一种便携式光谱仪制造技术

本实用新型专利技术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。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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，本技术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。本技术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。附图说明图1本技术的系统结构图图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对本技术作进一步说明如图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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐喆，张娣，杨娜，段建民，刘卓，张华，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]