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基于DSP的近红外光谱分析仪设计
摘要： 近红外光谱分析仪在各种工业领域中的应用日益广泛。基于仪器的实用性、可靠性和易扩展性，设计了以TMS320F2812 数字信号处理器（DSP）为微控制器的新型近红外光谱分析仪，具有体积小，传输速度快，可靠性高等特点。增加数字滤波功能，提高了信噪比。仪器在实际应用过程中获得了满意的预测准确度。
关键字：近红外光谱分析仪； 数字信号处理器； 数字滤波
1 引言
近红外光谱分析技术作为一种无损、快速检测技术正越来越多的被认同和应用。随着光学器件和计算机软硬件技术的发展，对近红外分析仪器的可靠性与实用性都提出了新的要求，以此为基础提出了以TMS320F2812 DSP为核心的近红外光谱分析仪，简化了仪器结构，增强了仪器功能，达到了数据的实时采集与处理，提高了仪器的预测准确度。
近红外光谱分析仪主要包括以下几部分：光源、分光系统、探测器、温控部分、信号采集放大部分、DSP控制部分、显示打印部分与数据定标分析部分。
2 系统构成
仪器的光源系统主要由光源和光源稳定电路构成。光源系统在测量谱区要有足够的强度和非常高的信噪比，因为光的强度和稳定性直接影响仪器的信噪比。考虑到发射光谱范围、发光强度、稳定性、价格等多方面因素，设计选用石英卤钨灯。同时，在灯的后侧加反射镜以提高卤钨灯的光效率。采用风扇散热。
检测器的作用是把光信号转变为电信号。它的性能直接影响仪器的信噪比，应尽可能提高检测器的信号强度，降低检测器的噪声并消除各种干扰。为了提高传输速率，无畸变地传输光信号，检测器不仅要和被测光信号和光学系统匹配，还要与后续电路在特性和工作参数上相互匹配，使系统中各元器件的工作状态均满足要求。设计选用硫化铅（PbS）检测器。常温下，PbS的光谱响应范围为1-2.9μm，当使用帕尔贴（Peltier）致冷到-77ºC时，光谱范围可以扩展到3.5μm。PbS检测器在近红外谱区的光谱响应范围宽，灵敏度较好，线性好，响应较快。近红外谱区的吸收强度弱，信息强度低，DSP本身的分辨率（12位）无法达到要求，所以外扩一片16位AD。以AD为核心设计放大电路。设计采用ADS8364作为模数转换芯片。ADS8364是16位、6通道可同时采样的并行接口模数转换芯片。该芯片直接提供了片选（CS）、时钟输入、并行数据总线的灵活接口信号，能够非常方便地与F2812处理器接口。ADS8364内部可以采用3.3V的缓冲，能够与F2812直接接口而无须电平转换。检测器的输出电信号为mv级，而ADS8364 对采样信号电压的要求是-0.3V～+5.3V之间，因此需要在AD采样电路前端加入放大电路，才可以使输入的模拟信号与AD 转换所需的信号电压相匹配。同时放大器的输入电压要和检测器的输出电压相匹配。选择前置放大器时，为避免带入噪声应尽量选择偏置电流小，温度漂移与共模抑制比等性能参数好的放大器，以提高仪器的信噪比。设计采用OPA111，是一种低噪声的精密运算放大器。其输入偏置电流为1pA,温度漂移为1mV/℃，开环增益可达120DB。考虑到DSP强大的控制和信号处理能力，以及仪器的实用性和扩展性，采用USB接口芯片来实现DSP与上位机通讯，完成数据的传输。
近红外光谱技术需要采集、处理、传输大量的光谱数据，要求较强的数据处理能力。本设计以TI公司TMS320F2812 DSP为微控制器。该处理器具有较高的运算精度（32位）和较强的系统的处理能力（150MIPS）。处理器内核包含了16*16和32*32的乘法累计单元，使其能够实现更高精度的处理任务。该控制器的工作主要包括：模数转换模块（AD）的采样处理、电机驱动、USB与上位机的通讯和光谱数据的预处理。
2.1信号处理：
信号处理的重要目的之一是去除噪声，分开信号的有用部分和噪声，提出有用信号并增强可分析信息，获得高信噪比、低背景干扰的分析信号。降噪，提高信噪比是设计近红外分析仪的主要问题之一。在硬件设计中，采用多探测器并联、调制解调及锁相放大技术来抑制噪声。通过分析PbS的光谱特性曲线可知，在斩波频率为800HZ左右时，探测器的信噪比最高，所以使用带通滤波来进一步提取高质量的分析信号。
