谷物品質(zhì)快速檢測儀關(guān)鍵部件的設計

摘要：文章闡述了谷物品質(zhì)快速檢測儀的關(guān)鍵部分－數據采集傳輸單元的設計與實(shí)現。數據采集傳輸分為軟硬件兩部分，硬件設計主要是實(shí)現數據采集單元和USB接口單元電路設計，軟件包括三部分，芯片固件程序、驅動(dòng)程序、上位機Win32應用程序的設計。其中詳細介紹了ADS7825的內部結構、工作原理、性能指標以及它與CY7C68013組成的多路USB接口數據采集單元的具體實(shí)現。
關(guān)鍵詞：ADS7825 CY7C68013 數據采集 USB

一、概述

谷物品質(zhì)快速檢測儀是應用近紅外光譜分析技術(shù)來(lái)檢測谷物的內部品質(zhì)，如粗蛋白，水分等。隨著(zhù)光學(xué)、計算機處理技術(shù)、化學(xué)計量學(xué)理論和方法的不斷發(fā)展，以及新型近紅外儀器的不斷出現和軟件版本的不斷翻新，近紅外光譜技術(shù)的穩定性、實(shí)用性和準確性不斷提高；其分析快速，簡(jiǎn)便，非破壞性以及可同時(shí)測定多成分的優(yōu)點(diǎn)不斷為人們所認識；不僅可用來(lái)測定樣品的水分、粗蛋白、脂肪、淀粉等常量成分，還被用來(lái)測定氨基酸、脂肪酸，以及對生產(chǎn)加工過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)質(zhì)量控制；分析對象也從粉樣樣品擴展到分析完整籽粒樣品[5]。

本文研究的目的就是快速、準確地測得谷物品質(zhì)的相關(guān)參數，所以?xún)x器的性能就體現在快速、準確的測試并分析測試結果的能力。圖1為近紅外光譜儀的裝置示意圖，近紅外光譜儀一般由光源、分光系統、測樣器件、檢測器和控制及數據采集處理系統組成；其中的關(guān)鍵部件就是光譜數據采集和分析單元，本文主要討論數據采集部分的設計及實(shí)現。

圖1.近紅外光譜儀器示意圖

1－光源；2－分光系統；3－反光鏡；4－測樣器件；5－漫反射檢測器；

6－透射檢測器；7－計算機；8－USB數據采集通訊部分

由于我們使用的是基于電荷耦合器件（CCD）的多通道近紅外光譜儀，這類(lèi)儀器掃描光譜速度快，一般單張光譜的掃描速度只有幾十毫秒，所以對CCD信號的采集和傳輸速度有比較高的要求，為滿(mǎn)足這些速度要求所以采用USB接口方式取代原來(lái)的并口通訊方式。同時(shí)為了適應現代儀器的小型化和通用化，儀器和計算機的連接也要求我們選擇USB接口總線(xiàn)，從而實(shí)現光譜數據的高速采集和傳輸，并完成谷物品質(zhì)的快速檢測。

二、系統設計

該系統可對4路模擬信號進(jìn)行不間斷采集，輸入信號范圍－10V～+10V，AD轉換位數16位。設計多通道數據采集目的，為了實(shí)現多通道的差分信號采集來(lái)補償溫度等其它因素產(chǎn)生的噪聲。由于溫度的變化對CCD有很大的影響，所以系統采用了兩個(gè)CCD，每?jì)陕穼ν粋€(gè)CCD進(jìn)行差分采集。其中一個(gè)CCD作為光譜掃描，另一個(gè)放置和前一個(gè)相鄰的位置用作差分補償。通過(guò)多通道差分補償能提高系統的性能，從而保證測量的準確性。

該采集系統總體框架為主機（能支持USB2.0計算機）、內部包含CPU及FIFO高速緩存的USB接口控制芯片FX2和高速模數轉換器（ADS7825）。系統分為硬件設計和軟件設計兩部分。其中硬件設計主要是以ADS7825為核心的數據采集單元和以FX2為核心的USB接口單元兩部分。軟件可分為三部分：采用Keil C51語(yǔ)言編寫(xiě)的FX2的芯片固件程序、Visual C＋＋編寫(xiě)的USB設備驅動(dòng)程序和上位機Win32應用程序。下面分別介紹數據采集的軟硬件設計部分。

2.1 硬件設計

硬件設計主要是實(shí)現數據采集單元和USB數據傳輸單元電路設計。其數據傳輸為控制信號和采集數據?？刂菩盘柗较驗橹鳈C到外設（OUT），數據量較??；采集到的數據由外設到主機（IN），數據量較大。系統基本操作過(guò)程為：主機給外設一個(gè)采樣控制信號CLK；A/D轉換完成的數據直接進(jìn)入CY7C68013的內部端點(diǎn)FIFO，當FIFO容量達到指定程度后，自動(dòng)將數據打包傳送給USB總線(xiàn)，主機進(jìn)行接收，保證有較高的傳輸速度。

1 數據采集模塊[1]

數據采集模塊主要實(shí)現以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號進(jìn)行AD轉換。ADS7825是BB公司生產(chǎn)的高性能模數轉換器件，它具有4路模擬輸入通道，5V單電源供電，16位并行輸出等獨特性能。

其工作原理，在此著(zhù)重介紹ADS7825在并行輸出方式下的工作過(guò)程,如下圖2所示為其并行輸出時(shí)電路原理圖。在并行輸出方式下，啟動(dòng)初始化過(guò)程是由R／C（pin22）腳變?yōu)榈碗娖讲⒅辽俦３?0ns開(kāi)始，啟動(dòng)轉換。BUSY（pin24）腳變?yōu)榈碗娖?，并保持到數據轉換和數據輸出寄存器刷新完畢。如果BYTE（pin21）腳為低電平，在BUSY的上升沿，觸發(fā)輸出信號的高8位數字；相反，若BYTE腳為高電平，輸出信號的低8位數字。最終轉換的數據以完全二進(jìn)制數字格式輸出。REF是外部參考電壓輸入端或內部參考2.5V電壓輸出端。此引腳應與一個(gè)2.2μF電容相連，并與REF腳的輸出阻抗構成一個(gè)低通濾波器濾過(guò)帶限噪聲。CAP為內部參考電壓的緩沖輸出端，也應與一個(gè)2.2μF電容相連，在A(yíng)DS7825的轉換周期內，這樣連接可提供給內置D／A轉換器最佳的轉換寫(xiě)入電流，同時(shí)對緩沖輸出也是一種補償。另外，在BUSY為低電平期間，不再接受新的轉換指令。ADS7825在并行輸出模式情況下，根據通道選擇方式的不同，還可以分為連續轉換方式和可編程通道選擇方式。在CS、R／C和PWRD同時(shí)接低電平的情況下，若CONTC（pin25）腳為高電平時(shí)，ADS7825處于連續轉換工作模式。此時(shí)，ADS7825將按順序連續采集和轉換4路通道中的信號；而在CONTC變?yōu)楦唠娖街?，當前通道號就相應存入A0和A1通道選擇的寄存器中，也就是說(shuō)在連續轉換模式下（即CONTCE為HIGH），A0和A1為輸出端。對于前一個(gè)通道來(lái)說(shuō)，輸出數據BUSY在跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)變?yōu)橛行?。另外，每一次轉換結束，BUSY要跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，A0和A1能夠輸出將要轉換信號的通道號。