智能农药残留检测仪的便携化研究与实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.36MB 64 页 15积分
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摘 要
随着生活水平的提高，人们对自身健康愈加重视，对食品中有害物质残留检
测提出了更高的要求，鉴于当前传统检测方法的程序繁琐，价格高昂的现状，开
发一种智能有害物质(如农药)残留快速检测仪成为了一个迫切需求。由于检测场
合和环境的多样性，检测设备的小型便携化设计亦成为未来发展趋势。本课题立
足上海科委国际合作项目(项目编号：051407092)前期对近红外光谱检测原理的实
验验证和光谱数据处理方法的分析验证的基础上，研究一种智能蔬菜农药残留检
测仪的便携化设计，对食品安全快速检测设备的研制具有重要意义。
本课题运用了嵌入式系统设计方法，即将检测仪控制处理等主要功能在一块
Xilinx-FPGA 芯片上设计实现，缩小了系统体积，降低了功耗和成本，提高了系统
可靠性和抗干扰能力，同时使系统具有良好可扩展性。采用嵌入式多核设计方法，
不仅满足系统对数据处理运算和多方协调控制的要求，还提高了系统的运行速度，
符合智能检测仪的快速检测特性和便携化设计要求。
本论文先介绍了近红外光谱检测原理及光学实验平台，数据处理方法及嵌入
式 DSP 模块的建立，以嵌入式微控制器-8 位PicoBlaze 软核[1]设计为主要内容的嵌
入式系统设计，然后叙述了检测仪数据处理和主要控制功能的便携化设计实现，
分为信数据采集系统，信号处理控制系统，检测仪显示系统设计实现；论文最后
还论述了系统整机实验设计和实验数据分析，对检测仪便携化设计实现进行了总
结。
通过一系列针对蔬菜农药(如甲胺磷)残留的检测实验，检测仪基本能定性判
断出农药残留含量是否过量(国家标准: 甲胺磷含量在 0.05mg/kg 以下)，即对本课
题提出的检测仪便携化设计方案做了初步验证。由于目前检测品种单一(青菜菜叶)
和将来检测物品多样性及含量定量分析要求，最终研制出一种能应用于现场的便
携式快速农药残留检测仪将是本课题今后要讨论的问题。
关键词：便携化 农药残留 近红外光谱 嵌入式系统 PicoBlaze
ABSTRACT
As development of standard of living,people emphasize their health more than
before, especially heigthening capability of the safety food inspecting instrument.Duing
to conventional detecting technique is fussy,inefficient and high-cost,designing an
intellectualized and fast injurant residue-inspect(eg.pesticide) instrument has been an
exigent demand. To meet the diversity of inspecting situation,contriving a portable and
small device will be a trend in the future.This subject mainly studies how to implement
an instrument on a portable design, which is based on proved detecting method with
NIR and given analysis of spectrum data in an international co-project(No. 051407092)
that belongs to Shanghai Science and Technology Committee,which is meaningful for
designing a fast-detecting instrument for food safety.
This subject uses embedded system to achieve primary data processing and control
functions of the instrument,which is implemented on a Xilinx-FPGA platform that
reduces the size of the whole system,enforces the reliability and stability,and offers a
place for further develop. The embedded multi-core design not only caters to the
requriment of data processing and multitask control,but also enhances the inspecting
speed of the instrument,which also catchs the portable design goal.
In this paper,the preceding chapters introduce an inspecting principle with NIR
spectrum and an optical experiment platform,a data processing method and a embedded
DSP model,and a technique on embedded system design which forces on how to design
an 8-bits Eembedded microcontroller-PicoBlaze.The next few chapters describe how to
implement data processing and multitask control functions,including data acquirement
system,signal processing and control system,display system and so on.The last chapter
shows how to carry out experiments with the whole system and the analysis of
experiments’ data, and summarizes this scheme.
After a series of experiments on detecting the pesticide residue(eg. Methamidophos)
on vegetable,this instrument can tell us whether the residue is beyond the standard value,
which ultimately proves this scheme is feasible.But duing to singular proved
article(eg.leaf of greengrocery) and requirement to detecting diverce articles and
qualitative analysis,this scheme still need to do more researchs and improvement.
