基于DSP的偏最小二乘法光度分析仪设计

　　随着科学技术的发展, 对物质含量的准确测定要求越来越高, 由于组分之间的相互干扰和仪器本身的噪声, 致使对组分的测定不能准确进行。为此, 科学工作者提出了许多校正方法, 偏最小二乘法就是其中的一种。由于该方法需要进行大量的矩阵运算, 要求处理器要有较高的运算速度才能满足实际工作需要。

　　文中利用 TI 公司的 TMS320C5410 型 DSP 作为算法处理模块, 提出了一种偏最小二乘法光度分析仪设计方案。该方案具有运算速度快、精度高的特点, 具有很好的推广价值。

　　1 偏最小二乘法(PLS)原理

　　PLS 是一种多变量校正方法, 其数学基础是主成分分析。设浓度矩阵和相应的量测响应矩阵分别为 Y和 X, 有:

　　X=TP+E (1)

　　Y=UQ+F (2)

　　式中, T 和 U 分别为 X 的 Y 的得分矩阵, P 和 Q 分别为 X和 Y的载荷矩阵, E 和 F 分别为用 PLS 拟合矩阵 X和 Y时所引进的误差。

　　在 PLS 中, 用矩阵 Y的列去计算矩阵 X的因子, 同时, 矩阵Y的因子由矩阵 X的列去预测。分解得到的 T和 U 矩阵分别是除去了大部分测量误差的响应和浓度的信息。在 PLS 中, 利用各列向量相互正交的特征响应矩阵 T 和特征浓度矩阵 U 进行回归:

　　图中, 由吸收池和参比池过来的光信号经光电转换器转换为电压信号后, 再由数据采集卡对被测信号进行采样, 然后送入计算机, PC 机将接收到的数据再送进 DSP 系统进行 PLS 运算, 最后, DSP 将运算结果返回 PC 机, 以便显示结果和存储及打印。本文主要讨论图 1 中的 DSP 系统。

　　TI 公司的 TMS320C5410 DSP 是一个 16 位定点数字信号处理器, 具有运算能力强、功耗小的特点。其改进的哈佛结构, 程序空间与数据空间相互独立, 内部 8 条高度并行的总线, 片上集成存储器和主机接口等多种智能外设, 以及专门用途的硬件逻辑, 并具有完善的寻址方式和强大的指令集, 使得该芯片具有很高的处理速度和广泛的使用性。

　　(1)TMS320C5410 与 PC 机之间数据通信的设计

　　文中采用主- 从式的 PC- DSP 系统。PC 机的任务主要是提供良好的人机交互环境, DSP 作为系统的快速处理的执行者,以高速完成算法地实现。图 2 给出了 PC 与 DSP 主- 从式电路原理图。

　　主- 从式处理器系统的设计关键在于处理器之间的数据交换。主- 从处理器间的数据交换主要有串行、并行和共享存储器方式。其中共享存储器方式又分为 DMA 方式和双端口存储器方式。文中采用 CYPRESS 公司的双口 RAM CY7C026V 实现PC 机与 C5410 之间的数据交换。

　　CY7C026V是一 16K×16 的双端口 RAM, 其内部具有两组独立的地址、数据总线及读写控制线, 采用 CY7C026V 可以不加任何逻辑构成 16K×16 位的双端口存储系统。CY7C026V的两个端口与普通的 RAM 一样, 允许 DSP 和主机进行读写操作。