谷物品質快速檢測儀關鍵部件的設計

摘要：文章闡述了谷物品質快速檢測儀的關鍵部分－數(shù)據(jù)采集傳輸單元的設計與實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集傳輸分為軟硬件兩部分，硬件設計主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB接口單元電路設計，軟件包括三部分，芯片固件程序、驅動程序、上位機Win32應用程序的設計。其中詳細介紹了ADS7825的內部結構、工作原理、性能指標以及它與CY7C68013組成的多路USB接口數(shù)據(jù)采集單元的具體實現(xiàn)。
關鍵詞：ADS7825 CY7C68013 數(shù)據(jù)采集 USB

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(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，近紅外光譜技術的穩(wěn)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(yōu)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(shù)，所以儀器的性能就體現(xiàn)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(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)采集部分的設計及實現(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－計算機；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(xiàn)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(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的高速采集和傳輸，并完成谷物品質的快速檢測。

二、系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)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(shù)16位。設計多通道數(shù)據(jù)采集目的，為了實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的性能，從而保證測量的準確性。

該采集系統(tǒng)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F(xiàn)X2和高速模數(shù)轉換器（ADS7825）。系統(tǒng)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(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設備驅動程序和上位機Win32應用程序。下面分別介紹數(shù)據(jù)采集的軟硬件設計部分。

2.1 硬件設計

硬件設計主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元和USB數(shù)據(jù)傳輸單元電路設計。其數(shù)據(jù)傳輸為控制信號和采集數(shù)據(jù)。控制信號方向為主機到外設（OUT），數(shù)據(jù)量較小；采集到的數(shù)據(jù)由外設到主機（IN），數(shù)據(jù)量較大。系統(tǒng)基本操作過程為：主機給外設一個采樣控制信號CLK；A/D轉換完成的數(shù)據(jù)直接進入CY7C68013的內部端點FIFO，當FIFO容量達到指定程度后，自動將數(shù)據(jù)打包傳送給USB總線，主機進行接收，保證有較高的傳輸速度。

1 數(shù)據(jù)采集模塊[1]

數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)以ADS7825為核心對4路模擬輸入信號進行AD轉換。ADS7825是BB公司生產的高性能模數(shù)轉換器件，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電路原理圖。在并行輸出方式下，啟動初始化過程是由R／C（pin22）腳變?yōu)榈碗娖讲⒅辽俦３?0ns開始，啟動轉換。BUSY（pin24）腳變?yōu)榈碗娖?，并保持到?shù)據(jù)轉換和數(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)輸出信號的高8位數(shù)字；相反，若BYTE腳為高電平，輸出信號的低8位數(shù)字。最終轉換的數(shù)據(jù)以完全二進制數(shù)字格式輸出。REF是外部參考電壓輸入端或內部參考2.5V電壓輸出端。此引腳應與一個2.2μF電容相連，并與REF腳的輸出阻抗構成一個低通濾波器濾過帶限噪聲。CAP為內部參考電壓的緩沖輸出端，也應與一個2.2μF電容相連，在ADS7825的轉換周期內，這樣連接可提供給內置D／A轉換器最佳的轉換寫入電流，同時對緩沖輸出也是一種補償。另外，在BUSY為低電平期間，不再接受新的轉換指令。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)轉換方式和可編程通道選擇方式。在CS、R／C和PWRD同時接低電平的情況下，若CONTC（pin25）腳為高電平時，ADS7825處于連續(xù)轉換工作模式。此時，ADS7825將按順序連續(xù)采集和轉換4路通道中的信號；而在CONTC變?yōu)楦唠娖街埃斍巴ǖ捞柧拖鄳嫒階0和A1通道選擇的寄存器中，也就是說在連續(xù)轉換模式下（即CONTCE為HIGH），A0和A1為輸出端。對于前一個通道來說，輸出數(shù)據(jù)BUSY在跳變?yōu)楦唠娖綍r變?yōu)橛行?。另外，每一次轉換結束，BUSY要跳變?yōu)楦唠娖綍r，A0和A1能夠輸出將要轉換信號的通道號。