基于ARM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的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的,記錄的主要是含氫基團(tuán)C-H、O-H、N-H等振動的倍頻和合頻吸收^[1],具有豐富的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)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)域中起的作用越來越引起人們關(guān)注,由于樣品在分析時基本不需要處理,且不破壞和消耗樣品,自身又無環(huán)境污染,近紅外光譜分析技術(shù)堪稱是綠色分析儀器的典型代表^[2],該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域包括農(nóng)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(yīng)用等，是分析領(lǐng)域中最為活躍的熱點。

文中采用基于ARM9內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)S3C2410A為核心開發(fā)近紅外光譜分析儀器。 作為32位的RISC（Reduced Instruction Set Computing）架構(gòu),基于ARM核的微控制器芯片具有較高的運行速度、較大的地址空間、低功耗和高性價比，具備在其上運行一個完整的嵌入式操作系統(tǒng)的能力，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。利用ARM來開發(fā)近紅外光譜分析儀器,以觸摸屏作為人機(jī)交換平臺,取代了傳統(tǒng)的鍵盤,脫離了定標(biāo)等分析軟件對微機(jī)的依賴,最終使用戶在指引下通過簡單的操作對樣品進(jìn)行檢測。

2. 儀器結(jié)構(gòu)與工作原理設(shè)計

2．1總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計是基于ARM微處理器的濾光片型近紅外光譜儀?？傮w結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。光學(xué)系統(tǒng)中的光電檢測信號經(jīng)過ADC后,并行輸入到單片機(jī)中進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理,再由單片機(jī)串行發(fā)送到ARM微處理器中，利用ARM微處理器對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)和分析，以及實現(xiàn)對光學(xué)系統(tǒng)、打印機(jī)和顯示操作系統(tǒng)的控制。

圖(1)總體結(jié)構(gòu)圖

2．2儀器光學(xué)原理結(jié)構(gòu)

在近紅外光譜測量技術(shù)中，對于分立波長型儀器是測量幾個特定波長的光譜數(shù)據(jù)，并建立樣品濃度與這些數(shù)據(jù)的關(guān)系。濾光片型的近紅外儀器屬于分立波長測量儀器，設(shè)計分別選取了在近紅外光譜區(qū)內(nèi)的11塊不同透射波長的窄帶干涉濾光片作為光譜儀器的分光系統(tǒng)。工作原理是：由光源發(fā)出的光經(jīng)過濾光片得到一定帶寬的分析光，當(dāng)光進(jìn)入樣品內(nèi)部后，通過與樣品內(nèi)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(nèi)部分子發(fā)生了相互作用后的光，因此負(fù)載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息，可用于樣品成分測量。在測量過程中通過對濾光片盤的轉(zhuǎn)動來得到不同波長的光，從而實現(xiàn)分光。

2．3 儀器的電學(xué)原理結(jié)構(gòu)

本設(shè)計分為光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和嵌入式控制系統(tǒng)兩部分。

圖（2）電學(xué)原理設(shè)計圖

２.３.１光譜數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)

光譜數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)是由緊貼光傳感器的ADC芯片和單片機(jī)來實現(xiàn)的。光譜信號的信噪比是儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要盡量避免光譜采集過程中噪聲的引入和光譜信號的減弱，從而保證光譜數(shù)據(jù)采集的精度。因此，在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中將ADC芯片緊貼光傳感器，由單片機(jī)對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步處理后傳輸?shù)紸RM微處理器中，這樣的設(shè)計可以減少數(shù)據(jù)的傳輸距離，避免因長距離傳輸而引入噪聲，從而達(dá)到提高信噪比的目的。

２.３.２嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式控制系統(tǒng)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(nèi)部設(shè)備其中包括：LCD控制，支持NAND Flash系統(tǒng)引導(dǎo)，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(shè)備，SD主卡MMC卡接口，2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器等。S3C2410A采用了ARM920T內(nèi)核，它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。利用ARM微處理器實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的接收、定標(biāo)、打印，人機(jī)交互界面和光學(xué)系統(tǒng)控制三大模塊功能。

光譜數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)打印都是利用ARM板中RS－232標(biāo)準(zhǔn)串口通信模塊來實現(xiàn)。S3C2410內(nèi)部具有兩個獨立的UART控制器，每個UART均具有16字節(jié)的FIFO，支持的最高波特率可達(dá)到230.4Kbps。對ARM中的串口的設(shè)置主要是通過編寫串口通信協(xié)議程序來實現(xiàn)。本設(shè)計采用的是異步通信的格式。數(shù)據(jù)位寫入主要是通過對8位數(shù)據(jù)傳送接收緩沖區(qū)寄存器URXH1、URXH2的寫入來實現(xiàn)，緩沖區(qū)寄存器寄放傳送/接收的數(shù)據(jù)字符。在字符數(shù)據(jù)傳送/接收過程中，數(shù)據(jù)位從最低位開始發(fā)送。數(shù)據(jù)位發(fā)送完后，不設(shè)置發(fā)送奇偶校驗位，數(shù)據(jù)位之后發(fā)送的是停止位,設(shè)置停止位是通過清零c_cflag中的CSTOPB來實現(xiàn)。波特率設(shè)置通過函數(shù)cfsetispeed和cfsetospeed來實現(xiàn)，如本設(shè)計采用的是9600波率，可以通過cfsetispeed（newtio, B115200）;和cfsetospeed(newtio, B115200);語句來實現(xiàn)波特率的設(shè)置。

