专利名称：一种便携式光谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种便携式光谱仪，该光谱仪可以脱离PC机控制而独立使用，适 合于从事光谱分析的研究人员使用。
背景技术：
目前，各种仪器设备都向着小型化、智能化的方向发展，数字化集成度很高，而大 部分光谱仪产品却都是实时传输数据，即光谱仪通过数据传输接口直接与PC机连接，由PC 机来控制光谱仪的使用，借助PC机的强大功能来完成数据存储和处理分析，这样虽然在应 用软件上有很大的灵活性，只需要在PC机上更新升级相应软件就可以满足需要，但是却极 大的影响了仪器的便携式操作使用。所以开发支持离线操作，并且能在仪器终端进行光谱 采集、数据存储和处理的便携式光谱仪有一定的实际意义。
实用新型内容本实用新型的目的在于使光谱仪脱离PC机的控制，用户直接操作该仪器就可以 完成光谱信号采集，并进行初步的光谱分析。另外，仪器的应用软件开发可以在PC机上完 成，而不用受到仪器软件的约束，使仪器的软件开发变得简单。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。该光谱仪包括光学系统、运 放电路、模数转换器、能够移入Linux操作系统的微处理器、MMC卡、触摸屏和液晶屏。所述 的光学系统包括沿光的传播方向依次设置的狭缝耦合器件、狭缝、光栅和光电探测器。其 中触摸屏和液晶屏均与微处理器相连。光电探测器依次通过运放电路、模数转换器与微处 理器相连，运放电路将光电探测器转换的电信号进行放大后，又经过模数转换器转换成电 信号传送给微处理器，微处理器对其进行分析处理后将结果存储至MMC卡中，同时还送至 液晶屏显示。光电探测器还直接与微处理器相连，微处理器为其提供工作时序。光学系统 中的光栅为平场凹面光栅。本光谱仪移植了嵌入式Linux操作系统，设计了嵌入式Linux系统下的光谱采集 设备驱动、液晶屏驱动、触摸屏驱动、USB驱动、MMC卡驱动等。Linux设备驱动程序负责将应用程序的读写等操作正确无误的传递给相关的硬 件，并使硬件能够做出正确的反应，设备驱动隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过 一组标准化的接口就可以实现对硬件的操作。有了 Linux系统下的光谱采集设备驱动的支持，光谱仪的应用程序就可以像操作 普通文件一样来进行光谱的采集，这样使得仪器的应用软件开发完全可以忽略底层的光谱 采集的具体实现细节，软件升级更加灵活。其他设备的驱动程序也类似。另外，Linux操作系统的根文件系统中还移植了 QT-embedded图形库，使得在仪器 上开发图形界面应用程序更加方便，只需在PC机上利用QT软件开发相应的图形界面应用 程序，然后交叉编译后下载到仪器上即可使用。光电探测器和ADC模数转换器由处理器控制，反射光通过光学系统后，由处理器
3控制光电探测器进行光电转换，将光信号转换为电信号，得到的模拟电压信号经ADC模数 转换器转换为数字信号，并传送给处理器，进行处理分析，显示在液晶屏上，此过程用户可 以通过触摸屏来对仪器进行操作。光谱数据除了可以存放在Flash存储器中，还可以存储在扩展的MMC卡中，解决了 光谱仪的光谱数据海量存储的问题。用户还可以通过USB将数据导入PC机，借助PC机上的应用软件进一步对光谱数 据进行分析处理。本实用新型能够完成光谱信号采集、存储、显示和数据处理等功能，在强大的硬件 平台和嵌入式Linux操作系统的支持下，使仪器终端可以脱离PC机控制而独立使用，并且 开发应用软件不再受到光谱仪自身软件约束，实现了光谱仪的智能化。
图1本实用新型的系统结构图图2Linux字符设备驱动结构图图3光谱采集设备驱动流程图图4 (a)处理器与ADC的接口示意图图4(b)处理器与线阵CXD的接口示意图图4(c)线阵CXD与ADC的接口原理图图5 (a) IXD控制器与液晶屏接口电路示意图图5(b)液晶屏驱动电路结构图图6触摸屏电路原理图图7 (a) USB接口电路图图7(b) MMC卡接口电路图图8光学系统结构图图中1.光纤/狭缝耦合部件(透镜焦距10mm，口径6mm)2.狭缝3.线阵 CCD
具体实施方式
下面结合图1 8对本实用新型作进一步说明如图1所示，本实施例包括微处理器、光学系统、光电探测器、运放电路、ADC模数 转换器、液晶屏、触摸屏、MMC卡和USB接口。光学系统对被测物体的反射光进行分光，光电 探测器安装在光学系统内部，微处理器给光电探测器产生其工作时序使其对光谱采样，光 电探测器输出的模拟电压信号再经过运放电路进行放大，之后由ADC在处理器的控制下转 换成数字信号，并传送给微处理器处理，处理器将光谱数据存储在MMC卡上或在液晶屏上 显示。触摸屏可以省略按键，使仪器更美观，操作也更直观。仪器也设计了 USB接口，可以 通过USB接口将数据传输到PC上，借助处理功能更为强大的PC来进行分析。仪器可借助 MMC卡来扩展内存。