谷物品質(zhì)快速檢測儀關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

摘要：文章闡述了谷物品質(zhì)快速檢測儀的關(guān)鍵部分－數(shù)據(jù)采集傳輸單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集傳輸分為軟硬件兩部分，硬件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB接口單元電路設(shè)計(jì)，軟件包括三部分，芯片固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、上位機(jī)Win32應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。其中詳細(xì)介紹了ADS7825的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、性能指標(biāo)以及它與CY7C68013組成的多路USB接口數(shù)據(jù)采集單元的具體實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：ADS7825 CY7C68013 數(shù)據(jù)采集 USB

一、概述

谷物品質(zhì)快速檢測儀是應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)來檢測谷物的內(nèi)部品質(zhì)，如粗蛋白，水分等。隨著光學(xué)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)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(shù)的穩(wěn)定性、實(shí)用性和準(zhǔn)確性不斷提高；其分析快速，簡便，非破壞性以及可同時(shí)測定多成分的優(yōu)點(diǎn)不斷為人們所認(rèn)識(shí)；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(jìn)行在線質(zhì)量控制；分析對象也從粉樣樣品擴(kuò)展到分析完整籽粒樣品[5]。

本文研究的目的就是快速、準(zhǔn)確地測得谷物品質(zhì)的相關(guān)參數(shù)，所以儀器的性能就體現(xiàn)在快速、準(zhǔn)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(guān)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(shè)計(jì)及實(shí)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(jì)算機(jī)；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(hào)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(shí)為了適應(yīng)現(xiàn)代儀器的小型化和通用化，儀器和計(jì)算機(jī)的連接也要求我們選擇USB接口總線，從而實(shí)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(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可對4路模擬信號(hào)進(jìn)行不間斷采集，輸入信號(hào)范圍－10V～+10V，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)16位。設(shè)計(jì)多通道數(shù)據(jù)采集目的，為了實(shí)現(xiàn)多通道的差分信號(hào)采集來補(bǔ)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(gè)CCD，每兩路對同一個(gè)CCD進(jìn)行差分采集。其中一個(gè)CCD作為光譜掃描，另一個(gè)放置和前一個(gè)相鄰的位置用作差分補(bǔ)償。通過多通道差分補(bǔ)償能提高系統(tǒng)的性能，從而保證測量的準(zhǔn)確性。

該采集系統(tǒng)總體框架為主機(jī)（能支持USB2.0計(jì)算機(jī)）、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(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中硬件設(shè)計(jì)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和上位機(jī)Win32應(yīng)用程序。下面分別介紹數(shù)據(jù)采集的軟硬件設(shè)計(jì)部分。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB數(shù)據(jù)傳輸單元電路設(shè)計(jì)。其數(shù)據(jù)傳輸為控制信號(hào)和采集數(shù)據(jù)。控制信號(hào)方向?yàn)橹鳈C(jī)到外設(shè)（OUT），數(shù)據(jù)量較?。徊杉降臄?shù)據(jù)由外設(shè)到主機(jī)（IN），數(shù)據(jù)量較大。系統(tǒng)基本操作過程為：主機(jī)給外設(shè)一個(gè)采樣控制信號(hào)CLK；A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)直接進(jìn)入CY7C68013的內(nèi)部端點(diǎn)FIFO，當(dāng)FIFO容量達(dá)到指定程度后，自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線，主機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號(hào)進(jìn)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(dú)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(shí)電路原理圖。在并行輸出方式下，啟動(dòng)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(dòng)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(hào)的高8位數(shù)字；相反，若BYTE腳為高電平，輸出信號(hào)的低8位數(shù)字。最終轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以完全二進(jìn)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(yīng)與一個(gè)2.2μF電容相連，并與REF腳的輸出阻抗構(gòu)成一個(gè)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(yīng)與一個(gè)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(shí)對緩沖輸出也是一種補(bǔ)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(shí)接低電平的情況下，若CONTC（pin25）腳為高電平時(shí)，ADS7825處于連續(xù)轉(zhuǎn)換工作模式。此時(shí)，ADS7825將按順序連續(xù)采集和轉(zhuǎn)換4路通道中的信號(hào)；而在CONTC變?yōu)楦唠娖街?，?dāng)前通道號(hào)就相應(yīng)存入A0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(gè)通道來說，輸出數(shù)據(jù)BUSY在跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)變?yōu)橛行?。另外，每一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，BUSY要跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，A0和A1能夠輸出將要轉(zhuǎn)換信號(hào)的通道號(hào)。