制，并在采集结束后，通过第二接口模块返回采集数据到同步采集主机2，由同步采集主机2整合数据后，统一发送到上位计算机1。

[0068] 进一步地，同步采集从机3设有一个或两个，同步采集主机2连接有六个第一光学传感器，每个同步采集从机3连接有六个第二光学传感器。

[0069] 在一示例中，第一电平转换及放大驱动器和第一电平转换及放大驱动器构建了同步工作的基本通道。第一电平转换及放大驱动器的电路原理图如图4所示。第一电平转换及放大驱动器和第一电平转换及放大驱动器的硬件构成相同，均采用高速4通道驱动器EL7457。即同步采集主机2采用3片4通道驱动器EL7457驱动6部CMOS传感器，从机单机同样采用相同的3片4通道驱动器EL7457驱动另外6部CMOS传感器同步工作。

[0070] 第一多通道同步ADC的电路原理图如图5所示。第一多通道同步ADC和第二多通道同步ADC的硬件结构相同，均采用1片6通道同步ADC器件ADS8556。同步采集主机2与同步采集从机3通过LVDS接口的同步握手，实现12部CMOS传感器的同步采集。同步采集过程中同步采集控制信号的时序图如图6所示，同步误差不超过1ns。

[0071] 在一示例中，如图1所示，同步采集从机3设有一个，同步采集主机2和同步采集从机3通过第一接口模块和第二接口模块连接。以第一光学传感器和第二光学传感器均为CMOS传感器为例，同步采集主机2和同步采集从机3同时驱动12部CMOS传感器同步工作，实现宽波段光谱的同步采集，解决了传统轮换式光谱采集带来的光谱时间域上的丢失问题。

[0072] 同步采集主机2和每个同步采集从机3均连接六个光学传感器，保证了系统能够覆盖油液原子发射光谱的广泛波段，提高了系统的覆盖范围和分辨率，同步采集从机3设有一个或两个，可以根据需要扩展同步光谱采集系统的采集能力，适应不同的应用需求。

[0073] 在一实施例中，同步采集从机3设有两个，如图7所示，第一个同步采集从机3通过LVDS接口级联第二个同步采集从机3，两个同步采集从机3的硬件结构完全相同。第二个同步采集从机3通过LVDS接口同样通过第一个同步采集从机3接受同步采集主机2的同步握手，采集结束后采集到的数据同样发送到同步采集主机2，由同步采集主机2进行数据整合后，统一发送到上位机。由此，同步驱动的CMOS传感器扩展到18部，进行更宽波段范围或更高光谱分辨率的同步采集。

[0074] 本发明实施例具有以下优点：

[0075] 1.通过同步采集主机2与同步采集从机3级联的布局，分散了单个主机的计算压力，使时间域上的无缝同步采集成为可能，能够在200nm‑800nm宽波段以优于0.035nm光谱分辨率无时间域丢失同步采集油液原子发射光谱，避免光谱信号丢失从而提高后续检测的准确性；

[0076] 2.利用FPGA产生无时延的同步采集控制信号实现严格时间同步采集，并可实现同时采集宽波段、高分辨率的光谱信息，不需要采用时间轮换采集的方式，使不可逆的原子发射光谱激发光谱捕捉及性能的提升成为可能，对于提高技术水平及光谱仪器性能具有重要意义；

[0077] 3.通过从机的进一步级联扩展，使更宽波段或更高分辨率的采集成为可能。

[0078] 以上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。