谷物品質快速檢測儀關鍵部件的研究與設計

　　一、概述

　　谷物品質快速檢測儀是應用近紅外光譜分析技術來檢測谷物的內部品質，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展，以及新型近紅外儀器的不斷出現和軟件版本的不斷翻新，近紅外光譜技術的穩定性、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，以及對生產加工過程進行在線質量控制；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的相關參數，所以儀器的性能就體現在快速、準確的測試并分析測試結果的能力。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、測樣器件、檢測器和控制及數據采集處理系統組成；其中的關鍵部件就是光譜數據采集和分析單元，本文主要討論數據采集部分的設計及實現。

　　圖1.近紅外光譜儀器示意圖

　　1－光源；2－分光系統；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數據采集通訊部分

　　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，從而實現光譜數據的高速采集和傳輸，并完成谷物品質的快速檢測。

　　二、系統設計

　　該系統可對4路模擬信號進行不間斷采集，輸入信號范圍－10V～+10V，AD轉換位數16位。設計多通道數據采集目的，為了實現多通道的差分信號采集來補償溫度等其它因素產生的噪聲。由于溫度的變化對CCD有很大的影響，所以系統采用了兩個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的性能，從而保證測量的準確性。

　　該采集系統總體框架為主機（能支持USB2.0計算機）、內部包含CPU及FIFO高速緩存的USB接口控制芯片FX2和高速模數轉換器（ADS7825）。系統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為核心的數據采集單元和以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設備驅動程序和上位機Win32應用程序。下面分別介紹數據采集的軟硬件設計部分。