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(cè)量。近紅外光譜作為迅速崛起的光譜分析技術(shù)在分析測(cè)試領(lǐng)域中起的作用越來(lái)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(wú)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(cè)、食品成分分析、藥物制劑分析、血氧的測(cè)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zui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(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(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)。利用ARM來(lái)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,zui終使用戶在指引下通過(guò)簡(jiǎn)單的操作對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。

2. 儀器結(jié)構(gòu)與工作原理設(shè)計(jì)

2．1總體結(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(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)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。

2．2儀器光學(xué)原理結(jié)構(gòu)

　　在近紅外光譜測(cè)量技術(shù)中，對(duì)于分立波長(zhǎng)型儀器是測(cè)量幾個(gè)特定波長(zhǎng)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(zhǎng)測(cè)量?jī)x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(zhǎng)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(guò)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(guò)與樣品內(nèi)部的漫反射作用返回表面，由光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)量。在測(cè)量過(guò)程中通過(guò)對(duì)濾光片盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)得到不同波長(zhǎng)的光，從而實(shí)現(xiàn)分光。

2．3 儀器的電學(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。

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(lái)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(guò)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)采集的精度。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)紸RM微處理器中，這樣的設(shè)計(jì)可以減少數(shù)據(jù)的傳輸距離，避免因長(zhǎng)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(shí)鐘倍頻器等。S3C2410A采用了ARM920T內(nèi)核，它的低功耗、精簡(jiǎn)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(lái)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zui高波特率可達(dá)到230.4Kbps。對(duì)ARM中的串口的設(shè)置主要是通過(guò)編寫串口通信協(xié)議程序來(lái)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(guò)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(lái)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(guò)程中，數(shù)據(jù)位從zui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(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(guò)清零c_cflag中的CSTOPB來(lái)實(shí)現(xiàn)。波特率設(shè)置通過(guò)函數(shù)cfsetisp