Key words: Portable,Pesticide residue,NIR spectrum,Embedded
System,PicoBlaze
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 课题的来源及意义 ............................................ 1
§1.1.1 课题的来源 ............................................ 1
§1.1.2 课题的意义 ............................................ 1
§1.2 嵌入式系统简介以及目前的国内外应用情况 ..................... 2
§1.2.1 嵌入式系统的简介 ...................................... 2
§1.2.2 嵌入式系统在光谱检测仪上的国内外应用情况 .............. 3
§1.3 课题所要研究的内容及实施方案 ............................... 4
§1.3.1 研究的内容 ............................................ 4
§1.3.2 检测仪检测原理及实施方案 .............................. 5
§1.4 本章小结 ................................................... 6
第二章 智能农药残留检测仪检测原理分析 ................................ 7
§2.1 近红外光谱分析技术检测原理 ................................. 7
§2.1.1 分子振动的基频、倍频与合频 ............................ 7
§2.1.2 近红外光谱的光谱特性 .................................. 8
§2.1.3 近红外光谱的分析法选取 ............................... 11
§2.2 近红外光谱测量系统试验平台构建 ............................ 15
§2.2.1 检测仪光学系统实验平台简介 ........................... 16
§2.2.2 信号采集系统设计 ..................................... 19
§2.2.3 检测仪信号处理系统分析 ............................... 21
§2.3 本章小结 .................................................. 29
第三章 嵌入式微控制器设计 ........................................... 30
§3.1 嵌入式微控制器—PicoBlaze 软核 ............................. 30
§3.1.1 PicoBlaze 软核功能结构 ................................31
§3.1.2 PicoBlaze 软核的指令集和调试开发工具 ..................32
§3.2 嵌入式微控制器设计 ........................................ 34
§3.2.1 PicoBlaze 硬件实现 ....................................34
§3.2.2 PicoBlaze 软核 Uart 外设设计 ...........................35
§3.2.3 PicoBlaze 软件开发 ....................................35
§3.3 本章小结 .................................................. 37
第四章 智能农药残留检测仪便携化研究与实现 ........................... 38
§4.1 信号采集系统设计实现 ...................................... 38
§4.1.1 硬件组成部分 ......................................... 38
§4.1.2 软件实现 ............................................. 38
§4.2 嵌入式信号处理控制系统设计实现 ............................ 39
§4.2.1 主控制器设计实现 ..................................... 40
§4.2.2 单色仪控制器设计 ..................................... 43
§4.3 检测仪显示系统设计 ........................................ 45
§4.4 嵌入式信号处理系统实现 .................................... 45
