一,、概述
谷物品質(zhì)快速檢測儀是應用近紅外光譜分析技術來檢測谷物的內(nèi)部品質(zhì)，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(fā)展,，以及新型近紅外儀器的不斷出現(xiàn)和軟件版本的不斷翻新,，近紅外光譜技術的穩(wěn)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(yōu)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(chǎn)加工過程進行在線質(zhì)量控制,；分析對象也從粉樣樣品擴展到分析完整籽粒樣品[5]。
本文研究的目的就是快速,、準確地測得谷物品質(zhì)的相關參數(shù),，所以儀器的性能就體現(xiàn)在快速、準確的測試并分析測試結(jié)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(tǒng),、測樣器件,、檢測器和控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成；其中的關鍵部件就是光譜數(shù)據(jù)采集和分析單元,，本文主要討論數(shù)據(jù)采集部分的設計及實現(xiàn),。
圖1.近紅外光譜儀器示意圖
1－光源；2－分光系統(tǒng),；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(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的高速采集和傳輸,，并完成谷物品質(zhì)的快速檢測。
二,、系統(tǒng)設計
該系統(tǒng)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(zhuǎn)換位數(shù)16位,。設計多通道數(shù)據(jù)采集目的,，為了實現(xiàn)多通道的差分信號采集來補償溫度等其它因素產(chǎn)生的噪聲。由于溫度的變化對CCD有很大的影響,，所以系統(tǒng)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(tǒng)的性能，從而保證測量的準確性,。
該采集系統(tǒng)總體框架為主機（能支持USB2.0計算機）,、內(nèi)部包含CPU及FIFO高速緩存的USB接口控制芯片F(xiàn)X2和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADS7825）。系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(qū)動程序和上位機Win32應用程序,。下面分別介紹數(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB數(shù)據(jù)傳輸單元電路設計。其數(shù)據(jù)傳輸為控制信號和采集數(shù)據(jù),?？刂菩盘柗较驗橹鳈C到外設（OUT），數(shù)據(jù)量較??；采集到的數(shù)據(jù)由外設到主機（IN），數(shù)據(jù)量較大,。系統(tǒng)基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號CLK,；A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)直接進入CY7C68013的內(nèi)部端點FIFO，當FIFO容量達到指定程度后,，自動將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊[1]
數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號進行AD轉(zhuǎn)換,。ADS7825是BB公司生產(chǎn)的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)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?yōu)榈碗娖讲⒅辽俦３?0ns開始，啟動轉(zhuǎn)換,。BUSY（pin24）腳變?yōu)榈碗娖?，并保持到?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)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(fā)輸出信號的高8位數(shù)字；相反,，若BYTE腳為高電平,，輸出信號的低8位數(shù)字。最終轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以完全二進制數(shù)字格式輸出,。REF是外部參考電壓輸入端或內(nèi)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(gòu)成一個低通濾波器濾過帶限噪聲,。CAP為內(nèi)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(zhuǎn)換周期內(nèi),，這樣連接可提供給內(nèi)置D／A轉(zhuǎn)換器最佳的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換指令。ADS7825在并行輸出模式情況下,，根據(jù)通道選擇方式的不同,，還可以分為連續(xù)轉(zhuǎn)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(xù)轉(zhuǎn)換工作模式,。此時,，ADS7825將按順序連續(xù)采集和轉(zhuǎn)換4路通道中的信號；而在CONTC變?yōu)楦唠娖街埃斍巴ǖ捞柧拖鄳嫒階0和A1通道選擇的寄存器中,，也就是說在連續(xù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)BUSY在跳變?yōu)楦唠娖綍r變?yōu)橛行АＡ硗?，每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束,，BUSY要跳變?yōu)楦唠娖綍r，A0和A1能夠輸出將要轉(zhuǎn)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?？刂破靼l(fā)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令和要轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)通道選擇輸入端,。在完成數(shù)據(jù)通道的選擇之后,，后續(xù)各引腳的工作過程與連續(xù)轉(zhuǎn)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(xiàn)芯片是Cypress公司的CY7C68013,，負責完成硬件系統(tǒng)和PC上位機之間的數(shù)據(jù)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(xié)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(nèi)部包含8.5KB的RAM，它們兼做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器,，增強型8051的固件代碼就存儲在該區(qū)域內(nèi),，F(xiàn)X2也具有I2C總線，以使其能從外部EEPROM中下載芯片程序,。另外,，F(xiàn)X2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,。 [2]