如图2所示，本实施例采用了嵌入式Linux操作系统，在Linux系统里，设备驱动程序隐藏了设备的具体操作细节，对各种不同的设备提供了一致的接口，把每个设备映射 为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其它文件操作那样对此设备文件进行操作，驱 动程序则正确无误的将这些操作传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确的反应。Linux 系统的设备分为字符设备、块设备和网络设备三种。字符设备是指在读写时没有缓存的设 备，显然实施例中的光谱采集设备属于字符设备。字符设备驱动由如下几个部分组成1.字符设备驱动模块加载和卸载函数在字符设备驱动模块加载函数中应该完成设备驱动的初始化(比如寄存器置 位、结构体赋值等)和向内核注册设备，而在卸载函数中应回收相应的资源，从系统中注销 该设备。2.字符设备驱动的filejperations结构体中的成员函数f i 1 e_operations结构体中成员函数是字符驱动与内核的接口，是用户空间 对Linux进行系统调用最终的落实者。大多数字符设备驱动会实现readO、writeO和 ioctl ()函数，这些函数实际会在应用程序进行Linux的open () ,write () ,read () ,close () 等系统调用时最终被调用。本实施例的光谱采集设备采用了线阵CCD作为光电探测器，并将其和ADC数模转 换器作为一个设备来进行驱动设计。Linux系统下光谱采集设备的驱动设计的主要是完成 设备的初始化和filejperations结构体中的函数定义和实现。对于CXD的操作主要是 通过处理器的10 口产生驱动时序信号，使其按序输出像素信号，而对于ADC的操作主要是 通过处理器的SPI接口，令其完成CXD输出的每个像素信号的模数转换，所以可以在file_ operations结构体中定义open、release、read函数，open函数主要完成设备的初始化和 注册，release函数主要完成设备的注销和资源的释放，read函数读取光谱信号，并完成模 数转换。如图3所示，通过分析线阵CCD和ADC的工作时序，采集设备的光谱信号读取过程 为先给C⑶的ROG—个低电平(长度为4000ns)，在ROG重新变高后，C⑶就在CLK信号同 步下输出信号。CCD每次输出的2087个像素模拟信号分别为33个首部伪数据字段、2048 个有效数据和6个尾部伪数据字段组成。其中的2048个有效数据和首部伪数据字段的后 20个数据是我们需要得到的，所以从第14个数据到第2087个数据中的每个模拟信号都通 过SSPFRM给ADC的片选信号线一个低电平启动ADC，之后ADC按照其SPI时序完成模数转 换。CCD的所有像素模拟信号输出完成后，一次光谱采集结束。光谱信号采集设备驱动的 read函数可以按照此流程来进行设计。该光谱仪的硬件平台需要能够移植嵌入式Linux操作系统，需要采用功能强大的 处理器来支持，所以本实施例中的微处理器采用了 Intel公司的Xscale处理器PXA270， 该32位的RISC处理器基于ARMV5TE体系结构，CPU时钟频率为104 624MHz。PXA270 处理器内部集成众多外设，如USB控制器、MMC卡控制器、LCD控制器、实时时钟等。围绕 PXA270处理器，建立整个仪器的硬件平台，除了处理器内部集成的控制器之外，我们还需要 扩展Flash、SDRAM、触摸屏控制器、液晶屏驱动电路、电源、以及光谱采集所需要的器件等。 光电探测器采用了 SONY公司的光谱测量范围为200nm IlOOnm的2048个有效像素的线 阵 CCD (型号为 ILX554B)。如图4所示，本实施例的线阵CXD(型号为ILX554B)和ADC模数转换器(型号为
5ADS7818)分别与处理器PXA270相连，PXA270通过ROG和CLK信号线产生CCD的工作时序， CCD输出的模拟电压信号通过运放电路由ADC转换为数字信号。本实施例中的液晶平选用了 SHARP公司的3. 5寸TFT液晶屏LQ035Q7DH06，它带有 四线电阻式触摸屏，如图5所示，微处理器通过其LCD控制器驱动液晶屏，液晶屏与LCD控 制器之间需要设计驱动电路，驱动电路主要提供包括多路电压源，控制时序和像素信号的 电路，背光源电路以及公共电极电压电路。如图6所示，本实施例通过扩展触摸屏控制来实现仪器的触摸屏功能，触摸屏控 制器提供了四个信号线接口(left、upper、right、down)连接触摸屏，它与处理器通过SPI 总线相连，当触摸屏被按下，触摸屏控制器进行AD转换，并产生中断时，通过GPIO来通知处 理器中断，处理器转换后的信号经过坐标换算得到触点的坐标。如图7所示，本实施例使用了处理器内部的MMC(MultiMediaCard)控制器和USB 控制器，设计了 MMC接口以供仪器扩展MMC卡，设计了 USB接口，方便与PC机的数据交互。光栅是光谱仪光学系统设计中最为重要的光学器件。本系统采用的是平场凹面光 栅，如图8所示，它既可作为色散系统同时又可兼作成像系统，使用其构成的光学系统结构 最为简单，所需要的元件最少；而且平场凹面光栅是像差校正光栅，不需要进行复杂的结构 设计和像差修正。系统工作时，光栅把光谱图像会聚到一个线平面上，通过线阵CXD能同时 探测到各光谱的强度信号。本选用的平场凹面光栅的参数如下
