便携式光谱分析系统的设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.41MB 49 页 15积分

摘要 ....................................................................................................................................... 0

ABSTRACT .............................................................................................................................. 1

第一章绪论 ....................................................................................................................... 1

§1.1 光谱仪器的发展现状 ......................................................................................... 1

§1.2 课题的背景和意义 ............................................................................................... 2

§1.3 系统整体设计和研究的主要内容 ....................................................................... 3

§1.3.1 系统整体设计 ............................................................................................... 3

§1.3.2 研究的主要内容 ......................................................................................... 3

第二章光学模块设计 ....................................................................................................... 5

§ 2.1 光源的选择 ......................................................................................................... 5

§2.2 光源的设计 ......................................................................................................... 5

§2.3 样品支架的设计 ................................................................................................. 11

第三章数据处理平台搭建 ............................................................................................... 14

§3.1 数据处理平台硬件的选择 .................................................................................. 14

§3.2 操作系统的选择 ................................................................................................. 15

§3.3 数据处理平台构建 ............................................................................................. 17

§ 3.3.1 Bootloader 的移植 .................................................................................. 17

§3.3.2 嵌入式 Linux 内核的裁剪、编译与移植 ................................................. 18

§3.3.3 制作根文件系统 ......................................................................................... 20

第四章软件设计 ............................................................................................................. 22

§4.1 USB 设备驱动 ...................................................................................................... 22

§4.1.1 Linux 下设备驱动简介 ............................................................................ 22

§4.1.2 USB 技术简介 .............................................................................................. 23

§4.1.3 USB 设备驱动程序开发 .............................................................................. 24

第一章绪论

§4.2 图形用户界面设计 .............................................................................................. 29

§4.2.1 Qt/Embedded 开发环境的安装 .................................................................. 29

§4.2.2 编写图形界面程序 ..................................................................................... 31

§4.2.3 移植到开发板 .............................................................................................. 33

§4.3 颜色特性计算 ..................................................................................................... 34

§4.3.1 色度学相关知识 ....................................................................................... 34

§4.3.2 计算程序 ..................................................................................................... 37

§4.4 系统测试 ............................................................................................................. 39

第五章总结与展望 ........................................................................................................... 40

§5.1 总结 ...................................................................................................................... 40

§5.2 展望 ...................................................................................................................... 40

参考文献 ............................................................................................................................. 42

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................. 46

致谢 ................................................................................................................................. 47

摘要

光谱仪器是利用光的辐射、色散和吸收原理，对物质的成分和含量进行定性

和定量分析的光学仪器。光谱仪器广泛应用于卫星遥感、野外探矿、医疗器械、

宇宙探索、颜色检测等领域。由于传统的光谱仪器体积较大，无法满足现场检测、

实时检测的要求，因此光谱仪器的便携化成为光谱仪器的一个重要研究方向。

针对光谱仪小型化、便携化的需求，在研究了光谱仪器相关理论的基础上，

本论文提出了利用嵌入式技术来实现光谱仪器的便携化这一方案。光谱分析系统

设计方案由前端光学模块、数据采集模块、数据处理平台和相关软件构成。首先，

设计了前端光学模块，包括光源和样品支架。光源采用两个 LED 灯复合而成，设

计了相关光路，并用软件进行了模拟。样品支架利用齿轮的特性实现了角度的连

续可调。其次，搭建好了数据处理平台。硬件选用 ARM920T 为内核的 S3C2410 微

处理器作为核心，操作系统选用的是嵌入式 Linux 系统。Linux 内核经过裁剪和编

译，移植到 S3C2410。S3C2410 和嵌入式 Linux 系统一起构成了一个数据处理平台。

最后，编写了相关软件，包括 USB 设备驱动程序、人机界面程序和颜色特性计算

程序。数据采集模块与数据处理平台之间通过 USB 进行数据传输，因而需要 USB

设备驱动程序进行驱动。人机界面程序利用 Qt 进行编写，实现了光谱绘制的功能。

颜色特性计算程序计算出了入射光的色坐标、主波长及色温等。

在整个系统都搭建好后，利用已知的数据对系统进行了测试，并对结果进行

了分析。在论文的末尾进行了总结和展望，指出了设计还存在的不足以及未来的

发展方向。

关键词：便携化 ARM Linux USB 设备驱动 Qt

ABSTRACT

Spectrometer is a kind of optical instrument that analyzes the composition

and content of materials qualitatively and quantitatively according to the principle of