近红外光谱分析中常用的滤波方法有积分法、累加／平均法、平滑法等。在硬件滤波的基础上，采用软件降噪是一种快速低成本的处理方法。DSP作为专用的数字信号处理器，在数字滤波方面具有明显优势。DSP上实现的数字滤波器实时性好、处理速度快。DSP2812带有TI 公司提供的filter library函数库,可以快速方便地进行任意数字滤波器的设计。在设计中，采用数据比值法来一级滤波，即 Yi* ＝Yi/Yi+1。。在此基础上，使用有限冲激响应（FIR）窄带滤波进一步提取有用信号，提高分析信号的质量,提高仪器的信噪比。
2.2USB接口的设计：
采用PDIUSBD12（D12）接口芯片实现DSP与上位机的传输。D12接口芯片是一个具有集成的SIE、FIFO存储器、发送器和电压调整器的高性能能USB接口芯片。它通常应用于基于微控制器的系统中，并且可以通过高速的并行接口和系统中的微控制器进行通信，其中最高并行接口速率可以达到2Mbps，实现数据的实时传输。
D12 并口的访问速度要求微控制器对其连续读或写的最小延迟是500ns。因此DSP对它的访问速度就限制在2MHz。而DSP的并口速度非常高，两者间存在时序匹配问题。D12要求微控制器在向其中写数据时，所写的数据在写（WR）信号无效后，要最少保持10ns。而2812的写时序不能可靠地保证满足D12的要求，为保证两者间可靠的数据交换，采用一个时序调整电路来完成它们之间的配合。
3 软件设计
3.1 DSP数据采样、传输流程图
AD的采样中断通过通用定时器1（T1）的周期中断来触发。N为单次采样的波长数，K为自定义计数值。
3.2 USB部分的DSP设计
由于设计采用不带MCU内核的USB接口芯片，USB1.1协议规范的标准请求及用户自己定义的请求都必须靠DSP来控制D12完成。USB的DSP控制程序通常由三部分组成:
(1)初始化DSP和所有的外围电路，包括D12;
(2)主循环部分；
(3)中断服务程序。
4 性能分析
DSP强大的数据处理能力使其在数据滤波方面具有极为明显的优势，可快速可靠的实现多种复杂的数字滤波方法，减少硬件成本、缩短开发时间。在比值滤波的基础上，进行窄带滤波，去噪效果好，信噪比高。近红外光谱分析是一门弱信号提取技术，信噪比是近红外光谱仪器的一项重要指标，直接影响分析结果的准确度与精确度。比较自制仪器与先进的FOSS光栅光谱仪利用逐步多元线性回归法（SMLR）的预测结果可知，自制仪器已完全达到了国际先进水平。其中R为相关系数，SEC为定标标准差， SEP为预测标准差。
TMS320F2812 采用哈佛总线结构,可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据,同时它采用了指令流水线技术,使得信号处理速度明显提高。近红外光谱仪往往用于实时、在线的品质检测和监测，分析样品的数量往往较多，所以分析速度也是近红外分析仪的一项重要指标。
样品的均匀性是提高近红外分析准确性的因素之一。样品池的旋转对减小不均匀性十分有效。运用旋转的样品池来减少样品的统计波动性对分析测量的影响。
温度的变化是影响近红外分析结果准确的另一主要因素[6]。在近红外分析仪中，探测器对温度的变化最为敏感，在本设计中采用制冷型PbS探测器来减小温度的影响。
设计只立足于电路部分的改进。性能良好的近红外光谱分析仪器其光路部分的设计也非常重要，但文中并没有涉及这部分内容。
5 结论
近年来，近红外光谱分析作为迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中所起的作用越来越受人关注。近红外光谱仪的自动化、数字化和智能化程度越来越高。使用数字信号处理器是完善仪器性能的有效途径之一。以DSP为微控制器的新型近红外光谱分析仪，体积小，可发展为便携式的检测设备。同时，以DSP为微控制器具有较强的可扩展性，为仪器的改进和优化提供了可能。
因其完善了仪器性能，提高了仪器的稳定性和信噪比，获得了更高的预测准确度，有利于近红外分析技术的推广应用。
本文创新：以DSP为微控制器的近红外光谱仪，增加数字滤波处理功能，速度快，精度高，可靠性好。
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