基于近紅外光譜分析技術(shù)實現(xiàn)谷物品質(zhì)快速檢測儀的設(shè)計

一、概述

谷物品質(zhì)快速檢測儀是應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)來檢測谷物的內(nèi)部品質(zhì)，如粗蛋白，水分等。隨著光學(xué)、計算機(jī)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(xiàn)和軟件版本的不斷翻新，近紅外光譜技術(shù)的穩(wěn)定性、實用性和準(zhǔn)確性不斷提高；其分析快速，簡便，非破壞性以及可同時測定多成分的優(yōu)點不斷為人們所認(rèn)識；不僅可用來測定樣品的水分、粗蛋白、脂肪、淀粉等常量成分，還被用來測定氨基酸、脂肪酸，以及對生產(chǎn)加工過程進(jìn)行在線質(zhì)量控制；分析對象也從粉樣樣品擴(kuò)展到分析完整籽粒樣品。

本文研究的目的就是快速、準(zhǔn)確地測得谷物品質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，所以儀器的性能就體現(xiàn)在快速、準(zhǔn)確的測試并分析測試結(jié)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(tǒng)、測樣器件、檢測器和控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成；其中的關(guān)鍵部件就是光譜數(shù)據(jù)采集和分析單元，本文主要討論數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計及實現(xiàn)。

圖1.近紅外光譜儀器示意圖

1－光源；2－分光系統(tǒng)；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(jī)；8－USB數(shù)據(jù)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，為滿足這些速度要求所以采用USB接口方式取代原來的并口通訊方式。同時為了適應(yīng)現(xiàn)代儀器的小型化和通用化，儀器和計算機(jī)的連接也要求我們選擇USB接口總線，從而實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的高速采集和傳輸，并完成谷物品質(zhì)的快速檢測。

二、系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)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(zhuǎn)換位數(shù)16位。設(shè)計多通道數(shù)據(jù)采集目的，為了實現(xiàn)多通道的差分信號采集來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(tǒng)采用了兩個CCD，每兩路對同一個CCD進(jìn)行差分采集。其中一個CCD作為光譜掃描，另一個放置和前一個相鄰的位置用作差分補償。通過多通道差分補償能提高系統(tǒng)的性能，從而保證測量的準(zhǔn)確性。

該采集系統(tǒng)總體框架為主機(jī)（能支持USB2.0計算機(jī)）、內(nèi)部包含CPU及FIFO高速緩存的USB接口控制芯片FX2和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADS7825）。系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。其中硬件設(shè)計主要是以ADS7825為核心的數(shù)據(jù)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語言編寫的FX2的芯片固件程序、Visual C＋＋編寫的USB設(shè)備驅(qū)動程序和上位機(jī)Win32應(yīng)用程序。下面分別介紹數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計部分。

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB數(shù)據(jù)傳輸單元電路設(shè)計。其數(shù)據(jù)傳輸為控制信號和采集數(shù)據(jù)?？刂菩盘柗较驗橹鳈C(jī)到外設(shè)（OUT），數(shù)據(jù)量較?。徊杉降臄?shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)（IN），數(shù)據(jù)量較大。系統(tǒng)基本操作過程為：主機(jī)給外設(shè)一個采樣控制信號CLK；A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入CY7C68013的內(nèi)部端點FIFO，當(dāng)FIFO容量達(dá)到指定程度后，自動將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線，主機(jī)進(jìn)行接收，保證有較高的傳輸速度。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。ADS7825是BB公司生產(chǎn)的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)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，在此著重介紹ADS7825在并行輸出方式下的工作過程，如下圖2所示為其并行輸出時電路原理圖。在并行輸出方式下，啟動初始化過程是由R／C（pin22）腳變?yōu)榈碗娖讲⒅辽俦３?0ns開始，啟動轉(zhuǎn)換。BUSY（pin24）腳變?yōu)榈碗娖?，并保持到?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)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(shù)字；相反，若BYTE腳為高電平，輸出信號的低8位數(shù)字。最終轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以完全二進(jìn)制數(shù)字格式輸出。REF是外部參考電壓輸入端或內(nèi)部參考2.5V電壓輸出端。此引腳應(yīng)與一個2.2μF電容相連，并與REF腳的輸出阻抗構(gòu)成一個低通濾波器濾過帶限噪聲。CAP為內(nèi)部參考電壓的緩沖輸出端，也應(yīng)與一個2.2μF電容相連，在ADS7825的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，這樣連接可提供給內(nèi)置D／A轉(zhuǎn)換器最佳的轉(zhuǎn)換寫入電流，同時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(zhuǎn)換指令。ADS7825在并行輸出模式情況下，根據(jù)通道選擇方式的不同，還可以分為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式和可編程通道選擇方式。在CS、R／C和PWRD同時接低電平的情況下，若CONTC（pin25）腳為高電平時，ADS7825處于連續(xù)轉(zhuǎn)換工作模式。此時，ADS7825將按順序連續(xù)采集和轉(zhuǎn)換4路通道中的信號；而在CONTC變?yōu)楦唠娖街?，?dāng)前通道號就相應(yīng)存入A0和A1通道選擇的寄存器中，也就是說在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下（即CONTCE為HIGH），A0和A1為輸出端。對于前一個通道來說，輸出數(shù)據(jù)BUSY在跳變?yōu)楦唠娖綍r變?yōu)橛行?。另外，每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY要跳變?yōu)楦唠娖綍r，A0和A1能夠輸出將要轉(zhuǎn)換信號的通道號。