light radiation, dispersion and absorption. Spectrum instruments are widely used in

satellite remote sensing, field exploration, medical equipment, space exploration, color

detection and other fields. Because the traditional spectrum instruments are big and can

not meet the requirement of scene detection and real-time detection, portable

spectrometers have become an important research direction of spectrometer.

Because of the miniaturization and portables needs of spectrometer, this

paper propose to use embedded technology to achieve portability of spectrometer based

on the study of spectral instrument theory. The design of spectral analysis system

consists of front optical module, data acquisition module, data processing platform and

related software. Firstly, the front optical module is designed, including the light source

and sample holder. The light source is composed of two LED lights which are

compounded.

It also designs the optical and simulates with software. Sample holder make the

angle continuous adjustable by use the gear features. Secondly, data processing platform

is built. Hardware select S3C2410 microprocessor which kernel is ARM920T as the

core and operating system choose the embedded Linux system. The Linux kernel is

ported to S3C2410 after clipping and compile. S3C2410 and embedded Linux system

together form the data processing platform. Finally, relevant software is wrote,

including the USB device driver, man-machine interface procedures and color

characteristics calculation program. Data acquisition module and data processing

platform transmit data through USB, so USB device driver is needed. The man-machine

interface program is wrote with Qt and realizes function of drawing spectrum. Color

characteristic calculation program calculate the color coordinates, main wavelength and

color temperature of the incident light.

After the entire system has been built, the system is tested by known data

and the results are analyzed. At the end of this paper is the summary and outlook,

pointing the shortage of design and the development direction in the future.

KeyWords: Portable, ARM, Embedded Linux, USB device driver, Qt

第一章绪论

§1.1 光谱仪器的发展现状

光谱仪[1]是把成分复杂的光分解成光谱线，并进行记录的紧密光学仪器。传统

的光谱仪器大多以专用仪器的形式出现在实验室，虽然测量准确度高、范围大，

但是其一般体积较大、价格昂贵，应用一般只限于实验室。如今在各种应用领域，

光谱仪有着广大的应用空间，而传统光谱仪庞大的体积使得它无法走出实验室。

因而，在保证光谱仪一定的分辨率和准确度的前提下，提高光谱仪的便携度就成

为一个很重要的研究课题。

随着光纤技术、计算机技术、半导体术及制造工艺的飞速发展，光谱仪器的

便携化取得了巨大的进步，使得光谱仪器走出了实验室，进入到各种实际应用领

域之中。光纤技术改变了光谱仪的采样方式，全息光栅技术改变了光谱仪的分光

方式，CCD 技术则改变了光谱仪的接收方式，而计算机技术的发展则在减小数据处

理系统的体积的同时，提高了处理能力[2]。如今，光谱仪的便携化已经达到了一个

比较高的水平，国内外已经有一些公司能够生产微型化光谱仪[3]。

如图 1-1 所示为 EPP2000 微型光纤光谱仪[4]。EPP2000 系列微型光纤光谱仪是

一个从紫外到可见光及近红外波段适用的高灵敏度综合系统，测量范围是 190 到

2200nm。简洁便携的设计提供了优异的性能价格比。无可活动元件设计和坚固的

金属外科保证了整个光谱仪的可靠的坚固性和可靠性。USB2 数据传输接口使操作

非常简便，数据传输更加快捷。通过 USB2-hub 还可以使多台光谱仪实现多光路测

量。 EPP2000-HR 高分辨率光纤光谱仪在使用同样的光栅情况下，分辨率是标准

型的 2倍。通过对波长范围，探测器以及狭缝大小进行选择，就能达到优于 0.1nm

的分辨率。该光谱仪应用的范围包括：波长监测，激光/LED/其他光源特性分析，

测量气体吸收，原子发射光谱分析。

图1-1 EPP2000 微型光纤光谱仪

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