基于ARM嵌入式近红外光谱仪器的研制

　　1. 引言

　　近红外光谱主要是由分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的,记录的主要是含氢基团C-H、O-H、N-H等振动的倍频和合频吸收[1],具有丰富的物质结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。近红外光谱作为迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中起的作用越来越引起人们关注,由于样品在分析时基本不需要处理,且不破坏和消耗样品,自身又无环境污染,近红外光谱分析技术堪称是绿色分析仪器的典型代表[2],该技术已广泛应用于各领域包括农作物质量检测、食品成分分析、药物制剂分析、血氧的测定、石化工业分析、烟草行业中的应用等，是分析领域中最为活跃的热点。

　　文中采用基于ARM9内核的嵌入式系统S3C2410A为核心开发近红外光谱分析仪器。 作为32位的RISC(Reduced Instruction Set Computing)架构,基于ARM核的微控制器芯片具有较高的运行速度、较大的地址空间、低功耗和高性价比，具备在其上运行一个完整的嵌入式操作系统的能力，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。利用ARM来开发近红外光谱分析仪器,以触摸屏作为人机交换平台,取代了传统的键盘,脱离了定标等分析软件对微机的依赖,最终使用户在指引下通过简单的操作对样品进行检测。

　　2. 仪器结构与工作原理设计

　　2.1总体结构

　　本设计是基于ARM微处理器的滤光片型近红外光谱仪。总体结构如图(1)所示。光学系统中的光电检测信号经过ADC后,并行输入到单片机中进行初步数据处理,再由单片机串行发送到ARM微处理器中，利用ARM微处理器对光谱数据进行定标和分析，以及实现对光学系统、打印机和显示操作系统的控制。

　　图(1)总体结构图

　　2.2仪器光学原理结构

　　在近红外光谱测量技术中，对于分立波长型仪器是测量几个特定波长的光谱数据，并建立样品浓度与这些数据的关系。滤光片型的近红外仪器属于分立波长测量仪器，设计分别选取了在近红外光谱区内的11块不同透射波长的窄带干涉滤光片作为光谱仪器的分光系统。工作原理是：由光源发出的光经过滤光片得到一定带宽的分析光，当光进入样品内部后，通过与样品内部的漫反射作用返回表面，由光电检测器进行检测。漫反射光是分析光和样品内部分子发生了相互作用后的光，因此负载了样品的结构和组成信息，可用于样品成分测量。在测量过程中通过对滤光片盘的转动来得到不同波长的光，从而实现分光。

　　2.3 仪器的电学原理结构

　　本设计分为光谱数据采集系统和嵌入式控制系统两部分。