当前位置:主页 > 新闻中心 > 基于 ARM 分光光度计测量系统的研制
基于 ARM 分光光度计测量系统的研制
时间:2018-11-15 点击次数:504

便携式微型化是光谱仪器一个重要发展趋势。便携式微 型化是光谱仪器一个重要发展趋势。本文通过对国内外可见分 光光度计的现状和发展趋势的研究,并结合嵌入式ARM 技术 的特点,提出了基于 ARM 的可见分光光 度计的设计方案。整个系统操作简单,测 量准确,正确实现了各项基本功能。

分光光度计是利用分光光度法对物质 进行定性、定量分析的仪器。常见的波长 范围有紫外光区 (200~400nm),可见光区 (400~760nm),近红外光区 (760~2526nm)。 按工作光区的不同,分光光度计可分为可 见分光光度计、紫外可见分光光度计、紫 外可见近红外分光光度计 [1]。 微型分光光度计具有体积小、重量轻、 探测速度快、便于携带和成本低廉等优点 , 可用在电脑配色、光源的色度光谱检测、 印刷、涂料、造纸及纺织实验室化学分析 等领域 , 因而引起了人们广泛的兴趣。分 光光度计主要由光学部分、光电转换、视 频信号模数转换、USB( univ ersal serial bus) 接口和相关软件组成。光学部分作用主要 是将积分球出射的光经过准直、色散、成 像在线阵 CCD( cha rg e couple device) 上[2]。

在自动化方面,仪器的自动化程度不 断提高。20 世纪 60 年代,计算机技术被 国外公司广泛使用。而我国从 20 世纪 80 年代初期开始重视实用计算机。随着计算 机及其软件技术的飞速发展,国内外许多 分光光度计的自动化程度已经达到相 当高的水平 [3]。但是随着可见分光光度计 的自动化、便携式、小型化和多功能化发展趋势,以单片机为 处理器的产品往往存在数据处理能力相对较低、系统稳定性低 等不足。针对以上单片机处理器存在的不足,本文结合 ARM 处理器的高性能、小体积、低功耗、低成本,16/32 位双指令集, 支持多种操作系统和开发工具的特点,提出了以 ARM 处理器 为控制器的可见分光光度计设计方案 。 一、ARM 嵌入式系统介绍 ARM 嵌入式定义是:以应用为中心、以计算机技术为基础, 软硬件可裁剪,适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机系统和执行装 置共同构成了 ARM 嵌入式系统,如图 1 所示。ARM 嵌入式处 理器主频可达到几十 MHz 至几百 MHz,32 位结构,功能强大, 接口丰富,并且内部可以集成操作系统来实现任务的调度 。 整个 ARM 嵌入式系统的核心是嵌入式计算机系统。它由 硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。

