基于A(yíng)RM嵌入式近紅外光譜儀器的研制

1. 引言

近紅外光譜主要是由分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的,記錄的主要是含氫基團C-H、O-H、N-H等振動(dòng)的倍頻和合頻吸收^[1],具有豐富的物質(zhì)結構和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質(zhì)的組成性質(zhì)測量。近紅外光譜作為迅速崛起的光譜分析技術(shù)在分析測試領(lǐng)域中起的作用越來(lái)越引起人們關(guān)注,由于樣品在分析時(shí)基本不需要處理,且不破壞和消耗樣品,自身又無(wú)環(huán)境污染,近紅外光譜分析技術(shù)堪稱(chēng)是綠色分析儀器的典型代表^[2],該技術(shù)已廣泛應用于各領(lǐng)域包括農作物質(zhì)量檢測、食品成分分析、藥物制劑分析、血氧的測定、石化工業(yè)分析、煙草行業(yè)中的應用等，是分析領(lǐng)域中最為活躍的熱點(diǎn)。

文中采用基于ARM9內核的嵌入式系統S3C2410A為核心開(kāi)發(fā)近紅外光譜分析儀器。 作為32位的RISC（Reduced Instruction Set Computing）架構,基于A(yíng)RM核的微控制器芯片具有較高的運行速度、較大的地址空間、低功耗和高性?xún)r(jià)比，具備在其上運行一個(gè)完整的嵌入式操作系統的能力，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)。利用ARM來(lái)開(kāi)發(fā)近紅外光譜分析儀器,以觸摸屏作為人機交換平臺,取代了傳統的鍵盤(pán),脫離了定標等分析軟件對微機的依賴(lài),最終使用戶(hù)在指引下通過(guò)簡(jiǎn)單的操作對樣品進(jìn)行檢測。

2. 儀器結構與工作原理設計

2．1總體結構

本設計是基于A(yíng)RM微處理器的濾光片型近紅外光譜儀?？傮w結構如圖（1）所示。光學(xué)系統中的光電檢測信號經(jīng)過(guò)ADC后,并行輸入到單片機中進(jìn)行初步數據處理,再由單片機串行發(fā)送到ARM微處理器中，利用ARM微處理器對光譜數據進(jìn)行定標和分析，以及實(shí)現對光學(xué)系統、打印機和顯示操作系統的控制。

圖(1)總體結構圖

2．2儀器光學(xué)原理結構

在近紅外光譜測量技術(shù)中，對于分立波長(cháng)型儀器是測量幾個(gè)特定波長(cháng)的光譜數據，并建立樣品濃度與這些數據的關(guān)系。濾光片型的近紅外儀器屬于分立波長(cháng)測量?jì)x器，設計分別選取了在近紅外光譜區內的11塊不同透射波長(cháng)的窄帶干涉濾光片作為光譜儀器的分光系統。工作原理是：由光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)濾光片得到一定帶寬的分析光，當光進(jìn)入樣品內部后，通過(guò)與樣品內部的漫反射作用返回表面，由光電檢測器進(jìn)行檢測。漫反射光是分析光和樣品內部分子發(fā)生了相互作用后的光，因此負載了樣品的結構和組成信息，可用于樣品成分測量。在測量過(guò)程中通過(guò)對濾光片盤(pán)的轉動(dòng)來(lái)得到不同波長(cháng)的光，從而實(shí)現分光。

2．3 儀器的電學(xué)原理結構

本設計分為光譜數據采集系統和嵌入式控制系統兩部分。

圖（2）電學(xué)原理設計圖

２.３.１光譜數據的采集系統

光譜數據的采集系統是由緊貼光傳感器的ADC芯片和單片機來(lái)實(shí)現的。光譜信號的信噪比是儀器穩定性的重要指標。光譜數據采集系統要盡量避免光譜采集過(guò)程中噪聲的引入和光譜信號的減弱，從而保證光譜數據采集的精度。因此，在光譜數據采集系統的設計中將ADC芯片緊貼光傳感器，由單片機對光譜數據進(jìn)行采集和初步處理后傳輸到ARM微處理器中，這樣的設計可以減少數據的傳輸距離，避免因長(cháng)距離傳輸而引入噪聲，從而達到提高信噪比的目的。

