微型光谱仪软件系统与光谱定标实现

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3.0 赵德峰 2024-11-19 5 4 907.33KB 64 页 15积分
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I
摘 要
微型光谱仪在国民经济中起着重大作用。作为一种精密的分析仪器，微型光
谱仪在环保、医药、石油化工、航空航天、科研等国民经济的各个领域都得到了
广泛应用，因此微型光谱仪具有广阔的市场前景。微型光谱仪的信号处理及定标
软件系统的实现对微型光谱仪的实用化起着关键的作用。
本课题就是在此背景下设计一套针对微型光谱仪的信号处理和定标的软件系
统。该信号处理及定标系统的基本特点是充分发挥计算机技术的优势，利用成熟
的信号处理技术，并通过软件实现定标。本课题在研究了微型光谱仪基本的光学
原理和基于单片机的信号采集系统的基础上，研究微型光谱仪软件系统以及光谱
定标的具体实现，主要的任务是实现能够进行光谱信号处理、光谱数据分析、光
谱定标功能。
论文分析了光谱仪发展历史、现状，并介绍了光学系统以及信号采集系统的
各个模块，给出了软件系统的架构，以及USB通信模块的实现方法。详细介绍了
USB控制器PDIUSBD12，并在此基础上实现USB固件程序和驱动程序。在VC++平
台上将由USB通信模块传递的光谱信号显示，详细介绍了实现这一功能的波形显
示空间的使用。由于采集的光谱信号含有噪声，本文分析了常见系统噪声及噪声
特征，并实现小波阈值去噪方法以及通过matlab与VC混合编程的方法实现傅立叶
变换去噪方法。
关键词：光谱仪 USB 驱动 信号去噪 单片机
II
ABSTRACT
Micro-spectroscopy plays a major role in the national economy.As a sophisticated
analytical instrument ，Spectrometer has been widely applied in environmental
protection, medicine, petrochemical, aerospace, scientific research and all areas of the
national economy, therefore micro-spectrometer has a broad market prospect. The
realization of micro-spectrometer signal processing and calibration software system
plays a key role in the implementation of micro-spectrometer.
This topic is to design a micro-spectrometer for signal processing and calibration
software systems. the basic characteristics of this signal processing and calibration
system are the use of sophisticated signal processing technology and The realization of
calibration software system.After studying the basic principles of micro-spectrometer
and the signal acquisition system based microcontroller, The main task is to carry out
spectral signal processing, spectral data analysis, spectral calibration function.
This paper analyzes the spectrometer development history,status quo and
describes the optical system,each module of signal acquisition system.The software
system architecture is also given.The details of the USB controller PDIUSBD12 have
also been described,and USB firmware and driver have been realized.In the VC++
platform，the spectral signal transformed by usb communication module is displayed,
the use of waveform display control has been described. As the collected spectral signal
with noise，this paper analyzes the common characteristics of the system noise，and
denoise with the wavelet threshold denoising method and fft denoising method realized
by the mixed programming method of matlab and vc++.
Key word: Spectrometer,USB driver,signal denoising,single chip
III
目录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论................................................................................................................. 1
§1.1 光谱仪发展历史................................................................................................. 1
§1.2 光谱仪的发展现状............................................................................................. 2
§1.3 课题研究的意义................................................................................................. 2
§1.3 本课题的关键技术............................................................................................. 3
§1.4 本课题的主要研究内容及实施方案................................................................. 3
第二章 光学系统与信号采集系统设计..................................................................... 4
§2.1 光学系统............................................................................................................. 4
§2.1.1 反射平面式衍射光栅........................................................................ 5
§2.1.2 光路系统........................................................................................... 6
§2.2 信号采集系统..................................................................................................... 7
§2.2.1 信号采集系统.................................................................................... 7
§2.2.2 A/D 转换模块 .....................................................................................7