在可編程通道選擇方式下，模擬輸入通道的選擇是由程序控制指令完成的。控制器發(fā)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令和要轉(zhuǎn)換的通道號，通過片選信號與A0和A1端譯碼選擇需要的模擬通道，此時A0和A1為數(shù)據(jù)通道選擇輸入端。在完成數(shù)據(jù)通道的選擇之后，后續(xù)各引腳的工作過程與連續(xù)轉(zhuǎn)換方式下的情況類似。

圖2. ADS7825并行輸出電路原理圖

圖3. CY7C68013和ADS7825連接原理圖

2 USB接口單元

USB接口單元的主要實現(xiàn)芯片是Cypress公司的CY7C68013，負(fù)責(zé)完成硬件系統(tǒng)和PC上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。Cypress公司的EZ－USB FX2系列芯片是世界上第一個集成USB2.0協(xié)議的微處理器，它支持12Mb/s的全速傳輸和480Mb/s的高速傳輸，可使用4種USB傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸，完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。其CPU采用增強(qiáng)型8051，它比標(biāo)準(zhǔn)8051的速度更快、功能更強(qiáng)，且指令集和標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容，并可使用C51編譯器。FX2內(nèi)部包含8.5KB的RAM，它們兼做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，增強(qiáng)型8051的固件代碼就存儲在該區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)X2也具有I2C總線，以使其能從外部EEPROM中下載芯片程序。另外，F(xiàn)X2系列芯片采用3.3V供電，且可使用USB總線電源，但是功耗較大。

本系統(tǒng)中使用CY7C68013的PA0－PA6管腳作為AD工作狀態(tài)的控制信號，以決定ADS7825數(shù)據(jù)采集和存儲，PB0－PB7為8位數(shù)據(jù)總線根據(jù)工作狀態(tài)進(jìn)行高低8位的數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示為CY7C68013和ADS7825連接原理圖。

2.2 軟件程序的編寫

軟件程序包括包括三部分，芯片固件程序、驅(qū)動程序、上位機(jī)Win32應(yīng)用程序。

1 芯片固件程序

CY7C68013芯片固件程序負(fù)責(zé)PC發(fā)來的各種USB請求，以完成主機(jī)與外圍電路間的數(shù)據(jù)傳輸。該固件框架使用Keil C51 C編寫，其中使用了許多Keil C對標(biāo)準(zhǔn)C的擴(kuò)展。固件框架主要包含初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求以及USB掛起時的電源管理。

框架完成了一個簡單的任務(wù)循環(huán)（見圖4）。首先框架初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，然后條用用戶初始化函數(shù)TD_Init。從該函數(shù)返回后，框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷。然后每隔1s進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉，直到端點0接收到一個SETUP包。一旦檢測到SETUP包，框架將開始交互的任務(wù)調(diào)度，其任務(wù)調(diào)度的步驟如下：

①調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

②判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求等待處理，如果有，則分析該請求并響應(yīng)；其中，DR_VendorCmnd函數(shù)負(fù)責(zé)處理上位機(jī)發(fā)出的供應(yīng)商定義請求，通過上位機(jī)發(fā)送請求來控制AD采集的開始和結(jié)束。

