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标题: 基于ARM嵌入式近红外光谱仪器的研制 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 18:41
标题: 基于ARM嵌入式近红外光谱仪器的研制

　　设计应用了最先进的ＡＲＭ嵌入式技术，利用ＡＲＭ丰富的内部设备，实现了光谱数据的传输和基于触摸屏的人机交互平台。实现近红外光谱仪器操作简单化，体现了ＡＲＭ微处理器的优胜之处。
　　１．　引言
　　近红外光谱主要是由分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团Ｃ－Ｈ、Ｏ－Ｈ、Ｎ－Ｈ等振动的倍频和合频吸收［１］，具有丰富的物质结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。近红外光谱作为迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中起的作用越来越引起人们关注，由于样品在分析时基本不需要处理，且不破坏和消耗样品，自身又无环境污染，近红外光谱分析技术堪称是绿色分析仪器的典型代表［２］，该技术已广泛应用于各领域包括农作物质量检测、食品成分分析、药物制剂分析、血氧的测定、石化工业分析、烟草行业中的应用等，是分析领域中最为活跃的热点。
　　文中采用基于ＡＲＭ９内核的嵌入式系统Ｓ３Ｃ２４１０Ａ为核心开发近红外光谱分析仪器。　作为３２位的ＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｅｔ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）架构，基于ＡＲＭ核的微控制器芯片具有较高的运行速度、较大的地址空间、低功耗和高性价比，具备在其上运行一个完整的嵌入式操作系统的能力，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。利用ＡＲＭ来开发近红外光谱分析仪器，以触摸屏作为人机交换平台，取代了传统的键盘，脱离了定标等分析软件对微机的依赖，最终使用户在指引下通过简单的操作对样品进行检测。
　　２．　　仪器结构与工作原理设计
　　２．１总体结构
　　本设计是基于ＡＲＭ微处理器的滤光片型近红外光谱仪。总体结构如图（１）所示。光学系统中的光电检测信号经过ＡＤＣ后，并行输入到单片机中进行初步数据处理，再由单片机串行发送到ＡＲＭ微处理器中，利用ＡＲＭ微处理器对光谱数据进行定标和分析，以及实现对光学系统、打印机和显示操作系统的控制。

　　图（２）电学原理设计图
　　２．３．１光谱数据的采集系统
　　光谱数据的采集系统是由紧贴光传感器的ＡＤＣ芯片和单片机来实现的。光谱信号的信噪比是仪器稳定性的重要指标。光谱数据采集系统要尽量避免光谱采集过程中噪声的引入和光谱信号的减弱，从而保证光谱数据采集的精度。因此，在光谱数据采集系统的设计中将ＡＤＣ芯片紧贴光传感器，由单片机对光谱数据进行采集和初步处理后传输到ＡＲＭ微处理器中，这样的设计可以减少数据的传输距离，避免因长距离传输而引入噪声，从而达到提高信噪比的目的。
　　２．３．２嵌入式控制系统
　　嵌入式控制系统采用的处理器是由ＳＡＭＳＵＮＧ公司推出的１６／３２位ＲＩＳＣ处理器Ｓ３Ｃ２４１０Ａ。Ｓ３Ｃ２４１０Ａ提供了丰富的内部设备其中包括：ＬＣＤ控制，支持ＮＡＮＤ　Ｆｌａｓｈ系统引导，３通道ＵＡＲＴ，４通道ＤＭＡ，　Ｉ／Ｏ端口，ＲＴＣ，８通道１０位ＡＤＣ和触摸屏接口，ＩＩＣ－ＢＵＳ接口，　ＵＳＢ设备，ＳＤ主卡＆ＭＭＣ卡接口，２通道的ＳＰＩ以及内部ＰＬＬ时钟倍频器等。Ｓ３Ｃ２４１０Ａ采用了ＡＲＭ９２０Ｔ内核，它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。利用ＡＲＭ微处理器实现光谱数据的接收、定标、打印，人机交互界面和光学系统控制三大模块功能。
　　光谱数据接收和数据打印都是利用ＡＲＭ板中ＲＳ－２３２标准串口通信模块来实现。Ｓ３Ｃ２４１０内部具有两个独立的ＵＡＲＴ控制器，每个ＵＡＲＴ均具有１６字节的ＦＩＦＯ，支持的最高波特率可达到２３０．４Ｋｂｐｓ。对ＡＲＭ中的串口的设置主要是通过编写串口通信协议程序来实现。本设计采用的是异步通信的格式。数据位写入主要是通过对８位数据传送接收缓冲区寄存器ＵＲＸＨ１、ＵＲＸＨ２的写入来实现，缓冲区寄存器寄放传送／接收的数据字符。在字符数据传送／接收过程中，数据位从最低位开始发送。数据位发送完后，不设置发送奇偶校验位，数据位之后发送的是停止位，设置停止位是通过清零ｃ＿ｃｆｌａｇ中的ＣＳＴＯＰＢ来实现。波特率设置通过函数ｃｆｓｅｔｉｓｐｅｅｄ和ｃｆｓｅｔｏｓｐｅｅｄ来实现，如本设计采用的是９６００波率，可以通过ｃｆｓｅｔｉｓｐｅｅｄ（＆ｎｅｗｔｉｏ，　Ｂ１１５２００）；和ｃｆｓｅｔｏｓｐｅｅｄ（＆ｎｅｗｔｉｏ，　Ｂ１１５２００）；语句来实现波特率的设置。
　　２．４光谱数据的精度控制
　　光谱数据的精度是决定仪器优劣的一个重要指标，为了确保系统的光谱数据精度，设计通过增加采集信号精度，减少外界引入的噪声这两个方面来实现对光谱数据信噪比的提高。采集系统中ＡＤＣ芯片采用了２４位带数字滤波的ＡＤＣ，精度可达２２４，在噪声控制方面，为了减少系统的噪声，设计中对光学以及电学系统都做了屏蔽。在光学系统的整个外壳喷上了黑漆，以避免外界光的干扰。在电学上减少了对有源器件的使用，并且每个有源器件都具有独立的屏蔽，以减少电噪声的引入。经过实验测量，设计中的光谱数据采集精度可达到４位半的精度。
　　３．软件设计
　　３．１基于ＡＲＭ９下Ｌｉｎｕｘ系统的串口应用程序设计
　　由于嵌入式控制系统中所选取的核心微处理器是植入了Ｌｉｎｕｘ　２．４．１８内核的ＡＲＭ９开发板，具体串口模块的打开以及读，写应用程序是由基于Ｌｉｎｕｘ下的Ｃ编程来完成。具体的流程图如下所示：

　　图（４）软件工作流程
　　４．结束语
　　本设计利用了ＡＲＭ开发板的丰富接口模块实现了近红外光谱仪器的光谱数据采集和打印机的控制。并通过ＱＴ编程实现了基于触摸屏的人机交互平台，使用者通过简单的点触操作就可以对一些物质进行分析。基于ＡＲＭ微处理器的嵌入式近红外光谱仪器使用和操作更为简便是本设计的一大亮点，并且该嵌入式系统可加用于其它类型的光学系统，形成不同类型的光谱仪器，具有一定的普遍适用性。
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