刻线密度(1/mm) 217. 15
波长范围(mm) 400 950 光谱长度(mm) 20. 15 刻划面积识50 光栅中心厚度 IOmm入射角α -2. 5°入射臂La (mm) 84. 90 对于短波λ工=400nm的出射臂Lbl (mm) 对于长波λ 2 = 950nm的出射臂Lb2 (mm)
95. 67 111. 55
垂直于光谱面的出射臂Lh (mm) 64. 00 对于X1的衍射角7.50° 对于入2的衍射角β2 14.48°对应Lh的衍射角β h -40. 51°在嵌入式Linux操作系统的驱动中，已经有许多相关驱动，如IXD驱动、触摸屏驱 动、MMC卡驱动和USB设备驱动等，在上述硬件设备的支持下，只需要按照本系统的硬件资 源，修改相应的驱动，并将这些驱动加入到操作系统内核中，每次开机系统启动后，就可以 被应用程序使用。另外，本实施例在嵌入式Linux根文件系统中移植了 QT-embedded图形 库，这样我们就可以更方便开发出图形界面应用程序，方便用户操作使用，借助QT软件，我 们可以在PC机上开发好界面，交叉编译后就可以在光谱仪上使用，不用受到光谱仪本身的 约束。本实用新型的界面是一个光谱采集界面实例，File菜单中包含open、save, save as,exit四个功能键。Help菜单只有一个About功能键，用于对设计的应用程序进行概述。界面上还设计了几个功能按钮，用户可以通过触摸屏点击按钮，实现相应的功能。本实施例的使用方法为开机，等待系统启动后，液晶屏上显示光谱采集界面，界 面上面集成有菜单和按钮控件，可以使用使用触摸笔点击液晶屏上的按钮控件，然后调用 相应的驱动程序，实现相应的功能。例如点击IntegralTime按钮可以设置线阵CXD的积 分时间；点击BlankScan按钮，采集白板的反射光谱，对光栅连续进行60次扫描，所采集到 的数据求均值，最后把这个平均数据存储到MMC卡里；点击CropsScan按钮，采集被测物的 反射光谱，光栅每连续被扫描60次就求一次均值，然后以白板为基准把被测物光谱的光强 度转换为反射率，这样就得到了被测物的原始信号(数据存储到MMC卡)，这个过程持续进 行直到接到结束采集命令为止，结束后在界面上显示光谱数据；点击EndScan按钮，结束采 集；点击Denoise按钮，对采集到的被测物的反射光谱进行去噪，然后将光谱图显示在界面 上，在坐标图上可以点击放大或缩小按钮来查看光谱坐标图的局部和整体。另外，File菜 单中也有相应的功能键，用来实现存储和打开文件的功能等。当光谱仪通过USB接口连接 到PC机上，PC机可以像读取U盘一样来读取存储在MMC卡上的光谱数据文件。本实施例中的光谱仪的主要技术参数为光谱测量范围400nm IOOOnm ；光谱分辨率彡5nm。
权利要求一种便携式光谱仪，包括光学系统，所述的光学系统包括沿光的传播方向依次设置的狭缝耦合器件、狭缝、光栅和光电探测器，其特征在于还包括运放电路、模数转换器、能够移植嵌入式Linux操作系统的微处理器、MMC卡、USB、触摸屏和液晶屏；其中触摸屏和液晶屏均与微处理器相连，光电探测器依次通过运放电路、模数转换器与微处理器相连，运放电路将光电探测器转换的电信号进行放大后，又经过模数转换器转换成电信号传送给微处理器，微处理器对其进行分析处理后将结果存储至MMC卡中，同时还送至液晶屏显示；光电探测器还直接与微处理器相连，微处理器为其提供工作时序。
2.根据权利要求1所述的一种便携式光谱仪，其特征在于所述的光学系统中的光栅 为平场凹面光栅。
专利摘要本实用新型是一种便携式光谱仪，包括微处理器、光学系统、光电探测器、ADC模数转换器、MMC接口、USB接口、液晶屏、触摸屏和电源。被测光经过光学系统由光电探测器转换为模拟信号，ADC将模拟信号转换成数字信号后传送给微处理器处理，并在液晶屏上显示光谱数据，用户可以通过触摸屏操作光谱仪，光谱数据可以保存在MMC卡中，也可以通过USB传送到PC机。本光谱仪的优点在于采用嵌入式Linux操作系统，设计了各部分的设备驱动，使用户不用了解底层硬件的具体实现方法，只需要开发应用软件，就能够在仪器端完成相应的光谱分析处理功能；不用PC机进行控制而独立完成光谱采集、分析处理的功能，更加便于操作和携带。
文档编号G01J3/02GK201666817SQ20092010677
公开日2010年12月8日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者刘卓, 张华 , 张娣, 徐喆, 杨娜, 段建民 申请人:北京工业大学