2．４光譜數(shù)據(jù)的精度控制

光譜數(shù)據(jù)的精度是決定儀器優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，為了確保系統(tǒng)的光譜數(shù)據(jù)精度，設(shè)計通過增加采集信號精度，減少外界引入的噪聲這兩個方面來實現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)信噪比的提高。采集系統(tǒng)中ADC芯片采用了24位帶數(shù)字濾波的ADC，精度可達(dá)2²⁴，在噪聲控制方面，為了減少系統(tǒng)的噪聲，設(shè)計中對光學(xué)以及電學(xué)系統(tǒng)都做了屏蔽。在光學(xué)系統(tǒng)的整個外殼噴上了黑漆，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，并且每個有源器件都具有獨立的屏蔽，以減少電噪聲的引入。經(jīng)過實驗測量，設(shè)計中的光譜數(shù)據(jù)采集精度可達(dá)到4位半的精度。

3．軟件設(shè)計

３.１基于ARM9下Linux系統(tǒng)的串口應(yīng)用程序設(shè)計

由于嵌入式控制系統(tǒng)中所選取的核心微處理器是植入了Linux 2.4.18內(nèi)核的ARM9開發(fā)板，具體串口模塊的打開以及讀，寫應(yīng)用程序是由基于Linux下的C編程來完成。具體的流程圖如下所示：

圖（3）串口打開及設(shè)置流程圖

串口模塊打開后，ARM微處理器通過串口模塊與單片機(jī)、熱敏打印機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)接收和打印的功能。

３.２基于嵌入式QT的人機(jī)交互界面應(yīng)用軟件設(shè)計

人機(jī)交互界面主要是利用基于Linux下的圖形界面設(shè)計開發(fā)工具Qt/Embedded來實現(xiàn)。QT是挪威Trolltech 公司的一個標(biāo)志性產(chǎn)品。它的開發(fā)語言是C++.，它為跨平臺的軟件開發(fā)者提供統(tǒng)一的，精美的圖形用戶編程接口，還提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫操作的編程接口，這使得Linux這些操作系統(tǒng)以更加方便、精美的人機(jī)界面走近普通用戶。Qt/Embedded是以原始的QT為基礎(chǔ)，做出了許多調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。Qt/Embedded是面向嵌入式系統(tǒng)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的嵌入式平臺開發(fā)工具。

光譜采集定標(biāo)應(yīng)用軟件設(shè)計包括了編譯環(huán)境的建立和應(yīng)用軟件程序的編譯兩個部分構(gòu)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(yīng)用程序中的Makefile。然后安裝Qt/X11 2.3.2用于生成應(yīng)用程序界面設(shè)計工具designer和應(yīng)用程序界面的C++源程序、頭文件的轉(zhuǎn)化工具uic。其中必須注意的一點是uic和designer工具的源文件會和Qt/Embedded的庫一起編譯，所以根據(jù)“向前兼容”的原則，Qt for X11 的版本應(yīng)比Qt/Embedded的版本舊。最后是對基于X86架構(gòu)下的Qt/Embedded和基于ARM架構(gòu)下的Qt/Embedded庫進(jìn)行編譯，分別得到基于主機(jī)PC下的QTE編譯庫和基于ARM目標(biāo)板下的QTE編譯庫。

3．2．2應(yīng)用軟件程序的編譯

光譜采集定標(biāo)應(yīng)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(shè)計器進(jìn)行界面設(shè)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(yīng)的C++源碼及頭文件。用vi建立應(yīng)用軟件的主程序和項目文件用于說明相關(guān)文件間的依賴關(guān)系。利用tmake工具生成應(yīng)用軟件的Makefile，最后通過g++交叉編譯生成基于ARM架構(gòu)下的可執(zhí)行光譜采集定標(biāo)應(yīng)用軟件程序的二進(jìn)制文件，將其掛載到ARM板下便可運行。用戶通過點觸觸摸屏就可以對測量的樣品進(jìn)行測量和定標(biāo)。下面是軟件具體的設(shè)計流程圖。

圖（4）軟件工作流程

4.結(jié)束語

本設(shè)計利用了ARM開發(fā)板的豐富接口模塊實現(xiàn)了近紅外光譜儀器的光譜數(shù)據(jù)采集和打印機(jī)的控制。并通過QT編程實現(xiàn)了基于觸摸屏的人機(jī)交互平臺，使用者通過簡單的點觸操作就可以對一些物質(zhì)進(jìn)行分析?；贏RM微處理器的嵌入式近紅外光譜儀器使用和操作更為簡便是本設(shè)計的一大亮點，并且該嵌入式系統(tǒng)可加用于其它類型的光學(xué)系統(tǒng),形成不同類型的光譜儀器，具有一定的普遍適用性。

本文作者創(chuàng)新點：在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用了24位帶數(shù)字濾波器的ADC，使到儀器的精度有了一定的提高, 光譜數(shù)據(jù)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(tǒng)中選用了ARM微處理器取代了以往的單片機(jī)，使到定標(biāo)等分析軟件脫離對微機(jī)的依賴。

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