执行装置也 称为被控对象,接收嵌入式计算机系统发出的控制命令,执行 所规定的任务和操作。 嵌入式 CPU 是在特地为用户群专门设计的系统中工作, 将通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部,在保 证系统性和可靠性的同时,还使系统符合小型化的设计趋 势 [7]。 ARM 处理器核是系统中的引擎,它从存储器读取 ARM 或 Thumb 指令并执行 [8]。ARM 微处理器核采用 RISC 构架, 其特点是体积小、低功耗、低成本、高性能;支持 Thumb(16 位 )/ARM(32 位 ) 双指令集,能很好的兼容 8 位 /16 位器件; 大多数据操作都在寄存器中完成;大量使用寄存器,指令执行 速度更快;指令长度固定;寻址方式灵活简单,执行效率高。 目前 ARM 处理器核中,应用较多的有 ARM7 系列、ARM9 系 列、ARM9E 系 列、ARM10E 系 列、SecurCore 系 列 和 Intel 的 Xscale、StrongARM 系列。每个系列具有相对独特的性能来满 足不同应用领域的需求。 二、硬件电路的设计 整个硬件系统从功能上分为光学系统、数据采集模块、微 处理器模块、人机交互模块、外围通讯模块。本测量系统的总 体结构如图 2 所示。光源灯发射的连续复合光谱经单色器分解 成不同波长的单色光。单色光照射到溶液上,部分被溶液吸收, 部分透射溶液后照射到光电传感器,转换成微弱光电流。光电 流经放大、滤波后以模拟量(与光电流成比例的电压值)形式 输入模数转换器转换成数字信号。 根据操作者的指令,系统自动完成相应功能,如透射比、 吸光度及浓度检测,曲线绘制,打印,保存及传输功能 [10]。 CCD(charge couple device) 电荷耦合器件应用系统的关键技 术在于驱动时序的产生和输出信号的采集与处理 [11]。 三、基于 ARM 的系统设计实例 随着电子技术的飞速发展,用户在分光光度计的精度与片, 此 芯 片 程 序 内 在 达 到 512KB、 存 储 器 容 量(RAM) 为 64KB、CPU 速度高达 72MHz、IO 口 为 80 个、而且支持 CAN, SPI,USB,DMA 等。 此仪器的设计难点在 于 ARM 开 发 环 境 的 搭 建, 以 及 如 何 将 MCS51 系统上程序移 植到此平台上 [10]。 ARM Cortex-M3 环境搭建:开发平台 使 用 Keil uVision5; 获 取 STM32F103X 固 件 库 STM32F10x_ StdPeriph_Lib_ V3.5.0; 调 试 工 具 JLink v8。为个能快速 熟悉、掌握、应用此 开发平台,于是购买 了 STM32F103 芯片系列的开发板。按照 开发板给出的例程,逐步学习、调试、 修改环境中的各个配置。 程 序 移 植: 因 MCU 的 主 频 率 由 11M 到 72M,延时程序需重新调整;外 设 芯 片 的 驱 动 模 式, 如 EEPROM 芯 片 W25Q16 由原来的 IO 口直接驱动,而改 成 SPI 驱动、马达动芯片由原达林顿改 为 THB6128 双全桥 MOSFET 驱动。测试 数 据 加“CRC-16/MODBUS” 校 验, 确 保数据的准确性。与 PC 软件通讯端口 采用 DMA 模式数据传送,很大程度上 减轻了 CPU 资源点有率,大大节省系统 资源,提高数据传速率。 UV2350 分光光度计波长系统采用丝 杆加细分电机模式,波长分辨率为 0.1nm; A/D 转换器采用了 16 位的 AD7683 BRMZ 芯片,大大提高了仪器的度。 UV2350 准确的说他不仅仅是一款仪器, 而是 ARM Cortex-M3 的一个开发平台。 因有足够大的存储容量、足够多的 IO 端 口,为以下的仪器扩展奠定了基础。 2014 年 至 2015 年 2 年 间 在 ARM Cortex-M3 平 台 陆 续 推 出 了 2150x、 LMT、V1600T、食品安全测试仪等机型。 2150x 更换了波长定位系统,采用了 细分电机(128 细分)直接驱动光栅的模 式。此方式的优点是波长定位快、造价低、 系统稳定、一致性强对批量生产带来了 方便。难点是波长对照表的生成,光栅 系数每毫米 1200 条刻划,采用平面光栅 LITTROW 系 统 2a*SIN =mλ 在 excel 里计算出数据表如下(详细计算方式略)。 LMT 为美国 LaMotte 公司订制开发, 此 仪 器 内 置 LaMotte 公 司 100 多 条 专 用 测试、而且增加苹果认证过的 RN42 蓝 牙芯片。V1600T 液晶显示器改为 240*128 分辨率,可外接蓝牙 打印机。

四、结论 可见分光光度计以成为应用面广的分析仪器之一。它的 应用领域涉及制药、医疗卫生、化学化工、生物、材料、农业、 林业、渔业、环保、石油、食品等领域中的科研、教学、生产 等各个方面。根据分光光度计的特殊要求,选用合适的芯片构 建分光光度计探测器驱动和数据传输的软硬件系统,回避了繁 琐的固件和驱动程序设计,简化了开发过程,缩短了开发时间 , 更易于为工程实践所采用。

扫一扫,加微信

版权所有 © 2019 上海奥析科学仪器有限公司
备案号:沪ICP备13035263号-2 技术支持:化工仪器网 管理登陆 GoogleSitemap

扫一扫访问手机站扫一扫访问手机站
访问手机站