§2.2.3 信号放大........................................................................................... 8
§2.2.4 滤波电路........................................................................................... 8
§2.2.5 USB 器件与单片机连接 ....................................................................9
§2.3 本章小结........................................................................................................... 10
第三章 系统软件的实现......................................................................................... 11
§3.1 软件系统架构................................................................................................... 11
§3.2 软件界面及功能............................................................................................... 11
§3.3 USB 通信驱动 ...................................................................................................12
§3.3.1 USB 控制器 PDIUSBD12 介绍 ...................................................... 13
§3.3.2 USB 固件程序的实现 ......................................................................14
§3.3.3 USB 驱动程序的实现 ......................................................................18
§3.3.4 驱动程序和应用程序通信.............................................................. 20
§3.4 信号显示界面的实现....................................................................................... 24
§3.4.1 Visual C++视图闪烁问题 ................................................................24
§3.4.2 波形显示控件介绍.......................................................................... 24
§3.4.3 控件的编程...................................................................................... 26
§3.4.3.1 控件注册及工程添加................................................................... 26
IV
§3.4.3.2 控件接口函数及编程................................................................... 27
§3.5 本章总结........................................................................................................... 28
第四章 信号去噪及光谱分析................................................................................... 29
§4.1 系统噪声及其特征........................................................................................... 29
§4.2 小波阈值去噪及实现....................................................................................... 30
§4.2.1 小波阈值去噪原理.......................................................................... 30
§4.2.2 小波阈值去噪算法.......................................................................... 31
§4.2.3 程序实现........................................................................................ 32
§4.2.4 去噪结果.......................................................................................... 33
§4.3 傅里叶变换去噪及实现................................................................................... 34
§4.3.1 Matlab 混合编程方法介绍 ..............................................................34
§4.3.2 Matlab 混合编程方法实现傅里叶变换去噪 ..................................35
§4.3.3 傅里叶变换去噪结果...................................................................... 36
§4.4 平滑................................................................................................................... 36
§4.5 寻峰................................................................................................................... 37
§4.6 本章总结........................................................................................................... 38
第五章 光谱定标分析............................................................................................... 39
§5.1 光谱定标........................................................................................................... 39
§5.2 最小二乘法原理及计算机算法....................................................................... 39
§5.3 定标实验及结果.............................................................................................. 42
§5.3.1 实验介绍......................................................................................... 42
§5.3.2 实验结果分析............................................................................... 42
