论文研究-基于OMAP-L137的便携式静态傅里叶变换光谱仪设计 .pdf

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基于OMAP-L137的便携式静态傅里叶变换光谱仪设计,徐杰,童敏明,为了满足室外光谱测量和分析的需要,本文以OMAP-L137(ARM9 DSP)双核处理器作为核心芯片,设计了一台基于Savart偏光镜干涉仪的便携式静�
国科技论文在线 其中 。这里的 是晶体的主折射率;是入射角;O 为入射平面和第一块单轴晶体板之间的夹角:则是单轴晶体板的厚度。于是光程差就可以 被表小出来 经进一步化解得: 这里我们看到已经没有和分量,因为这些分量一般都很小,可以被忽略 这就是基于 偏光镜干涉仪的静态傅里叶变换光谱仪的基本光学原理。 系统硬件设计 整个系统的硬件结构方案如图所示, 面面面 电热外壳 温度传感器 触模屏挫剀器 LCD显示 4T050T22 !|温控输出电路 AD7710 D7843 度丝热 人交互 SPIl接口 CPLD sPI0接口 FAFA FLAsH扩展 存储空间 K9W4GO8LI1M OMAP-LI37 光学 线阵 ADS1178 ARMS(30Hz) MMC/SD 东統 C 内存卡長口 OPA43-48 C674x(O0Hz EENIIFB SDRAM扩辰 存儲空间 MT48LC16M16 USB OTG JUSB HCSTII RS232 RMI 接口 接口 串口以太网接 烈扩模 图系统硬件结构柱图 主要包括电源模抉、温庋控制模块、光谱数据釆集模块、存储器扩展模块、人机父互模 块、功能扩展模玦和模块,其中主要用于操作外设、地址译码、管脚复用等 逻辑操作。系统的电路核心部分是 芯片,它是公司最新推出针对工业搾制 领域的高精度浮点运算双核控制器,包括一个 N和一个 核,综合了 和各自在控制能力和高精度计算速度上的优势。两个处理器的主频均达到 国科技论文在线 ,其中还支持 ,百力条指令秒)和 百万个浮点操作秒)。并且 还提供了丰富的外设包括:个总线接口,个总线接口,个 接 可扩展各种外部存储设备和总线接口的 和 控制器,个 模块, 端口 整个系统的外部输入电源为直流,由外部高性能锂电充电电池供给,主要供电热控 制元件和模块使用。同时可专门定制一根电源线除可连接普通家用电源相连外还可直 接同汽车上的点烟器相连,保障野外工作时整个仪器的供电需求。板上内部供给电源则还需 种电源,则是通过板上的电源芯片生成。它们分别为: 的内核采用供电, 端凵和彩屏液晶背光显示均采用供电,控制器内部和核控制器采用 供电。其中 的内部的上电顺序,应先保证首先上电(或者和 上电),其次是满足核的供电,最后才是设备的供电和控制 器的供电 温度控制模块实际上是为了提高整个光谱仪的校验精度而设计的,因为在仪器的实际工 作过程中会产生很多热量辐射,特别对红外波段光谱测量的干扒十分明显,增加了辐射校正 的难度。因此,本文改计了一个温度控制系统,通过一个电加热外壳和一个微型风扇提高或 降低温度,将整个光谱仪的温度维持在左右。温度传感器采用型铂热电阻,测 温精度高、稳定性好,通过芯片 的接∏相连。这样,在 光谱数据的处理过程中,只要在相应的波段,减去由光谱仪本身产生的辐射量,即可亢成光 谱数据的校验,进而提高了光谱仪的测量精度 光谱数据系统采集模由线阵探测器、信号放大电路、转换芯片组成。其中 的转换芯片选取的是 ,它是公司年月推出的拥有通道、位采 集精度和总线接口的控制芯片,可以十分方便的采集多通道光谱数据并与同样具 有总线接口的 双核控制器直接相连接。为了保证采样的实时性,这里的 以针传输模式 )单独与接口相连 的输入 则是由两个型号为 的运算放大器组成的信号放大电路,起到调理信号的作用。 由于光谱信息采集的数据量大,并且傅里叶变换运算过程复杂,因此需要相对较大的程 序存储空间和临时数据调度空间。而 自带的片内存储空间远远无法达到要求 因此需要将和 外扩,达到系统所需的要求。这里的选用的是适合大容 量存储的 与 的 中的 片选信号相连,采用的 是异步方式,要是用来进行等工作。芯片型号为 它是三星半 导体公司生成的 的 。外扩的 则是与 的 中的 空间相映射,最大可支持 的存储。这里选取两片 芯片与 相连。 