§4.5 上位 PC 机显示界面的设计 ................................... 46
§4.6 系统整机调试 .............................................. 47
§4.7 本章小结 .................................................. 48
第五章 智能农药残留检测仪实验验证 ................................... 49
§5.1 农药的配制和喷洒方案 ....................................... 49
§5.1.1 甲胺磷残留限量标准 ................................... 49
§5.1.2 甲胺磷农药的配制和喷洒方案 ........................... 50
§5.2 实验结果数据分析 ........................................... 50
§5.2.1 甲胺磷的光谱 ......................................... 50
§5.2.2 数据结果及分析 ....................................... 51
§5.3 结论 ....................................................... 56
第六章 总结与展望 ................................................... 57
§6.1 总结 ....................................................... 57
§6.2 展望 ....................................................... 58
参考文献 ............................................................ 59
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 61
致 谢 .............................................................. 62
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的来源及意义
§1.1.1 课题的来源
本课题是上海市科委国际合作项目(编号 051407092)“用于检测食品中化学成
分的便携式智能光谱分析仪研究”的后续部分。该课题是上海理工大学联合德国
M•U•T 公司并得到上海市科委的资助，共同开发一种快速先进的便携式的有害成
分的光谱分析仪，主要用于检测食品中所含化学成分或有毒含量。如何使用近红
外光谱分析技术，并结合光电检测方式、采用以目前世界上已广泛使用的可编程
逻辑器件 FPGA 为核心的完全嵌入式信号处理与控制平台，附加个人 PC 相交互控
制方式，使人机交互与成分分析完全可视化，免去传统对食品检测的繁复的化学
处理。
§1.1.2 课题的意义
随着人们的生活水平的不断提高，人们对自己的健康要求也来越高。然而由
于人口的快速增长，工业的迅猛发展，菜田受工业三废和生活废弃物的污染越来
越严重，由于大量使用化肥农药、饲料添加剂等，造成了蔬菜、肉类、果类等普
遍存在硝酸盐、农药、重金属铅和其他有害物质残留超标的现象。据 2001 年国家
技术监督局公布了几个城市蔬菜农药残留的抽检情况，60%多样本农残超标。为此，
农业部启动了“无公害食品行动计划”，北京、天津、上海和深圳作为第一批试
点城市，目标是在 2-3 年内实现从农田到餐桌的全程无公害生产管理。由此可见，
国家对食品安全的重视程度和此项工作的重要性和紧迫性。
事实上，一个中等规模集贸市场要抽检 10％的食品量，每天要抽检 50 个样品，
需要 50 多元的检测卡，加上两名检测人员的工资，一个月至少要 3000 元开支。 可
谓是效率低、开销大，而且还要专门国家建站，而且单个业主不具备随时检测自
己蔬菜食品的条件。但安全保障是市场业主的义务之一。事实上，市场是食品消
费安全最后一道监督关卡，除政府有关部门必须实行强制性监管外，各销售部门
也应有基于农残物快速检测的有效方法以保障消费者的利益。纵观当前国内蔬果
食品有害农药物质的检测方式，以化学和生化检测为主，主要使用气相色谱仪
（GC），高效流相色谱仪（HPLC），质谱仪（MS），核磁共振（NMR）红外线
光谱仪（IR）等大型仪器设备进行检测[2]。这些检测手段只能在有条件的实验环境
智能农药残留检测仪便携化研究与实现
2
中进行，且需要训练有素的专业技术人员操作，另外这些检测手段实现周期长，
操作繁琐，自动化程度低，结果的平行性、重现性难以保障，价格高昂，难以普
及应用。
§1.2 嵌入式系统简介以及目前的国内外应用情况
§1.2.1 嵌入式系统的简介
在许多领域中广泛应用的嵌入式计算系统简称为嵌入式系统，它是在更大的
电子器件或设备中嵌入的重复完成特定功能的计算系统，经常不被器件的使用者
