STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统

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上位机端需要实现的功能包括设定仪器工作参数、接收下位机发送来的实验数据并处理、显示并保存光谱信息。在软件设计中需要应用到多线程技术，在Windows环境下，每个运行的应用程序都构成一个进程，而每个进程都包含一个或多个线程，线程是程序中一个单一的顺序控制流程，每个线程也需要一组系统分配给的资源，Windows应用程序的进程是从单个线程开始的，而线程又可以衍生出另外的线程，这样线程既可以在前端处理用户的输入，又可以执行后台的任务，使它们看起来像是同时在运行一样;多线程虽然可以使程序功能更丰富，提高应用程序的响应能力，但它要求的并行性也给程序的编写和调试增加了一些难度。在设计中将光谱数据的接收及处理工作放在了接收线程中，接收线程不会影响用户对主程序的操作，而光谱图像的显示放在了显示线程中完成。

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CCD输出的电压信号对应于每个光敏元的光照强度，在未处理之前，这些数据只表示不同波长光强的空间分布情况，它能够看出光强的变化，但是没有对应具体波长，所以要先确定CCD像元与波长的对应关系，对波长进行标定。光谱仪所测得的光谱曲线是由光谱仪分光系统的特性和输出狭缝处CCD的位置决定的，CCD的位置决定了得到的光谱曲线中检测波长的范围，故为了使CCD接收到的光信号强度合适，尽量将其放置在输出光谱的中间位置，且保证是在输出物镜的焦平面上，此时得到的光谱信号较强，在CCD位置固定好之后，可通过测试标准光源的几个波峰位置来分析波长和像元之间的关系，实验中选用标准汞灯作为参考光源，汞灯在可见光范围内有十几条波峰，试验中CCD可以接收到两个波峰即可，可将像元从第1个到第3648个进行编号，然后根据波峰位置处的波长及对应的像元编号进行比对，可进行线性标定，或二次标定，由于二次标定复杂些，且需要更多一些波峰值，所以在试验中暂时使用线性标定的方法[川。在上位机软件中，有相应的标定模块，点击后输入波峰值及对应的像元编号，软件会计算出用于线性标定的公式，之后再接收到传输的光谱数据，将先进行标定，然后显示出相应的波长一光强图。

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下位机程序的调试是使用Keil}Vision4来完成，它对程序的模拟调试有两种模式，一种是软件模拟，即可以在不接入硬件电路的情况下，使用仿真器可以仿真微控制器的许多特性，包括串口通信、外部I/O口控制、时钟配置等;另外一种就是硬件模拟，又称为GDI驱动模式，使用高级GDI驱动设备连接目标硬件来进行调试，本程序使用J-Link调试，其中，J-Link通过USB接口与计算机主机连接，通过JTAG接口与硬件电路板相连接，然后可以一步一步控制程序的运行，调试中可以使程序单步运行、设置断点、复位等，也可以观察函数中变量值的变化，这对程序开发调试极为有利。

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USB作为STM32芯片内置接口，ST公司也提供了USB的相关说明、开发软件库及例程，配合例程及技术文档也减轻了USB驱动开发的难度。在USB调试中常用到的工具是BusHound，它是由一种专门用于PC机各种总线数据包监视和控制的开发工具软件，它可以捕捉来自设备的协议包和输入输出操作，所有版本的标，键盘等;IDE,SCSI,USB,1394总线;支持各类设备，扫描仪，DVD支持，鼠捕捉的数据缓存与计算机内，可捕捉设备的启动过程，置触发信号自动停止数据捕获操作，查看底层协议和USB协议包，可以通过设输入输出的操作可实时显示到屏幕中，所以可以用它来捕捉USB通信的每一次数据包。

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从汞灯和钠灯的测试中可以看出，尽管光谱的特征谱线附近噪声较大，但特
征谱线波峰值可以检测出来
从光谱图中也可以看出，
且与标准谱线基本符合，系统基本完成预设目标。
特征谱线前会有一段较缓慢的上升曲线
灯和低压汞灯光谱中对有出现，针对这个问题，实验过程中还将CCD
且低压钠
接收面倒
置，即顺时针旋转180度，采集同样光谱信号后发现仍然会出现缓慢上升的曲线，
所以推测是测试中的光学系统还有待改善，这也是后期工作重点。另外，测试中
光学平台的线色散率较大，CCD接收面上光谱覆盖范围只有69.3nm，但与相同
光学平台像元数少的系统来说，还是获得了较高的光谱覆盖范围。
由于时间原因，上位机应用程序中，完成了光谱定标和光谱数据的滤波处理，
对于光谱的更多处理功能还未加入，这个也和具体需求有关，在实际应用中可以
根据需求添加相关功能。
综上所述，探测系统成功完成CCD驱动，光谱数据转换、传输及保存，并
在上位机进行光谱图像显示。

1万 · 2019-8-19 14:26

能使用这个做一个监测蔬菜农残的光谱分析仪吗？如果可以的话那实用性就大啦！

STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统

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