人札交互模块使得用户可以通过键入命令对整个光谱仪进行操作,通过彩色液旵屏显示 采集的光谱图和进行各种处理的结果。该部分主要包括控制器、显示器、触摸屏 控制器等。其中彩色液晶显示屏采用的是夏普型号为 的英寸 (分辨率为×、供电电压为,支持触摸屏)。 处理器的信号经过 级驱动后与液晶显示器连接。由于 采用的数捱模式控制彩色液晶屏, 而夏普的这款支持位颜色模式( ),因此多余的信号线接地。同时 国科技论文在线 信号线也接地,设置扫揩模式从左到右、从上到卜。触摸屏模块采用线屯阻模式 的触摸屏控制器,通过两个电极间电压信号的改变进行定位,完成电压转换的是 芯片。由于 只有两个总线接口,其中接口为了满足采用精度单独与 的 相连,所以这里的触摸屏控制的芯片只能选择与温度控制模块的芯片 共用接口。主机只要通过触发设备的片选输入引脚来选择设备没有被选中的设备将 不参与传输。 功能扩展模块可根据用户不同的需求进行设计,主要是一些通信模块,包括接 接口、以太网接口等,主要是为了将采集到得光谱数据传送到或者服务器上进行 更复杂的数据处理:或者是与打印机连接,进行光谱图的打印等摸作。 系统软件设计 基于 的应用软件开发有两种方法:一种是像开发高档单片机一样,对 内核直接编稈使用,所有的软件全都自己动手编写;还有一种是在 上嵌入实时多仟 务的操作系统,对微处理器进行实时多任务调度管理,对 进行通信和控制。第 种方法手动编写的代码量大,并不易于平合间移植。而基」嵌入式操作系统应用软件廾发, 只需要—个底层,操作系统就构建了系统应该程序和硬件平台的桥梁。廾发者不需要 对硬件平台十分了解,可以让开发者更专注于应用程序的开发,并且开发出的软件界面友好、 功能强大,有很好的移植性 支持多种实时多任务操作系统( 等)在 Ⅸ微处理器上工作,本文选择嵌入的是核操作系统。公司 已经为 处理器发布了系统支持包,解决了在该处理器核上运 小核的技术细节问题,开发者只要根据需要在架构下进行相应的接口设备驱动或应用 程序开发即可。 系统软件采用模块化的设计,分为主稈序、应用模块稈序、底层驱动程序三部分。主程 序通过调用应用模块程序和底层驱动程序来实现相应的操作。例如光谱仪在不冋的测量领 域,主程序就会不同。而主程序的变化可以通过应用程序模块和底层驱动程序的复用来完成, 这样就减少了重复的工作量,满足系统灵活应用的要求。底层驱动程序主要包括驱动 程序、触摸屏和液晶显示屏人机交互程序 底层读写程序和其他驱动程序。应用模块 程序一般包含初始化程序、转换程序、光谱数据校正、光谱数据处理分析程序、显示程 序、光谱数据储存、光谱数据打印、各种端口的通信程序、扩展应用程序等。系统主程序除 了简单的包含应用模块程序和底层驱动程序之外,还要负责与 的通信和控制,它 一般工作流程如图所示 国科技论文在线 ARM开始 进入主菜单&LCD显 有键按下? 更新键4 执行应用程序 DSP开始 引导DSP 初始化 等特手信号 发送 mail box 准备数据 发送maib DSP处理 等持異乎信 发送 mail box 显更新 图主稈序流科图 结束语 木文根据室外光谱测量领域的需要,提出了一款基于嵌入式的便携式的静态傅里叶变换 光谱仪的设计方案。采用了具有高光通量、高稳态、大视场的基于偏光镜的十涉仪, 满足野外实地沨量对仪器的灵敏度和稳定性的苛刻要求。整个系统以 核处理 )作为核心芯片,外围部件由电源模块、温度控制模块、光谱数据采集模块、 存储器扩展模块、人机¢互模块、功能扩展模块等组成。整个便携式光谱仪上嵌入操 作系统,采用模块化软件设计方案,完成光谱数据的采集、校正、显示、处理、存储、打印 等功能。整个设计构成合理,完全满足室外光谱采集、测量和现场分析的需要。 参考文献 杜娟,张淳民,赵葆常,孙尧稳态大视场偏振丨涉成像光谱仪中视场补偿型偏光鏡透射率的岍 究物理学报, 任雷,林岩,张沫阳基于 的 数据通信设计单片机与嵌入式系统应 用 王健伟基于嵌入式系统的在线训练软测量丬台杭州:浙江大学, 郭同健,林兆华,杜壁秀基于 处理器图像调焦系统的触摸显示屏接口设计液晶与显示, 姚春丽,史敬灼 的多端口通信设计单片机与嵌入式系统应用 ) 曾义芳开发应用技术北京:北京航空航天大学出版社

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