③判斷USB內(nèi)核是否收到USB掛起信號。如果收到，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend。從該函數(shù)成功返回后，再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器進(jìn)入掛起方式；如果檢測到，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume，程序繼續(xù)運行。如果從TD_Suspend函數(shù)返回FALSE，則程序繼續(xù)運行。

圖4. 固件程序流程圖

圖5. 驅(qū)動程序流程圖

3 USB驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)

GPD（General Purpose Driver）是一個通用目的的設(shè)備驅(qū)動程序，是應(yīng)用程序與EZ-USB 外設(shè)進(jìn)行通信的橋梁。EZ-USB的GPD 代碼Cypress公司提供原型，用戶可以在此基礎(chǔ)上生成定制驅(qū)動程序。

1）定制驅(qū)動程序的生成

采用Cypress 提供的GPD，由于GPD 只能執(zhí)行一些標(biāo)準(zhǔn)的USB 設(shè)備請求和數(shù)據(jù)傳輸，

不能滿足用戶特定外設(shè)的需要，需進(jìn)行擴(kuò)充以生成用戶定制驅(qū)動程序。對GPD 中的EZUSBSYS. C，EZUSBSYS. H，SOURCES 進(jìn)行修改，再在WindowsDDK 與VC ++ 6. 0 下利用Build 命令重新編譯即可生成用戶定制驅(qū)動程序。

2）設(shè)備驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的接口

設(shè)備驅(qū)動程序介于硬件與用戶應(yīng)用軟件之間。用戶可以以一種規(guī)范的方式調(diào)用Win32API函數(shù)訪問硬件，而不必考慮如何控制硬件。為了方便人們開發(fā)新的驅(qū)動程序，Windows已經(jīng)自帶了一些類驅(qū)動程序，用戶只需要在這些類驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上編寫功能驅(qū)動程序來實現(xiàn)特定的功能。圖5給出了驅(qū)動程序的調(diào)用流程，可以清楚地看到功能驅(qū)動程序所處的層次。

開發(fā)過程中主要是了解應(yīng)用程序中如何調(diào)用驅(qū)動提供的接口函數(shù)。用戶應(yīng)用程序通過

I / O 控制調(diào)用訪問EZ-USB 設(shè)備驅(qū)動程序達(dá)到控制USB 設(shè)備的目的，應(yīng)用程序首先通過調(diào)用Win32函數(shù)CreateFile來取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，再利用Win32函數(shù)DeviceIoControl對設(shè)備進(jìn)行I / O 控制。

（1） 獲取設(shè)備句柄。

EZ-USB 設(shè)備驅(qū)動程序可以與多個EZ-USB 設(shè)備通信。每一個連接到主機(jī)的EZ-USB 設(shè)備，驅(qū)動程序都為它創(chuàng)建一個形如Ezusb-i（i從0遞增）的鏈接符。Win32 函數(shù)CreateFile以設(shè)備鏈接符為參數(shù)獲取第i個Ezusb設(shè)備的句柄。通過CreateFile函數(shù)獲取USB 設(shè)備句柄后，再利用I / O控制來處理設(shè)備的I / O 請求。

（2） 設(shè)備I / O 控制

應(yīng)用程序通過Win32 函數(shù)DeviceIoControl向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送I / O 請求。DeviceIoControl函數(shù)通過I / O 控制碼（IOCTRL）及其他輔助參數(shù)向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送特定的I / O 請求并返回操作結(jié)果，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制命令的傳輸。

3.2.3 Win32應(yīng)用程序

上位機(jī)應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)讀取硬件所輸出的數(shù)據(jù)采集結(jié)果并向下發(fā)送控制指令，而且能存儲和顯示采集到的波形。Win32程序使用VC＋＋6.0實現(xiàn)，通過USB中斷或塊傳輸來讀取AD采集結(jié)果，采樣速度可以達(dá)到20K。

4、結(jié)語

本文通過介紹ADS7825和EZ－USB FX2芯片的特點及相關(guān)的軟硬件基本開發(fā)過程，闡述了實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的全過程。根據(jù)上文提到方法設(shè)計了硬件并編寫了相應(yīng)的固件程序、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，在實際應(yīng)用中已獲得正常使用。