基于ARM嵌入式处理器的微型分光光度计研究

　　1　引　言

　　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(universal 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(charge couple device)上。线阵CCD驱动时序由Philips公司的ARM( advanced RISC machines)处理器LPC2212产生,串行输出的视频信号经过前端预处理电路进入LPC2212的片上A/D转换器,采集到的数字信号经过片上的UART串口,由USB接口传输到计算机进行数据处理。LPC2212有多种接口,便于今后仪器功能扩展。现将详细讨论分光光度计的原理,CCD驱动时序的产生, USB接口通信等问题。

　　1.1　系统结构和原理

　　系统的测量装置如下[1]:

　　(1)以卤钨灯为照明光源的单通道结构,观察照明条件d/0;

　　(2)单色系统采用自准直成像系统,也就是准直光路和聚焦光路基本重叠的成像系统,有利于节省仪器的空间。把入射光分解为彩色光谱条纹,并投射到CCD传感器上[2]。

　　(3)用线阵CCD作为光电转换器件,实现快速测量。将光谱信号转换为相应的电信号输出。

　　(4)电学处理包括CCD驱动,视频信号放大,A/D转换以及发送数据和指令接受等功能。

　　(5)PC机通过控制整个仪器,并完成色度参数的计算,光谱曲线绘制和文件保存等。

　　1.2　测色原理

　　比较法是通过定量地比较某些已知光谱特性的参照物和样品在同一波长上的透射或反射的单色辐射功率,从而测出样品的光谱透射比或光谱反射比。实验装置的结构为单光路系统,即仪器只有一条光路,参照物和样品依次放在光路中进行测量。它的优点是不但能严格地保持参照物和样品在完全相同的光路中进行测量,而且结构简单。设W(λ)为标准白板的仪器响应值;B(λ)为预先标定好的标准白板的光谱反射率;S(λ)为被测样品的仪器响应值;R(λ)为待计算的被测样品的光谱反射率;Φ0(λ)为入射辐射通量;ΦS(λ)和ΦW(λ)分别为测样品时和测白板时接收的反射通量;k为仪器的转换系数。根据定义,反射率是反射通量与入射通量之比,可分别写出测样品时和测白板时的仪器响应值表示为[1]:

将(1)式,(2)式相比得到被测量样品的光谱反射率公式:

由反射率可以计算颜色的三刺激值:

其中,为CIE标准观察者三刺激值,E(λ)为照明光源辐射通量函数,积分区间为可见光光谱范围,380nm～780nm。