本系統(tǒng)中使用CY7C68013的PA0－PA6管腳作為AD工作狀態(tài)的控制信號,，以決定ADS7825數(shù)據(jù)采集和存儲，PB0－PB7為8位數(shù)據(jù)總線根據(jù)工作狀態(tài)進行高低8位的數(shù)據(jù)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(qū)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(fā)來的各種USB請求,，以完成主機與外圍電路間的數(shù)據(jù)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(huán)（見圖4）,。首先框架初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量,，然后條用用戶初始化函數(shù)TD_Init。從該函數(shù)返回后,，框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)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(diào)度，其任務調(diào)度的步驟如下：
①調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)負責處理上位機發(fā)出的供應商定義請求,，通過上位機發(fā)送請求來控制AD采集的開始和結(jié)束,。
③判斷USB內(nèi)核是否收到USB掛起信號。如果收到,，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend,。從該函數(shù)成功返回后，再檢測是否發(fā)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(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume,，程序繼續(xù)運行,。如果從TD_Suspend函數(shù)返回FALSE，則程序繼續(xù)運行,。
圖4. 固件程序流程圖
圖5. 驅(qū)動程序流程圖
2 USB驅(qū)動程序和應用程序的開發(fā)
GPD（General Purpose Driver）是一個通用目的的設備驅(qū)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(qū)動程序,。
1）定制驅(qū)動程序的生成
采用Cypress 提供的GPD，由于GPD 只能執(zhí)行一些標準的USB 設備請求和數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)動程序,。
2）設備驅(qū)動程序與應用程序的接口
設備驅(qū)動程序介于硬件與用戶應用軟件之間。用戶可以以一種規(guī)范的方式調(diào)用Win32API函數(shù)訪問硬件,，而不必考慮如何控制硬件,。為了方便人們開發(fā)新的驅(qū)動程序，Windows已經(jīng)自帶了一些類驅(qū)動程序,，用戶只需要在這些類驅(qū)動程序的基礎上編寫功能驅(qū)動程序來實現(xiàn)特定的功能,。圖5給出了驅(qū)動程序的調(diào)用流程，可以清楚地看到功能驅(qū)動程序所處的層次,。
開發(fā)過程中主要是了解應用程序中如何調(diào)用驅(qū)動提供的接口函數(shù),。用戶應用程序通過
I / O 控制調(diào)用訪問EZ-USB 設備驅(qū)動程序達到控制USB 設備的目的，應用程序首先通過調(diào)用Win32函數(shù)CreateFile來取得訪問設備驅(qū)動程序的句柄,，再利用Win32函數(shù)DeviceIoControl對設備進行I / O 控制,。
（1） 獲取設備句柄。
EZ-USB 設備驅(qū)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(qū)動程序都為它創(chuàng)建一個形如Ezusb-i（i從0遞增）的鏈接符。Win32 函數(shù)CreateFile以設備鏈接符為參數(shù)獲取第i個Ezusb設備的句柄,。通過CreateFile函數(shù)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]
（2） 設備I / O 控制
應用程序通過Win32 函數(shù)DeviceIoControl向設備驅(qū)動程序發(fā)送I / O 請求,。DeviceIoControl函數(shù)通過I / O 控制碼（IOCTRL）及其他輔助參數(shù)向設備驅(qū)動程序發(fā)送特定的I / O 請求并返回操作結(jié)果,，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制命令的傳輸,。[2]
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(shù)據(jù)采集結(jié)果并向下發(fā)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(xiàn),，通過USB中斷或塊傳輸來讀取AD采集結(jié)果,，采樣速度可以達到20K。
五,、結(jié)速語
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(fā)過程,，闡述了實現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的全過程,。筆者根據(jù)上文提到方法設計了硬件并編寫了相應的固件程序、驅(qū)動程序和應用程序,，在實際應用中已獲得正常使用,。