設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了光譜數(shù)據(jù)的傳輸和基于觸摸屏的人機(jī)交互平臺(tái)。實(shí)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(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的主要是含氫基團(tuán)Ｃ－Ｈ、Ｏ－Ｈ、Ｎ－Ｈ等振動(dòng)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(shí)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(diǎn)。

　　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?！∽鳛椋常参坏模遥桑樱茫ǎ遥澹洌酰悖澹洹。桑睿螅簦颍酰悖簦椋铮睢。樱澹簟。茫铮恚穑酰簦椋睿纾┘軜?gòu)，基于ＡＲＭ核的微控制器芯片具有較高的運(yùn)行速度、較大的地址空間、低功耗和高性價(jià)比，具備在其上運(yùn)行一個(gè)完整的嵌入式操作系統(tǒng)的能力，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)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(tái)，取代了傳統(tǒng)的鍵盤，脫離了定標(biāo)等分析軟件對(duì)微機(jī)的依賴，終使用戶在指引下通過簡單的操作對(duì)樣品進(jìn)行檢測。

　?。玻　x器結(jié)構(gòu)與工作原理設(shè)計(jì)

　?。玻笨傮w結(jié)構(gòu)

　　本設(shè)計(jì)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(hào)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(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)和分析，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)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

　?。玻矁x器光學(xué)原理結(jié)構(gòu)

　　在近紅外光譜測量技術(shù)中，對(duì)于分立波長型儀器是測量幾個(gè)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(jì)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(duì)濾光片盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來得到不同波長的光，從而實(shí)現(xiàn)分光。

　?。玻场x器的電學(xué)原理結(jié)構(gòu)

　　本設(shè)計(jì)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(jì)圖

　?。玻常惫庾V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(shí)現(xiàn)的。光譜信號(hào)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(hào)的減弱，從而保證光譜數(shù)據(jù)采集的。因此，在光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將ＡＤＣ芯片緊貼光傳感器，由單片機(jī)對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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?。疲欤幔螅柘到y(tǒng)引導(dǎo)，３通道ＵＡＲＴ，４通道ＤＭＡ，?。桑隙丝?，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(shí)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(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。利用ＡＲＭ微處理器實(shí)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(shí)現(xiàn)。Ｓ３Ｃ２４１０內(nèi)部具有兩個(gè)獨(dú)立的ＵＡＲＴ控制器，每個(gè)ＵＡＲＴ均具有１６字節(jié)的ＦＩＦＯ，支持的波特率可達(dá)到２３０．４Ｋｂｐｓ。對(duì)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(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的是異步通信的格式。數(shù)據(jù)位寫入主要是通過對(duì)８位數(shù)據(jù)傳送接收緩沖區(qū)寄存器ＵＲＸＨ１、ＵＲＸＨ２的寫入來實(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)。波特率設(shè)置通過函數(shù)ｃｆｓｅｔｉｓｐｅｅｄ和ｃｆｓｅｔｏｓｐｅｅｄ來實(shí)現(xiàn)，如本設(shè)計(jì)采用的是９６００波率，可以通過ｃｆｓｅｔｉｓｐｅｅｄ（＆ｎｅｗｔｉｏ，?。拢保保担玻埃埃缓停悖妫螅澹簦铮螅穑澹澹洌ǎΓ睿澹鳎簦椋?，　Ｂ１１５２００）；語句來實(shí)現(xiàn)波特率的設(shè)置。

　?。玻垂庾V數(shù)據(jù)的控制

　　光譜數(shù)據(jù)的是決定儀器優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，為了確保系統(tǒng)的光譜數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)通過增加采集信號(hào)，減少外界引入的噪聲這兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)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，可達(dá)２２４，在噪聲控制方面，為了減少系統(tǒng)的噪聲，設(shè)計(jì)中對(duì)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(gè)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(duì)有源器件的使用，并且每個(gè)有源器件都具有獨(dú)立的屏蔽，以減少電噪聲的引入。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，設(shè)計(jì)中的光譜數(shù)據(jù)采集可達(dá)到４位半的。

　?。常浖O(shè)計(jì)

　?。常被冢粒遥停瓜拢蹋椋睿酰到y(tǒng)的串口應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　由于嵌入式控制系統(tǒng)中所選取的微處理器是植入了Ｌｉｎｕｘ?。玻矗保竷?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(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)接收和打印的功能。

　?。常不谇度胧剑眩缘娜藱C(jī)交互界面應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　人機(jī)交互界面主要是利用基于Ｌｉｎｕｘ下的圖形界面設(shè)計(jì)開發(fā)工具Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ來實(shí)現(xiàn)。ＱＴ是挪威Ｔｒｏｌｌｔｅｃｈ　公司的一個(gè)標(biāo)志性產(chǎn)品。它的開發(fā)語言是Ｃ＋＋．，它為跨平臺(tái)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＋＋?。牵眨珊突冢蹋椋睿酰那度胧狡脚_(tái)開發(fā)工具。

　　光譜采集定標(biāo)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)包括了編譯環(huán)境的建立和應(yīng)用軟件程序的編譯兩個(gè)部分構(gòu)成。

　?。常玻本幾g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?。妫铮颉。兀保卑娴陌惭b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(jì)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(diǎn)是ｕｉｃ和ｄｅｓｉｇｎｅｒ工具的源文件會(huì)和Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ的庫一起編譯，所以根據(jù)“向前兼容”的原則，Ｑｔ?。妫铮颉。兀保薄〉陌姹緫?yīng)比Ｑｔ／Ｅｍｂｅｄｄｅｄ的版本舊。是對(duì)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。

　?。常玻矐?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(jì)器進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，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(duì)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(xiàng)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(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(yùn)行。用戶通過點(diǎn)觸觸摸屏就可以對(duì)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(jì)流程圖。

　　圖（４）軟件工作流程

　?。矗Y(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)利用了ＡＲＭ開發(fā)板的豐富接口模塊實(shí)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(shí)現(xiàn)了基于觸摸屏的人機(jī)交互平臺(tái)，使用者通過簡單的點(diǎn)觸操作就可以對(duì)一些物質(zhì)進(jìn)行分析?；冢粒遥臀⑻幚砥鞯那度胧浇t外光譜儀器使用和操作更為簡便是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，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。

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