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一、概述 谷物品質快速檢測儀是應用近紅外光譜分析技術來檢測谷物的內部品質，如粗蛋白，水分等。隨著光學、計算機處理技術、化學計量學理論和方法的不斷發展，以及新型近紅外儀器的不斷出現和軟件版本的不斷翻新，近紅外光譜技術的穩定性、實用性和準確性不斷提高；其分析快速，簡便，非破壞性以及可同時測定多成分的優點不斷為人們所認識；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，以及對生產加工過程進行在線質量控制；分析對象也從粉樣樣品擴展到分析完整籽粒樣品。 本文研究的目的就是快速、準確地測得谷物品質的相關參數，所以儀器的性能就體現在快速、準確的測試并分析測試結果的能力。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、測樣器件、檢測器和控制及數據采集處理系統組成；其中的關鍵部件就是光譜數據采集和分析單元，本文主要討論數據采集部分的設計及實現。 圖1.近紅外光譜儀器示意圖 1－光源；2－分光系統；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；8－USB數據采集通訊部分 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。同時為了適應現代儀器的小型化和通用化，儀器和計算機的連接也要求我們選擇USB接口總線，從而實現光譜數據的高速采集和傳輸，并完成谷物品質的快速檢測。 二、系統設計 該系統可對4路模擬信號進行不間斷采集，輸入信號范圍－10V～+10V，AD轉換位數16位。設計多通道數據采集目的，為了實現多通道的差分信號采集來補償溫度等其它因素產生的噪聲。由于溫度的變化對CCD有很大的影響，所以系統采用了兩個CCD，每兩路對同一個CCD進行差分采集。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的性能，從而保證測量的準確性。 該采集系統總體框架為主機（能支持USB2.0計算機）、內部包含CPU及FIFO高速緩存的USB接口控制芯片FX2和高速模數轉換器（ADS7825）。系統分為硬件設計和軟件設計兩部分。其中硬件設計主要是以ADS7825為核心的數據采集單元和以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設備驅動程序和上位機Win32應用程序。下面分別介紹數據采集的軟硬件設計部分。 2.1 硬件設計 硬件設計主要是實現數據采集單元和USB數據傳輸單元電路設計。其數據傳輸為控制信號和采集數據。控制信號方向為主機到外設（OUT），數據量較小；采集到的數據由外設到主機（IN），數據量較大。系統基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號CLK；A/D轉換完成的數據直接進入CY7C68013的內部端點FIFO，當FIFO容量達到指定程度后，自動將數據打包傳送給USB總線，主機進行接收，保證有較高的傳輸速度。 1 數據采集模塊 數據采集模塊主要實現以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號進行AD轉換。ADS7825是BB公司生產的高性能模數轉換器件，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）腳變為低電平并至少保持40ns開始，啟動轉換。BUSY（pin24）腳變為低電平，并保持到數據轉換和數據輸出寄存器刷新完畢。如果BYTE（pin21）腳為低電平，在BUSY的上升沿，觸發輸出信號的高8位數字；相反，若BYTE腳為高電平，輸出信號的低8位數字。最終轉換的數據以完全二進制數字格式輸出。REF是外部參考電壓輸入端或內部參考2.5V電壓輸出端。此引腳應與一個2.2μF電容相連，并與REF腳的輸出阻抗構成一個低通濾波器濾過帶限噪聲。CAP為內部參考電壓的緩沖輸出端，也應與一個2.2μF電容相連，在ADS7825的轉換周期內，這樣連接可提供給內置D／A轉換器最佳的轉換寫入電流，同時對緩沖輸出也是一種補償。另外，在BUSY為低電平期間，不再接受新的轉換指令。ADS7825在并行輸出模式情況下，根據通道選擇方式的不同，還可以分為連續轉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處于連續轉換工作模式。此時，ADS7825將按順序連續采集和轉換4路通道中的信號；而在CONTC變為高電平之前，當前通道號就相應存入A0和A1通道選擇的寄存器中，也就是說在連續轉換模式下（即CONTCE為HIGH），A0和A1為輸出端。對于前一個通道來說，輸出數據BUSY在跳變為高電平時變為有效。另外，每一次轉換結束，BUSY要跳變為高電平時，A0和A1能夠輸出將要轉換信號的通道號。 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。控制器發出數據轉換指令和要轉換的通道號，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為數據通道選擇輸入端。