２.３.２嵌入式控制系統

嵌入式控制系統采用的處理器是由SAMSUNG公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A。S3C2410A提供了豐富的內部設備其中包括：LCD控制，支持NAND Flash系統引導，3通道UART，4通道DMA， I/O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，IIC-BUS接口， USB設備，SD主卡MMC卡接口，2通道的SPI以及內部PLL時(shí)鐘倍頻器等。S3C2410A采用了ARM920T內核，它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。利用ARM微處理器實(shí)現光譜數據的接收、定標、打印，人機交互界面和光學(xué)系統控制三大模塊功能。

光譜數據接收和數據打印都是利用ARM板中RS－232標準串口通信模塊來(lái)實(shí)現。S3C2410內部具有兩個(gè)獨立的UART控制器，每個(gè)UART均具有16字節的FIFO，支持的最高波特率可達到230.4Kbps。對ARM中的串口的設置主要是通過(guò)編寫(xiě)串口通信協(xié)議程序來(lái)實(shí)現。本設計采用的是異步通信的格式。數據位寫(xiě)入主要是通過(guò)對8位數據傳送接收緩沖區寄存器URXH1、URXH2的寫(xiě)入來(lái)實(shí)現，緩沖區寄存器寄放傳送/接收的數據字符。在字符數據傳送/接收過(guò)程中，數據位從最低位開(kāi)始發(fā)送。數據位發(fā)送完后，不設置發(fā)送奇偶校驗位，數據位之后發(fā)送的是停止位,設置停止位是通過(guò)清零c_cflag中的CSTOPB來(lái)實(shí)現。波特率設置通過(guò)函數cfsetispeed和cfsetospeed來(lái)實(shí)現，如本設計采用的是9600波率，可以通過(guò)cfsetispeed（newtio, B115200）;和cfsetospeed(newtio, B115200);語(yǔ)句來(lái)實(shí)現波特率的設置。

2．４光譜數據的精度控制

光譜數據的精度是決定儀器優(yōu)劣的一個(gè)重要指標，為了確保系統的光譜數據精度，設計通過(guò)增加采集信號精度，減少外界引入的噪聲這兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現對光譜數據信噪比的提高。采集系統中ADC芯片采用了24位帶數字濾波的ADC，精度可達2²⁴，在噪聲控制方面，為了減少系統的噪聲，設計中對光學(xué)以及電學(xué)系統都做了屏蔽。在光學(xué)系統的整個(gè)外殼噴上了黑漆，以避免外界光的干擾。在電學(xué)上減少了對有源器件的使用，并且每個(gè)有源器件都具有獨立的屏蔽，以減少電噪聲的引入。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測量，設計中的光譜數據采集精度可達到4位半的精度。

3．軟件設計

３.１基于A(yíng)RM9下Linux系統的串口應用程序設計

由于嵌入式控制系統中所選取的核心微處理器是植入了Linux 2.4.18內核的ARM9開(kāi)發(fā)板，具體串口模塊的打開(kāi)以及讀，寫(xiě)應用程序是由基于Linux下的C編程來(lái)完成。具體的流程圖如下所示：

圖（3）串口打開(kāi)及設置流程圖

串口模塊打開(kāi)后，ARM微處理器通過(guò)串口模塊與單片機、熱敏打印機進(jìn)行通信，實(shí)現對光譜數據接收和打印的功能。

３.２基于嵌入式QT的人機交互界面應用軟件設計

人機交互界面主要是利用基于Linux下的圖形界面設計開(kāi)發(fā)工具Qt/Embedded來(lái)實(shí)現。QT是挪威Trolltech 公司的一個(gè)標志性產(chǎn)品。它的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是C++.，它為跨平臺的軟件開(kāi)發(fā)者提供統一的，精美的圖形用戶(hù)編程接口，還提供了統一的網(wǎng)絡(luò )和數據庫操作的編程接口，這使得Linux這些操作系統以更加方便、精美的人機界面走近普通用戶(hù)。Qt/Embedded是以原始的QT為基礎，做出了許多調整以適用于嵌入式環(huán)境。Qt/Embedded是面向嵌入式系統的QT版本，是QT的嵌入式Linux窗口，是完整的自包含C++ GUI和基于Linux的嵌入式平臺開(kāi)發(fā)工具。

