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基于 ARM 分光光度計測量系統的研制
發布時間:2018-11-15 點擊次數:341次

真人百家家乐便攜式微型化是光譜儀器一個重要發展趨勢。便攜式微 型化是光譜儀器一個重要發展趨勢。本文通過對國內外可見分 光光度計的現狀和發展趨勢的研究,并結合嵌入式ARM 技術 的特點,提出了基于 ARM 的可見分光光 度計的設計方案。整個系統操作簡單,測 量準確,正確實現了各項基本功能。

分光光度計是利用分光光度法對物質 進行定性、定量分析的儀器。常見的波長 范圍有紫外光區 (200~400nm),可見光區 (400~760nm),近紅外光區 (760~2526nm)。 按工作光區的不同,分光光度計可分為可 見分光光度計、紫外可見分光光度計、紫 外可見近紅外分光光度計 [1]。 微型分光光度計具有體積小、重量輕、 探測速度快、便于攜帶和成本低廉等優點 , 可用在電腦配色、光源的色度光譜檢測、 印刷、涂料、造紙及紡織實驗室化學分析 等領域 , 因而引起了人們廣泛的興趣。分 光光度計主要由光學部分、光電轉換、視 頻信號模數轉換、USB( univ ersal serial bus) 接口和相關軟件組成。光學部分作用主要 是將積分球出射的光經過準直、色散、成 像在線陣 CCD( cha rg e couple device) 上[2]。

在自動化方面,儀器的自動化程度不 斷提高。20 世紀 60 年代,計算機技術被 國外公司廣泛使用。而我國從 20 世紀 80 年代初期開始重視實用計算機。隨著計算 機及其軟件技術的飛速發展,國內外許多 分光光度計的自動化程度已經達到相 當高的水平 [3]。但是隨著可見分光光度計 的自動化、便攜式、小型化和多功能化發展趨勢,以單片機為 處理器的產品往往存在數據處理能力相對較低、系統穩定性低 等不足。針對以上單片機處理器存在的不足,本文結合 ARM 處理器的高性能、小體積、低功耗、低成本,16/32 位雙指令集, 支持多種操作系統和開發工具的特點,提出了以 ARM 處理器 為控制器的可見分光光度計設計方案 。 一、ARM 嵌入式系統介紹 ARM 嵌入式定義是:以應用為中心、以計算機技術為基礎, 軟硬件可裁剪,適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、 功耗嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式計算機系統和執行裝 置共同構成了 ARM 嵌入式系統,如圖 1 所示。ARM 嵌入式處 理器主頻可達到幾十 MHz 至幾百 MHz,32 位結構,功能強大, 接口豐富,并且內部可以集成操作系統來實現任務的調度 。 整個 ARM 嵌入式系統的核心是嵌入式計算機系統。它由 硬件層、中間層、系統軟件層和應用軟件層組成。

