1、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,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
2、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21 总体结构本设计是基于 ARM
3、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(1)总体结构图22 仪器光学原理结构在近红外光谱测量技术中，对于分立波长型仪器是测量几个特定波长的光谱数据，并建立样品浓度与这些数据的关系。滤光片型的近红外仪器属于分立波长测量仪器，设计分别选取了在近红外光谱区内的 11 块不同透射波长的窄带干涉滤光片作为光谱仪器的分光系统。工作原理是：由光源发出的光经过滤光片得到一定带宽
4、的分析光，当光进入样品内部后，通过与样品内部的漫反射作用返回表面，由光电检测器进行检测。漫反射光是分析光和样品内部分子发生了相互作用后的光，因此负载了样品的结构和组成信息，可用于样品成分测量。在测量过程中通过对滤光片盘的转动来得到不同波长的光，从而实现分光。23 仪器的电学原理结构本设计分为光谱数据采集系统和嵌入式控制系统两部分。图(2)电学原理设计图.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
5、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。.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 主卡和 cfsetospeed(语
6、句来实现波特率的设置。2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.基于 ARM9 下 Linux 系统的
7、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(3)串口打开及设置流程图串口模块打开后，ARM 微处理器通过串口模块与单片机、热敏打印机进行通信，实现对光谱数据接收和打印的功能。.基于嵌入式 QT 的人机交互界面应用软件设计人机交互界面主要是利用基于 Linux 下的图形界面设计开发工具 Qt/Embedded 来实现。QT 是挪威 Trolltech 公司的一个标志性产品。它的开发语言是 C .，它为跨平台的软件开发者
8、提供统一的，精美的图形用户编程接口，还提供了统一的网络和数据库操作的编程接口，这使得 Linux 这些操作系统以更加方便、精美的人机界面走近普通用户。Qt/Embedded是以原始的 QT 为基础，做出了许多调整以适用于嵌入式环境。Qt/Embedded 是面向嵌入式系统的 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 的嵌入式平台开发工具。 光谱采集定标应用软件设计包括了编译环境的建立和应用软件程序的编译两个部分构成。321 编译环境的建立完整建立交叉编译环境需要用到的软件工具包包括：tmake-1.11 或更高版本的 tmake工具包、Q
9、t/Embedded2.3.7 安装包和 Qt2.3.2 for X11 版的安装包。首先将 tmake-1.11工具包解压，得到 tmake 工具。tmake 工具是用于生成应用程序中的 Makefile。然后安装Qt/X11 2.3.2 用于生成应用程序界面设计工具 designer 和应用程序界面的 C 源程序、头文件的转化工具 uic。其中必须注意的一点是 uic 和 designer 工具的源文件会和Qt/Embedded 的库一起编译，所以根据“向前兼容”的原则，Qt for X11 的版本应比Qt/Embedded 的版本旧。最后是对基于 X86 架构下的 Qt/Embedded
10、 和基于 ARM 架构下的Qt/Embedded 库进行编译，分别得到基于主机 PC 下的 QTE 编译库和基于 ARM 目标板下的QTE 编译库。322 应用软件程序的编译光谱采集定标应用软件程序编译利用 Qt/X11 中的 designer 工具进入 QT 图形界面设计器进行界面设计，生成以 ui 为后缀的界面图形文件。再利用 uic 工具生成图形界面文件所对应的 C 源码及头文件。用 vi 建立应用软件的主程序和项目文件用于说明相关文件间的依赖关系。利用 tmake 工具生成应用软件的 Makefile，最后通过 g 交叉编译生成基于 ARM架构下的可执行光谱采集定标应用软件程序的二进制
11、文件，将其挂载到 ARM 板下便可运行。用户通过点触触摸屏就可以对测量的样品进行测量和定标。下面是软件具体的设计流程图。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。本文创新点：在光谱数据采集系统中采用了 24 位带数字滤波器的 ADC，使到仪器的精度有了一定的提高, 光谱数据采集精度可得到 4 位半。另一方面在仪器的嵌入式控制系统中选用了 ARM 微处理器取代了以往的单片机，使到定标等分析软件脱离对微机的依赖。