光譜采集定標應用軟件設計包括了編譯環(huán)境的建立和應用軟件程序的編譯兩個(gè)部分構成。

3．2．1編譯環(huán)境的建立

完整建立交叉編譯環(huán)境需要用到的軟件工具包包括：tmake-1.11或更高版本的tmake工具包、Qt/Embedded2.3.7安裝包和Qt2.3.2 for X11版的安裝包。首先將tmake-1.11工具包解壓，得到tmake工具。tmake工具是用于生成應用程序中的Makefile。然后安裝Qt/X11 2.3.2用于生成應用程序界面設計工具designer和應用程序界面的C++源程序、頭文件的轉化工具uic。其中必須注意的一點(diǎn)是uic和designer工具的源文件會(huì )和Qt/Embedded的庫一起編譯，所以根據“向前兼容”的原則，Qt for X11 的版本應比Qt/Embedded的版本舊。最后是對基于X86架構下的Qt/Embedded和基于A(yíng)RM架構下的Qt/Embedded庫進(jìn)行編譯，分別得到基于主機PC下的QTE編譯庫和基于A(yíng)RM目標板下的QTE編譯庫。

3．2．2應用軟件程序的編譯

光譜采集定標應用軟件程序編譯利用Qt/X11中的designer工具進(jìn)入QT圖形界面設計器進(jìn)行界面設計，生成以ui為后綴的界面圖形文件。再利用uic工具生成圖形界面文件所對應的C++源碼及頭文件。用vi建立應用軟件的主程序和項目文件用于說(shuō)明相關(guān)文件間的依賴(lài)關(guān)系。利用tmake工具生成應用軟件的Makefile，最后通過(guò)g++交叉編譯生成基于A(yíng)RM架構下的可執行光譜采集定標應用軟件程序的二進(jìn)制文件，將其掛載到ARM板下便可運行。用戶(hù)通過(guò)點(diǎn)觸觸摸屏就可以對測量的樣品進(jìn)行測量和定標。下面是軟件具體的設計流程圖。

圖（4）軟件工作流程

4.結束語(yǔ)

本設計利用了ARM開(kāi)發(fā)板的豐富接口模塊實(shí)現了近紅外光譜儀器的光譜數據采集和打印機的控制。并通過(guò)QT編程實(shí)現了基于觸摸屏的人機交互平臺，使用者通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)觸操作就可以對一些物質(zhì)進(jìn)行分析?；贏(yíng)RM微處理器的嵌入式近紅外光譜儀器使用和操作更為簡(jiǎn)便是本設計的一大亮點(diǎn)，并且該嵌入式系統可加用于其它類(lèi)型的光學(xué)系統,形成不同類(lèi)型的光譜儀器，具有一定的普遍適用性。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在光譜數據采集系統中采用了24位帶數字濾波器的ADC，使到儀器的精度有了一定的提高, 光譜數據采集精度可得到4位半。另一方面在儀器的嵌入式控制系統中選用了ARM微處理器取代了以往的單片機，使到定標等分析軟件脫離對微機的依賴(lài)。

5.參考文獻：

[1].王燕嶺.《近紅外光譜技術(shù)基礎理論與應用綜述》[Z].北京英賢儀器有限公司，2004，4

[2].嚴衍祿，趙龍蓮，韓東海.《近紅外光譜分析基礎與應用》[M].第一版,中國輕工業(yè)出版社，2005

[3].周蓓，王典洪，宋俊磊.ARM在信息家電方面的應用[J].微計算機信息，2006，2-2：126-128。

[4].《SAMSUNG S3C2410A中文數據手冊》[Z].杭州立宇泰電子有限公司