基于ARM嵌入式近紅外光譜儀器的研制-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯基于ARM嵌入式近紅外光譜儀器的研制-基礎(chǔ)電子設(shè)計應(yīng)用了的ＡＲＭ嵌入式技術(shù)，利用ＡＲＭ豐富的內(nèi)部設(shè)備，實現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的傳輸和基于觸摸屏的人機交互平臺。實現(xiàn)近紅外光譜儀器操作簡單化，體現(xiàn)了ＡＲＭ微處理器的優(yōu)勝之處。

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為開發(fā)近紅外光譜分析儀器。作為３２位的ＲＩＳＣ（ＲｅｄｕｃｅｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＣｏｍｐｕｔｉｎｇ）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，以觸摸屏作為人機交換平臺，取代了傳統(tǒng)的鍵盤，脫離了定標等分析軟件對微機的依賴，終使用戶在指引下通過簡單的操作對樣品進行檢測。

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。光學系統(tǒng)中的光電檢測信號經(jīng)過ＡＤＣ后，并行輸入到單片機中進行初步數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行定標和分析，以及實現(xiàn)對光學系統(tǒng)、打印機和顯示操作系統(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，當光進入樣品內(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。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，由單片機對光譜數(shù)據(jù)進行采集和初步處理后傳輸?shù)剑粒遥臀⑻幚砥髦?，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ＮＡＮＤＦｌａｓｈ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、打印，人機交互界面和光學系統(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標準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，支持的波特率可達到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，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)計中對光學以及電學系統(tǒng)都做了屏蔽。在光學系統(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)中所選取的微處理器是植入了Ｌｉｎｕｘ２．４．１８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、熱敏打印機進行通信，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的人機交互界面應(yīng)用軟件設(shè)計

人機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Ｑｔ２．３．２ｆｏｒＸ１１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／Ｘ１１２．３．２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，ＱｔｆｏｒＸ１１的版本應(yīng)比Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ的版本舊。是對基于Ｘ８６架構(gòu)下的Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ和基于ＡＲＭ架構(gòu)下的Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ庫進行編譯，分別得到基于主機ＰＣ下的ＱＴＥ編譯庫和基于ＡＲＭ目標板下的ＱＴＥ編譯庫。

３．２．２應(yīng)用軟件程序的編譯

光譜采集定標應(yīng)用軟件程序編譯利用Ｑｔ／Ｘ１１中的ｄｅｓｉｇｎｅｒ工具進入ＱＴ圖形界面設(shè)計器進行界面設(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，通過ｇ＋＋交叉編譯生成基于ＡＲＭ架構(gòu)下的可執(zhí)行光譜采集定標應(yīng)用軟件程序的二進制文件，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行測量和定標。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