所识别，但在各种常用的电子器件中能够找到这些嵌入式系统。例如，消费类电
子产品中的手机、寻呼机、数字相机、摄像机、录像机、个人数字助理等，家用
电器中的微波炉、洗衣机、烤箱、门禁系统、照明系统等，商用装置中的卡片读
入器、扫描仪、打印机等。这些嵌入式系统具有几个共同的特性[3]：
1． 单一的功能：一个嵌入式系统通常重复地执行一个特定的程序，除非嵌入
式系统的程序被新的版本更新，或者由于尺寸的限制几个程序在一个系统
中被调进或调出，即使这些例外也表示系统具有特定的功能；
2． 严紧的限制：所有的计算系统在设计时都有许多约束的要求，但是对嵌入
式系统的约束特别严紧，诸如成本、尺寸、性能和功耗等设计的限制条件
可以评定系统实现的特性，而嵌入式系统有特别高的设计技术要求；
3． 实时的反应：许多嵌入式系统必须连续地对系统环境的变化做出反应，并
且无延误地实时计算出确定的结果；
4． 软硬件共存：一般嵌入式系统由嵌入式处理器、系统的外围硬件设备、嵌
入式操作系统和系统应用软件等四部分组成，是一个以微处理器为核心的
数字系统，涉及到硬件和软件两方面的技术，嵌入式系统的微处理器可以
是通用处理器或微处理器、单片机或 DSP 的专用处理器、单用途处理器等。
由于设计的度量标准是针对嵌入式系统实现的可测量的特性，嵌入式系统的设
计架构必须实现全部预定的功能，但是面临的挑战是同时要对大量的设计度量标
准进行优化。除去不可回收的工程（NRE）成本外，对设计系统的要求包括单元
成本，尺寸、性能、功耗、灵活性、样机时间、上市时间、可维护性、故障率和
安全性等。
因此嵌入式系统可以定义为“以面向应用为中心，软件硬件可裁剪的完成特定
功能的可计算设备，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性
严格要求的专用计算机系统”。
第一章 绪 论
3
§1.2.2 嵌入式系统在光谱检测仪上的国内外应用情况
1. 国外的应用情况
德国 M•U•T公司
在TRISTAN®系列光谱仪产品中，都内置有控制器均采用 32 位处理器，其中
TRISTAN®light 配备 TRIWin 2.0 软件，TRISTAN®USB 配有 TRIWin 3.0 软件，
TRISTAN®NIR 配有 TRIWin 3.0PRO 软件,它们都是通过 USB 或RS-232 将初步
检测数据传输到 PC 机，将主要数据处理功能转交给计算机，这样能提高检测速度。
而TRISTAN®5和TRISTAN®onboard 则实现了便携化设计，可做为 PDA 单独实现
所有检测功能，不过它们已嵌入了可编程逻辑器件，来分担处理任务。
美国赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific Inc.)
作为全球科学服务领域的领导者，致力于为客户提供一整套包括高端分析仪
器、化学药品以及其他用品和产品，于 2007 年推出一款极具创新的近红外过程分
析仪“Antaris Target”,该仪器采用先进的微电子机械系统(MEMS)技术和嵌入式控
制系统，能实时监测药物等产品研究和生产的混合过程，具有一流的光谱分辨率
和分析性能，此外该分析仪采用一体式设计，尺寸紧凑，并配置了无线通讯技术
和大容量充电电池，能方便在多个混合罐间移动使用，提高了使用效率，节约投
资成本。
此外，日本长野县农村工业研究所也开发出快速近红外蔬菜农残检测系统，
只需大约 10 分钟就能鉴定杀菌清和杀虫剂 DDVP 等8种农药残留是否超过安全食
用标准。
2. 国内的应用情况
自上世纪 90 年代中期，我国就在农业，石化，烟草，食品，制药等领域先后
引进大量光谱仪器用于生产控制分析。
北京卓立汉光仪器有限公司(Zolix)在光谱仪产品上，就有谱王(Omni-λ)、巧
谱(PalmSpeZ)、SSM 三大系列,其中谱王(Omni-λ)系列是卓立汉光的新一代多光
栅单色仪/光谱仪，该产品延续了以往光谱仪器多光栅塔台设计的特点，其控制电
路采用了全新的 DSP 芯片，可控制三组光栅塔台，最多可容纳 9块光栅，以覆盖
UV-VIS-IR 全波段光谱范围的优势，并可根据需要灵活的选择光谱范围和分辨率；
但仪器的控制(如光栅转换、波长扫描等)仍由计算机控制。通信接口上采用 USB2.0
取代传统的 RS-232 接口，大大简化了光谱仪的连接，极大提高了通讯速率。在前
期的光谱仪产品中，也大多采用 DSP 芯片+单片机的组合控制处理器方式来实现核
心部件的设计的。
摘要：

摘要随着生活水平的提高，人们对自身健康愈加重视，对食品中有害物质残留检测提出了更高的要求，鉴于当前传统检测方法的程序繁琐，价格高昂的现状，开发一种智能有害物质(如农药)残留快速检测仪成为了一个迫切需求。由于检测场合和环境的多样性，检测设备的小型便携化设计亦成为未来发展趋势。本课题立足上海科委国际合作项目(项目编号：051407092)前期对近红外光谱检测原理的实验验证和光谱数据处理方法的分析验证的基础上，研究一种智能蔬菜农药残留检测仪的便携化设计，对食品安全快速检测设备的研制具有重要意义。本课题运用了嵌入式系统设计方法，即将检测仪控制处理等主要功能在一块Xilinx-FPGA芯片上设计实现，缩...

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