黃新棟，左石凱

(1.廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.福建省光電技術(shù)與器件重點實驗室，福建 廈門 361024；3.廈門市LED照明應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361024)

紅外水分儀是一種非接觸式物質(zhì)水分測量儀器，其利用水分子對特定波長的近紅外光具有強吸收的特征，通過計算待測物中不同物質(zhì)成分對紅外線的吸收能力，得出待測物的水分含量[1-3]。近紅外光譜儀需要采集多個光學(xué)譜段，通常的做法是采用分光計進行分光，然后進行采集。目前的采集方法主要有兩種，一種是采用陣列探測器同時采集多個譜段信號，這種方法探測器成本高；另一種是采用電機帶動濾光輪的方式來采集光譜數(shù)據(jù)，其存在的主要問題在于：(1)電機運行會在系統(tǒng)中引入干擾；(2)電機的轉(zhuǎn)速在6 000 r/min左右，難以再提高速度；(3)光譜的選擇靈活性不高，一旦選定濾光片，其數(shù)量和波段難以改變[4-6]。

本設(shè)計采用數(shù)字微鏡器件來代替濾光輪，通過微鏡的翻轉(zhuǎn)來選擇近紅外光譜波段，可克服以上提到的幾個問題，并在紅外水分儀中采用了現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)+數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了FPGA靈活性強和DSP芯片運算速度快的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1.1　水分儀系統(tǒng)方案

在水分儀系統(tǒng)中，DMD起到光譜選擇的作用。待測物體的紅外光經(jīng)過分光棱鏡的分光后，各段光譜分布在DMD表面，數(shù)據(jù)采集板控制DMD表面微鏡的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)光譜選擇，同步光譜分時進入紅外傳感器，經(jīng)過前放板處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由數(shù)據(jù)采集板采集、處理，最后將計算結(jié)果送到控制箱進行顯示。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2　波長選擇

DMD是一種全新的數(shù)字化的空間光調(diào)制器，它在一塊芯片上應(yīng)用MEMS(微電子機械系統(tǒng))工藝集成了上百萬個鋁合金材質(zhì)的微小反射鏡，每個微鏡的大小是13.68 μm×13.68 μm，一個微鏡代表一個像素，如圖2所示。DMD具有超過90%的填充比例，通過控制微鏡進行正負12°的翻轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)光的不同角度反射，從而實現(xiàn)光調(diào)制[7]。

水分儀系統(tǒng)是反射型水分測量，光源采用穩(wěn)定度高、能量較高、光譜范圍在360～2 500 nm波段的鹵鎢燈。光源驅(qū)動采用恒流驅(qū)動方式，以消除燈絲電阻的溫度特性影響。鹵鎢燈照射在被測物體表面，反射紅外光經(jīng)過分光棱鏡后照射在DMD表面上，通過控制DMD表面不同位置的微鏡翻轉(zhuǎn)，選擇特定波長的近紅外光反射到近紅外傳感器上。配合近紅外光譜的手機，系統(tǒng)采用光伏型InGaAs傳感器，其有效工作波長范圍0.5～2.5 μm，比傳統(tǒng)的硫化鉛傳感器具有更高的量子效率和靈敏度[5]。

設(shè)計采用了4波段水分測量方式，如圖3所示。水分子在近紅外區(qū)域有4條吸收帶，分別為1.19、1.45、1.94、2.95 μm，由于探測器的探測峰值較接近1.94 μm，所以采用1.94 μm這個波段，為了消除被測物表面質(zhì)地、溫度、顏色以及光源波動等的影響[8]，提高儀器的準確度和穩(wěn)定性，又引入了1.94 μm兩側(cè)的3個波長：1.81、1.89、2.21 μm作為比較參考波長，并采用內(nèi)外兩光路，利用內(nèi)外光路的比值消除光強度變化帶來的不利影響[9-11]。

1.3　數(shù)據(jù)采集板的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集板采用了FPGA+DSP的架構(gòu)，這種架構(gòu)有很強的通用性，對于信號位數(shù)和信號格式等不受限制，適用于模塊化設(shè)計，具有很強的可重構(gòu)性和可擴展性。FPGA采用XILINX公司的XC6SLX45這款45 nm工藝芯片，其資源豐富，具有很高性價比。FPGA主要功能有AD數(shù)據(jù)采集、DMD控制及高速接口控制等，在整個系統(tǒng)中起到了核心控制的作用。數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3.1AD數(shù)據(jù)采集

鹵鎢燈照射在被測物上，從被測物反射的近紅外光經(jīng)過DMD的反射后到達InGaAs傳感器。首先對傳感器出來的信號進行預(yù)處理，主要包括電流-電壓轉(zhuǎn)換和信號主放大。放大后的信號采用AD公司的AD9220進行轉(zhuǎn)換。FPGA以10 MHz的時鐘頻率從AD9220讀數(shù)據(jù)。為了提高抗干擾性，F(xiàn)PGA對采集的數(shù)據(jù)進行簡單的中值濾波，在FPGA內(nèi)部設(shè)3個16位寄存器，進行1×3的流水線操作，僅僅對輸入數(shù)據(jù)進行了2個時鐘的延遲，實時性高。然后將濾波后的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，通過EMIF口傳輸給DSP，進行下一步處理。

