谷物品质快速检测仪关键部件的研究与设计

　　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。