谷物品質(zhì)快速檢測(cè)儀關(guān)鍵部件的研究與設(shè)計(jì)

　　一、概述

　　谷物品質(zhì)快速檢測(cè)儀是應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)來(lái)檢測(cè)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(jiǎn)便，非破壞性以及可同時(shí)測(cè)定多成分的優(yōu)點(diǎn)不斷為人們所認(rèn)識(shí)；不僅可用來(lái)測(cè)定樣品的水分、粗蛋白、脂肪、淀粉等常量成分，還被用來(lái)測(cè)定氨基酸、脂肪酸，以及對(duì)生產(chǎn)加工過程進(jìn)行在線質(zhì)量控制；分析對(duì)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(cè)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(cè)試并分析測(cè)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(cè)樣器件、檢測(cè)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(cè)樣器件；5－漫反射檢測(cè)器；

　　6－透射檢測(cè)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(duì)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(lái)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(cè)。

　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)可對(duì)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(lái)補(bǔ)償溫度等其它因素產(chǎn)生的噪聲。由于溫度的變化對(duì)CCD有很大的影響，所以系統(tǒng)采用了兩個(gè)CCD，每?jī)陕穼?duì)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(cè)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(yǔ)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。