在完成數據通道的選擇之后，后續各引腳的工作過程與連續轉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芯片是Cypress公司的CY7C68013，負責完成硬件系統和PC上位機之間的數據傳輸。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采用增強型8051，它比標準8051的速度更快、功能更強，且指令集和標準8051完全兼容，并可使用C51編譯器。FX2內部包含8.5KB的RAM，它們兼做程序存儲器和數據存儲器，增強型8051的固件代碼就存儲在該區域內，FX2也具有I2C總線，以使其能從外部EEPROM中下載芯片程序。另外，FX2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。 本系統中使用CY7C68013的PA0－PA6管腳作為AD工作狀態的控制信號，以決定ADS7825數據采集和存儲，PB0－PB7為8位數據總線根據工作狀態進行高低8位的數據傳輸。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、驅動程序、上位機Win32應用程序。 1 芯片固件程序 CY7C68013芯片固件程序負責PC發來的各種USB請求，以完成主機與外圍電路間的數據傳輸。該固件框架使用Keil C51 C編寫，其中使用了許多Keil C對標準C的擴展。固件框架主要包含初始化、處理標準USB設備請求以及USB掛起時的電源管理。 框架完成了一個簡單的任務循環（見圖4）。首先框架初始化內部的狀態變量，然后條用用戶初始化函數TD_Init。從該函數返回后，框架初始化USB接口到未配置狀態并使能中斷。然后每隔1s進行一次設備重枚舉，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調度，其任務調度的步驟如下： ①調用用戶函數TD_Poll，實現數據采集。 ②判斷是否有標準設備請求等待處理，如果有，則分析該請求并響應；其中，DR_VendorCmnd函數負責處理上位機發出的供應商定義請求，通過上位機發送請求來控制AD采集的開始和結束。 ③判斷USB內核是否收到USB掛起信號。如果收到，則調用用戶函數TD_Suspend。從該函數成功返回后，再檢測是否發生USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器進入掛起方式；如果檢測到，則調用用戶函數TD_Resume，程序繼續運行。如果從TD_Suspend函數返回FALSE，則程序繼續運行。 圖4. 固件程序流程圖 圖5. 驅動程序流程圖 2 USB驅動程序和應用程序的開發 GPD（General Purpose Driver）是一個通用目的的設備驅動程序，是應用程序與EZ-USB 外設進行通信的橋梁。EZ-USB的GPD 代碼Cypress公司提供原型，用戶可以在此基礎上生成定制驅動程序。 1）定制驅動程序的生成 采用Cypress 提供的GPD，由于GPD 只能執行一些標準的USB 設備請求和數據傳輸， 不能滿足用戶特定外設的需要，需進行擴充以生成用戶定制驅動程序。對GPD 中的EZUSBSYS. C，EZUSBSYS. H，SOURCES 進行修改，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動程序。 2）設備驅動程序與應用程序的接口 設備驅動程序介于硬件與用戶應用軟件之間。用戶可以以一種規范的方式調用Win32API函數訪問硬件，而不必考慮如何控制硬件。為了方便人們開發新的驅動程序，Windows已經自帶了一些類驅動程序，用戶只需要在這些類驅動程序的基礎上編寫功能驅動程序來實現特定的功能。圖5給出了驅動程序的調用流程，可以清楚地看到功能驅動程序所處的層次。 開發過程中主要是了解應用程序中如何調用驅動提供的接口函數。用戶應用程序通過 I / O 控制調用訪問EZ-USB 設備驅動程序達到控制USB 設備的目的，應用程序首先通過調用Win32函數CreateFile來取得訪問設備驅動程序的句柄，再利用Win32函數DeviceIoControl對設備進行I / O 控制。 （1）獲取設備句柄。 EZ-USB 設備驅動程序可以與多個EZ-USB 設備通信。每一個連接到主機的EZ-USB 設備，驅動程序都為它創建一個形如Ezusb-i（i從0遞增）的鏈接符。Win32 函數CreateFile以設備鏈接符為參數獲取第i個Ezusb設備的句柄。通過CreateFile函數獲取USB 設備句柄后，再利用I / O控制來處理設備的I / O 請求。 （2）設備I / O 控制 應用程序通過Win32 函數DeviceIoControl向設備驅動程序發送I / O 請求。DeviceIoControl函數通過I / O 控制碼（IOCTRL）及其他輔助參數向設備驅動程序發送特定的I / O 請求并返回操作結果，來實現數據或控制命令的傳輸。 3.2.3 Win32應用程序 上位機應用程序主要負責讀取硬件所輸出的數據采集結果并向下發送控制指令，而且能存儲和顯示采集到的波形。Win32程序使用VC＋＋6.0實現，通過USB中斷或塊傳輸來讀取AD采集結果，采樣速度可以達到20K。 五、結語 本文通過介紹ADS7825和EZ－USB FX2芯片的特點及相關的軟硬件基本開發過程，闡述了實現光譜數據采集系統的全過程。筆者根據上文提到方法設計了硬件并編寫了相應的固件程序、驅動程序和應用程序，在實際應用中已獲得正常使用。 |