1.3.2DMD控制

方案采用型號S1076-7408的DMD，其微鏡陣列為1 024×768，有效鏡面大小為14 mm×10.5 mm。分光棱鏡將紅外光分光后，按列的方式分布在DMD表面。當需要選擇特定波長的近紅外光譜時，只需要控制DMD對應(yīng)位置的微鏡全部打開(翻轉(zhuǎn)到+12°)，把其他的微鏡關(guān)閉(翻轉(zhuǎn)到-12°)，就可以把需要選擇的光譜反射到近紅外探測器上，如圖5所示。

可以看出，使用DMD后，可非常靈活的調(diào)整所選擇的光譜波長，而不僅僅局限于幾個固定的波長以及所選波長的數(shù)量，這樣只需對后端算法進行修改，即可應(yīng)用在不同成分的光譜分析中。

當紅外光譜照射到DMD表面時，需要考慮紅外光譜在整個光路過程中各個環(huán)節(jié)的損耗。從光譜入射到探測器接收的光路的損失如圖6所示。

DMD微鏡填充因子、開關(guān)時間、反射效率和衍射造成的效率分別為0.92,0.92，0.88，0.86，對于不同的波長所造成的效率有細微差別。封裝玻璃的透過率為0.97(需考慮入射和出射，因此投影光學(xué)效率=0.972)。那么整個系統(tǒng)總的光學(xué)效率為：0.92×0.92×0.88×0.86×0.972=0.603。

DMD驅(qū)動部分如圖7所示。為了保證每個譜帶能量，這里選擇DMD每個譜帶的大小為16×768個微鏡，物理尺寸約2.19 mm×10.51 mm。當?shù)鹊接|發(fā)信號時， DMD控制模塊啟動數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機，將“0”和“1”的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻MD內(nèi)部的SRAM中。接著觸發(fā)DAD1000控制模塊通過串行接口給DAD1000發(fā)送一組串行命令， DAD1000給出對應(yīng)的一組偏置電壓，使DMD根據(jù)其內(nèi)部SRAM中的數(shù)據(jù)進行翻轉(zhuǎn)。偏置電壓有7.5V、26V和-26V。為了保證反射光的一致性，DMD采用全局復(fù)位的方式，即所有微鏡同一時間翻轉(zhuǎn)。

采用的S1076-7408型號DMD的最高翻轉(zhuǎn)頻率為8 000 Hz，按4波段采集加一個參考波段，采集一組數(shù)據(jù)的時間最快是500 μs。如果翻轉(zhuǎn)太快，微鏡駐留時間太短，采集一個光譜數(shù)據(jù)的時間太短，能量不足。綜合考慮能量和采集速度，設(shè)置翻轉(zhuǎn)頻率為500 Hz。

采用DMD進行光譜選擇，配合單探測器的方案減少了使用電機帶動濾光輪下的機械振動，非常有利于系統(tǒng)長期工作的穩(wěn)定，并且提高了采樣速度。整體采集方案如圖8所示。

1.3.3DSP設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，DSP接收來自FPGA的數(shù)據(jù)，并連接控制箱，作為主控，其主要功能是進行水分算法。DSP采用TI公司的浮點DSP芯片TMS320C6713，其通過EDMA控制器接口與FPGA進行快速數(shù)據(jù)交換。該DSP的使用在目前系統(tǒng)當中留有較大余量，主要考慮后期系統(tǒng)升級以及在其他光譜分析中的應(yīng)用。當FPGA中的數(shù)據(jù)充滿FIFO時，會發(fā)一個中斷給DSP，通知DSP啟動EDMA傳輸，把數(shù)據(jù)放到DSP內(nèi)部RAM中，然后通過I2C總線讀取預(yù)先存放在EEPROM中的參數(shù)來進行水分計算。通過串口發(fā)送到控制箱顯示。同時DSP通過MAX532芯片來實現(xiàn)信號的自動增益控制，保證輸入的光譜信號幅度是AD9220滿幅度的85%左右，提高采樣的精度。

2　實驗驗證

紅外水分儀在煙草水分在線測量實驗的測試條件見表1。將30份標準煙草樣品進行標定后測試，測試結(jié)果如表2。

表1　水分儀測試條件Table1　Testingconditionofmoistureinstrument測量物體煙草測定方式在線非接觸水分范圍/%0～50測定距離/mm250±50測定面積直徑40mm的圓工作溫度/℃0～50阻尼/s1～60表2　水分儀測試結(jié)果Table2　Testingresultofmoistureinstrument技術(shù)指標測試結(jié)果重復(fù)測量精度/%±0．05精度/%±0．25有效分辨率/%0．03測量范圍/%0～50響應(yīng)時間/s0．1

這個測試結(jié)果完全滿足了煙草水分測量的高精度和實時性要求。

3　結(jié)語

本文設(shè)計的水分儀系統(tǒng)采用數(shù)字微鏡作為光譜選擇的核心器件，減少了傳統(tǒng)的濾光輪方式選擇光譜帶來的速度慢、震動等問題，在光譜選擇上更具有靈活性和可操作性，只需要簡單調(diào)整DMD不同位置的微鏡翻轉(zhuǎn)，即可選擇不同光譜的近紅外光反射到近紅外傳感器上，并且可隨時改變光譜選擇的數(shù)量。同時采用FPGA+DSP的架構(gòu)進行水分的采集和計算。從實驗結(jié)果可以看到，該水分儀系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，速度快、精度高。

本系統(tǒng)不僅可以用在水分測量，在食品安全等近紅外光譜測量領(lǐng)域均可應(yīng)用。另外，系統(tǒng)采用的FPGA+DSP開放式架構(gòu)支撐了更多光譜和更復(fù)雜算法的應(yīng)用，使得該系統(tǒng)有較強的工程應(yīng)用價值。

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