§5.4 本章小结.......................................................................................................... 44
第六章 总结与展望................................................................................................... 45
§6.1 总结................................................................................................................... 45
§6.2 展望................................................................................................................... 45
附录一 小波去噪实现 ............................................................................................... 46
附录二 小波变换及反变换函数 ............................................................................... 54
参考文献 ..................................................................................................................... 57
在读期间公开发表论文和承担的科研项目及取得成果 .................... 59
致谢 ............................................................................................................................. 60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
电子、计算机技术的进步大大推动了现代科学仪器的发展，其中一个重要的
方向便是微型分析仪器的专用化、微型化、智能化。由于光谱仪利用光学原理来
对物质结构进行测量和分析，其具有测量精度高、测量范围大、速度快等优点，
因而对分析科学甚至整个科学技术的发展都起了巨大的作用。作为一种精密的分
析仪器，光谱仪在环保、医药、石油化工、航空航天、科研等国民经济的各个领
域都得到了广泛应用。并且随着这些领域现代化的快速发展，对分析仪器的小型
化、轻量化要求越来越高。微型光谱仪适应了这种要求，其作用越显的重要。
本章主要介绍光谱仪的发展历史及其发展现状、本课题的研究意义、本课题
的关键技术和主要内容。
§1.1 光谱仪发展历史
很多物质的性质都可以通过物质的光谱数据反映，光谱仪器正是基于此，通
过获得物质光谱性质来研究物质性质的一种分析仪器。
光谱仪的发展已经经历了很长一段历史。自从英国物理学家牛顿在 1666 年使
用棱镜将白光分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种单色光开始，人类终于认
识到白光是复合的，从此光谱才真正成为一门科学，给人类提供了一个认识世界
的新途径。经过一百多年的发展，第一台完整的光谱仪由克希霍夫(Kirch Hoff)和
本生(Bunsen)制作出来，从此光谱仪开始快速的发展。
到了 20 世纪 60 年代，光谱仪器获得了重大发展。这一期间，光谱的定量分
析方法、光谱定性、光谱线谱图谱等都得到建立，该世纪下半叶，微电子技术、
计算机技术、软件工程等领域迅速发展，大大推动了科学仪器技术以及光谱学原
理的进步，这些技术促进了光谱仪分辨率和灵敏度等性能的提高，但是随着这些
技术的进步所引起的各个领域的变革对光谱检测技术要求也更高，因此在各个不
同领域出现了如非线性光学光谱仪、拉曼光谱仪、傅立叶变换光谱仪等性能更高
的更加专业化的光谱仪，这类光谱仪的诞生大大强化了光谱仪在国民经济各个领
域的应用。
光电探测器的发展使光谱仪器的发展达到了一个崭新的境界，随着电子技术、
计算机技术、集成电路工艺的快速进步，出现诸如 CCD 的光电转换设备。光谱数
据处理到现在已经能够实现自动化与智能化。其中 USB 接口应用，使的大批量的
光谱数据能够在计算机上得到实时处理，例如超图谱数据的处理；光谱数据的共
享与远距离传输和控制在计算机网络化的过程中得到实现；光谱仪自动化的也随
微型光谱仪软件系统与光谱定标实现
2
着软件技术的进步得以实现。
光谱仪的智能化、集成化和微型化现在已经成为一种方向。特别是 MEMS 技
术进步以及光电探测器件成熟，使得这一类光谱仪的应用越来越广泛。
§1.2 光谱仪的发展现状
近年来科学技术各个领域的飞速发展推动了光谱分析检测技术和光谱仪器的
突破性进步,而使之成为高科技知识密集化的典型。光谱仪发展趋势主要体现在以
下几点：小型化、专用化、全谱直读、自动分析系统。
近年来，具有多年的光学设计经验和崭新的电子技术的许多厂家，相继推出
了一批不同类型的全谱直读光谱仪，如TJA公司的IRIS型、PE公司的Optima型等离
子体光谱仪等，这些光谱仪都实现了全谱直读。为满足现场分析或专门用途分析
的需要，光谱仪制造商推出了小型化、专用化的便携式、移动式的光谱仪。如德
国Spectro公司推出的台式直读光谱仪。而针对某些特殊用途而设计的专用仪器近
年来也不断出现，如岛津公司的智能型PDA型光谱仪等，是小型化且专用化的仪
器，每种型号的仪器都是适用于一类材质检测的专用仪器。
为了适应生产过程自动化程度的不断提高对全自动分析系统的迫切需要，德
国Spectro公司推出的Spectrolux全自动光谱分析实验室，是由高级直读光谱仪配以
自动机械手、带磨样机及其它有关设备，组成的全自动分析系统，该系统使用十
分简便，整个分析过程就在计算机控制下按设定程序自动完成，它是一种新型的
在线生产控制分析系统。
§1.3 课题研究的意义
由于在国民经济中起着重大作用，微型光谱仪具有广阔的市场前景，能够满
足许多实际应用对光谱检测的要求，而且实现工业生产在线控制和在线测量，是
光谱仪器一个重要的发展方向。微型光谱仪的信号处理及定标软件系统的实现对
微型光谱仪的实用化起着关键的作用。
在此背景下，设计一套针对微型光谱仪的信号处理和定标的软件系统具有重
要的意义。该信号处理及定标系统的基本特点是充分发挥计算机技术的优势，利
用成熟的信号处理技术，并通过软件实现定标。本课题在研究了微型光谱仪基本
的光学原理和基于单片机的信号采集系统的基础上，实现一套用于信号处理、数
据分析、系统定标等功能的软件系统。
第一章 绪论
3
§1.3 本课题的关键技术
本文中所采用的关键技术包括：
1、基于 USB 的串口通信编程技术：本课题根据 USB 协议并利用 USB 控制器
PDIUSBD12 实现上位机与下位机的通信功能。
2、信号处理技术：本软件实现的信号处理功能主要通过小波阈值去噪法和快速傅
里叶变换去噪法来实现。
3、ActiveDAQ Pro 控件提供的 API 函数来编写程序。
4、光谱分析技术：通过光谱分析具体算法实现谱线拟合定标。
§1.4 本课题的主要研究内容及实施方案
本课题旨在设计一套针对微型光谱仪的能够进行信号处理、数据分析、系统
定标的软件系统，该软件系统可实现信号去噪、显示、数据分析和定标等功能。
主要研究内容包括：
1、设计 PC 机与基于单片机的光谱信号采集系统的通信模块。
2、设计基于小波技术的去噪模块。
3、设计用于信号显示和数据分析的应用程序。
4、实现系统定标。
实施方案：
1、首先在 visual c++开发平台上实现上位机与下位机的通信模块，并利用波
形控件显示信号；
2、分析噪声特征，利用成熟的信号处理技术去噪、平滑信号；
3、利用 ActiveDAQ Pro 控件实现信号显示；
4、采用标准灯定标法，即采用具有特征谱线，且已知特征波长的标准光源定
标。
摘要：

I摘要微型光谱仪在国民经济中起着重大作用。作为一种精密的分析仪器，微型光谱仪在环保、医药、石油化工、航空航天、科研等国民经济的各个领域都得到了广泛应用，因此微型光谱仪具有广阔的市场前景。微型光谱仪的信号处理及定标软件系统的实现对微型光谱仪的实用化起着关键的作用。本课题就是在此背景下设计一套针对微型光谱仪的信号处理和定标的软件系统。该信号处理及定标系统的基本特点是充分发挥计算机技术的优势，利用成熟的信号处理技术，并通过软件实现定标。本课题在研究了微型光谱仪基本的光学原理和基于单片机的信号采集系统的基础上，研究微型光谱仪软件系统以及光谱定标的具体实现，主要的任务是实现能够进行光谱信号处理、光谱数据...

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