真人百家家乐執行裝置也 稱為被控對象,接收嵌入式計算機系統發出的控制命令,執行 所規定的任務和操作。 嵌入式 CPU 是在特地為用戶群專門設計的系統中工作, 將通用 CPU 中許多由板卡完成的任務集成到芯片內部,在保 證系統性和可靠性的同時,還使系統符合小型化的設計趨 勢 [7]。 ARM 處理器核是系統中的引擎,它從存儲器讀取 ARM 或 Thumb 指令并執行 [8]。ARM 微處理器核采用 RISC 構架, 其特點是體積小、低功耗、低成本、高性能;支持 Thumb(16 位 )/ARM(32 位 ) 雙指令集,能很好的兼容 8 位 /16 位器件; 大多數據操作都在寄存器中完成;大量使用寄存器,指令執行 速度更快;指令長度固定;尋址方式靈活簡單,執行效率高。 目前 ARM 處理器核中,應用較多的有 ARM7 系列、ARM9 系 列、ARM9E 系 列、ARM10E 系 列、SecurCore 系 列 和 Intel 的 Xscale、StrongARM 系列。每個系列具有相對獨特的性能來滿 足不同應用領域的需求。 二、硬件電路的設計 整個硬件系統從功能上分為光學系統、數據采集模塊、微 處理器模塊、人機交互模塊、外圍通訊模塊。本測量系統的總 體結構如圖 2 所示。光源燈發射的連續復合光譜經單色器分解 成不同波長的單色光。單色光照射到溶液上,部分被溶液吸收, 部分透射溶液后照射到光電傳感器,轉換成微弱光電流。光電 流經放大、濾波后以模擬量(與光電流成比例的電壓值)形式 輸入模數轉換器轉換成數字信號。 根據操作者的指令,系統自動完成相應功能,如透射比、 吸光度及濃度檢測,曲線繪制,打印,保存及傳輸功能 [10]。 CCD(charge couple device) 電荷耦合器件應用系統的關鍵技 術在于驅動時序的產生和輸出信號的采集與處理 [11]。 三、基于 ARM 的系統設計實例 隨著電子技術的飛速發展,用戶在分光光度計的精度與片, 此 芯 片 程 序 內 在 達 到 512KB、 存 儲 器 容 量(RAM) 為 64KB、CPU 速度高達 72MHz、IO 口 為 80 個、而且支持 CAN, SPI,USB,DMA 等。 此儀器的設計難點在 于 ARM 開 發 環 境 的 搭 建, 以 及 如 何 將 MCS51 系統上程序移 植到此平臺上 [10]。 ARM Cortex-M3 環境搭建:開發平臺 使 用 Keil uVision5; 獲 取 STM32F103X 固 件 庫 STM32F10x_ StdPeriph_Lib_ V3.5.0; 調 試 工 具 JLink v8。為個能快速 熟悉、掌握、應用此 開發平臺,于是購買 了 STM32F103 芯片系列的開發板。按照 開發板給出的例程,逐步學習、調試、 修改環境中的各個配置。 程 序 移 植: 因 MCU 的 主 頻 率 由 11M 到 72M,延時程序需重新調整;外 設 芯 片 的 驅 動 模 式, 如 EEPROM 芯 片 W25Q16 由原來的 IO 口直接驅動,而改 成 SPI 驅動、馬達動芯片由原達林頓改 為 THB6128 雙全橋 MOSFET 驅動。測試 數 據 加“CRC-16/MODBUS” 校 驗, 確 保數據的準確性。與 PC 軟件通訊端口 采用 DMA 模式數據傳送,很大程度上 減輕了 CPU 資源點有率,大大節省系統 資源,提高數據傳速率。 UV2350 分光光度計波長系統采用絲 桿加細分電機模式,波長分辨率為 0.1nm; A/D 轉換器采用了 16 位的 AD7683 BRMZ 芯片,大大提高了儀器的度。 UV2350 準確的說他不僅僅是一款儀器, 而是 ARM Cortex-M3 的一個開發平臺。 因有足夠大的存儲容量、足夠多的 IO 端 口,為以下的儀器擴展奠定了基礎。 2014 年 至 2015 年 2 年 間 在 ARM Cortex-M3 平 臺 陸 續 推 出 了 2150x、 LMT、V1600T、食品安全測試儀等機型。 2150x 更換了波長定位系統,采用了 細分電機(128 細分)直接驅動光柵的模 式。此方式的優點是波長定位快、造價低、 系統穩定、一致性強對批量生產帶來了 方便。難點是波長對照表的生成,光柵 系數每毫米 1200 條刻劃,采用平面光柵 LITTROW 系 統 2a*SIN =mλ 在 excel 里計算出數據表如下(詳細計算方式略)。 LMT 為美國 LaMotte 公司訂制開發, 此 儀 器 內 置 LaMotte 公 司 100 多 條 專 用 測試、而且增加蘋果認證過的 RN42 藍 牙芯片。V1600T 液晶顯示器改為 240*128 分辨率,可外接藍牙 打印機。

真人百家家乐四、結論 可見分光光度計以成為應用面最廣的分析儀器之一。它的 應用領域涉及制藥、醫療衛生、化學化工、生物、材料、農業、 林業、漁業、環保、石油、食品等領域中的科研、教學、生產 等各個方面。根據分光光度計的特殊要求,選用合適的芯片構 建分光光度計探測器驅動和數據傳輸的軟硬件系統,回避了繁 瑣的固件和驅動程序設計,簡化了開發過程,縮短了開發時間 , 更易于為工程實踐所采用。


 

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