谷物品质快速检测仪关键部件的设计

摘要：文章阐述了谷物品质快速检测仪的关键部分－数据采集传输单元的设计与实现。数据采集传输分为软硬件两部分，硬件设计主要是实现数据采集单元和USB接口单元电路设计，软件包括三部分，芯片固件程序、驱动程序、上位机Win32应用程序的设计。其中详细介绍了ADS7825的内部结构、工作原理、性能指标以及它与CY7C68013组成的多路USB接口数据采集单元的具体实现。
关键词：ADS7825 CY7C68013 数据采集 USB

一、概述

谷物品质快速检测仪是应用近红外光谱分析技术来检测谷物的内部品质，如粗蛋白，水分等。随着光学、计算机处理技术、化学计量学理论和方法的不断发展，以及新型近红外仪器的不断出现和软件版本的不断翻新，近红外光谱技术的稳定性、实用性和准确性不断提高；其分析快速，简便，非破坏性以及可同时测定多成分的优点不断为人们所认识；不仅可用来测定样品的水分、粗蛋白、脂肪、淀粉等常量成分，还被用来测定氨基酸、脂肪酸，以及对生产加工过程进行在线质量控制；分析对象也从粉样样品扩展到分析完整籽粒样品[5]。

本文研究的目的就是快速、准确地测得谷物品质的相关参数，所以仪器的性能就体现在快速、准确的测试并分析测试结果的能力。图1为近红外光谱仪的装置示意图，近红外光谱仪一般由光源、分光系统、测样器件、检测器和控制及数据采集处理系统组成；其中的关键部件就是光谱数据采集和分析单元，本文主要讨论数据采集部分的设计及实现。

图1.近红外光谱仪器示意图

1－光源；2－分光系统；3－反光镜；4－测样器件；5－漫反射检测器；

6－透射检测器；7－计算机；8－USB数据采集通讯部分

由于我们使用的是基于电荷耦合器件（CCD）的多通道近红外光谱仪，这类仪器扫描光谱速度快，一般单张光谱的扫描速度只有几十毫秒，所以对CCD信号的采集和传输速度有比较高的要求，为满足这些速度要求所以采用USB接口方式取代原来的并口通讯方式。同时为了适应现代仪器的小型化和通用化，仪器和计算机的连接也要求我们选择USB接口总线，从而实现光谱数据的高速采集和传输，并完成谷物品质的快速检测。

二、系统设计

该系统可对4路模拟信号进行不间断采集，输入信号范围－10V～+10V，AD转换位数16位。设计多通道数据采集目的，为了实现多通道的差分信号采集来补偿温度等其它因素产生的噪声。由于温度的变化对CCD有很大的影响，所以系统采用了两个CCD，每两路对同一个CCD进行差分采集。其中一个CCD作为光谱扫描，另一个放置和前一个相邻的位置用作差分补偿。通过多通道差分补偿能提高系统的性能，从而保证测量的准确性。

该采集系统总体框架为主机（能支持USB2.0计算机）、内部包含CPU及FIFO高速缓存的USB接口控制芯片FX2和高速模数转换器（ADS7825）。系统分为硬件设计和软件设计两部分。其中硬件设计主要是以ADS7825为核心的数据采集单元和以FX2为核心的USB接口单元两部分。软件可分为三部分：采用Keil C51语言编写的FX2的芯片固件程序、Visual C＋＋编写的USB设备驱动程序和上位机Win32应用程序。下面分别介绍数据采集的软硬件设计部分。

2.1 硬件设计

硬件设计主要是实现数据采集单元和USB数据传输单元电路设计。其数据传输为控制信号和采集数据。控制信号方向为主机到外设（OUT），数据量较小；采集到的数据由外设到主机（IN），数据量较大。系统基本操作过程为：主机给外设一个采样控制信号CLK；A/D转换完成的数据直接进入CY7C68013的内部端点FIFO，当FIFO容量达到指定程度后，自动将数据打包传送给USB总线，主机进行接收，保证有较高的传输速度。

1 数据采集模块[1]

数据采集模块主要实现以ADS7825为核心对4路模拟输入信号进行AD转换。ADS7825是BB公司生产的高性能模数转换器件，它具有4路模拟输入通道，5V单电源供电，16位并行输出等独特性能。

其工作原理，在此着重介绍ADS7825在并行输出方式下的工作过程,如下图2所示为其并行输出时电路原理图。在并行输出方式下，启动初始化过程是由R／C（pin22）脚变为低电平并至少保持40ns开始，启动转换。BUSY（pin24）脚变为低电平，并保持到数据转换和数据输出寄存器刷新完毕。如果BYTE（pin21）脚为低电平，在BUSY的上升沿，触发输出信号的高8位数字；相反，若BYTE脚为高电平，输出信号的低8位数字。最终转换的数据以完全二进制数字格式输出。REF是外部参考电压输入端或内部参考2.5V电压输出端。此引脚应与一个2.2μF电容相连，并与REF脚的输出阻抗构成一个低通滤波器滤过带限噪声。CAP为内部参考电压的缓冲输出端，也应与一个2.2μF电容相连，在ADS7825的转换周期内，这样连接可提供给内置D／A转换器最佳的转换写入电流，同时对缓冲输出也是一种补偿。另外，在BUSY为低电平期间，不再接受新的转换指令。ADS7825在并行输出模式情况下，根据通道选择方式的不同，还可以分为连续转换方式和可编程通道选择方式。在CS、R／C和PWRD同时接低电平的情况下，若CONTC（pin25）脚为高电平时，ADS7825处于连续转换工作模式。此时，ADS7825将按顺序连续采集和转换4路通道中的信号；而在CONTC变为高电平之前，当前通道号就相应存入A0和A1通道选择的寄存器中，也就是说在连续转换模式下（即CONTCE为HIGH），A0和A1为输出端。对于前一个通道来说，输出数据BUSY在跳变为高电平时变为有效。另外，每一次转换结束，BUSY要跳变为高电平时，A0和A1能够输出将要转换信号的通道号。