一種嵌入式大量數據處理技術的研究*

鐘震宇 盧杏堅 曹永軍

1 引言

隨著自動化技術的發展，嵌入式系統廣泛應用于監控等方面，如對電場致聚合物的響應特性測試、石材切割裝備的自動控制、光學鍍膜過程監控。對于這些應用，往往會存在大容量數據采集與運算的問題，如復合光路膜厚監控系統中的寬光譜掃描波長范圍為 400nm～800nm，波長分辨率為 1nm，采集掃描速度為12次/秒（積分時間為70ms），測量掃描速度為2次/秒，透射率測量精度為 0.1%，主波長控制精度為 1%[1]。考慮到抗噪的要求，需要采用平均值濾波法，系統除了每秒數千次的加減運算外，還有近千次的乘除運算，這對系統而言資源開銷太大。考慮到運算速度等因素，以往通常采用 PC-BASED的構架方式，但隨著MCU的性能越來越強大，已具有能夠完成這些運算的能力，加上其在工業應用上更具良好的實時性和穩定性，嵌入式系統有逐步取代PC-BASED構架方式的趨勢[2]。本文以復合光路膜厚監控儀為例，探討嵌入式大量數據采集與處理技術。

2 系統組成

光學鍍膜制備中控制膜層厚度的主要方法有目視法、石英晶體振蕩法、單波長極值法、寬光譜掃描法。幾種方法各有利弊，在不同的場合下各有所長。隨著對光學薄膜復雜性和精度要求的不斷提高，單一的控制方法已經無法滿足需要。目前國產鍍膜設備普遍用單波長極值法監控膜層厚度，光學鍍膜工藝操作仍然依靠經驗，難以滿足監控鍍制高性能復雜膜系光學薄膜的要求。開發嵌入式復合光路膜厚監控儀，實現基于寬光譜掃描法的實時寬光譜膜厚監控系統和基于單波長極值法的光學膜厚監控系統的兼容使用，采用寬光譜掃描、評價函數、單波長極值等多種方法綜合監控光學膜厚，實時監控鍍膜過程，有利于提高鍍膜質量，提高膜厚監控的準確性。

圖1是復合光路膜厚監控儀系統結構示意圖，其中MKG-5光學膜厚控制儀進行單波長極值法膜厚監控，USB2000光纖光譜儀進行光譜采集。由于光譜采集處理周期約為 83ms，系統擔負的任務繁重，可能會影響系統的實時性。因此，系統考慮雙嵌入式系統的構架，從芯片專門負責光譜采集和處理的事宜；主芯片主要負責對單波長極值法膜厚監控采集的數據（采集處理周期為0.5s）和從芯片處理后的數據進行評價判斷、顯示和控制。

圖1 復合光路膜厚監控儀系統結構圖

這種構架優點在于：① 系統判別與控制的實時性和可靠性能夠得到保障；② 結構清晰，程序簡單；③ 系統源豐富，便于擴展功能。

3 信號采集與處理

實現膜厚監控的自動化，首先應將被測信號或反映被測信號的信息量輸入計算機，由計算機對采集的信號實施相應的處理，并根據條件做出適當的反饋。

3.1 平均值濾波[3]

寬光譜掃描法就是通過將各層的實測光譜曲線與各層的理論光譜曲線進行對比分析，通過調整鍍膜過程讓實測光譜曲線逐步逼近理論光譜曲線。寬光譜掃描波長范圍為400nm～800nm，波長分辨率為1nm，這就意味著在83ms內要求400次計算。而鍍膜過程中，信號變化比較緩慢，采樣頻率相對而言比較高，這樣信號在某個時間段內的變化值可以看作是一個靜態的過程，考慮到測量周期是1秒2次，也就是說理想狀態下有6組數據做平均值，對于第t個波長分辨率而言，有：

其中tV是指1個測量周期內第t個波長分辨率的采樣平均值，]800,400[∈t。

3.2 區域平均值比較法

通過平均值濾波可以有效地抑制噪聲干擾和隨機誤差，但同時由于增加了除法，運算量將更大。為了減少運算量，尤其是除法帶來的運算量，可以適當地將分辨率調整到5nm的離散間隔，這樣除法量將從400次降至80次。

① 重構實測光譜曲線

首先對6組測量的數據累加，得到：

將相鄰的5個測量點的累加值相加后進行平均值計算，得到：

其中]79,0[∈i，i t 5400+= 。

② 重構理論光譜曲線，取相鄰的5個測量點的平均值

③ 通過比較分析重構后的理論光譜曲線與實測光譜曲線各點的值來實現寬光譜膜厚的監控，重構后的理論光譜曲線計算好后存儲在從芯片中，可通過查表法查詢比較。

4 應用實例

在國產 LDSX-800低壓反應離子鍍膜機上做測試，表1是取波長范圍為400nm到439nm的40個點的平均值。表2是分辨率為5nm的實測數據與重構實測數據的對比。從數據可以看出：重構后的實測光譜曲線較5nm的實測數據更能反映1nm的曲線的變化。證明了重構后的實測光譜曲線不是簡單的降低了分辨精度，實質上是將每5nm區域內的數據變化趨勢集中反應出來，這樣既保證了細節的真實性，同時也減少了運算量，為嵌入式系統處理大數據提供了有效的解決方案。

表1 一組分辨率為1nm的平均值濾波后的原始數據

表2 分辨率為5nm的實測數據與區域平均值的對比

5 結論

嵌入式系統在處理大容量數據時，應根據具體需求采取相應對策。本文以復合光路膜厚監控儀為例，從系統組成、數據處理等方面進行研究，取得了較好的效果，并在電場致聚合物的響應特性測試、石材切割裝備的自動控制中得到了應用。

① 針對寬光譜掃描法系統資源開銷大的問題，采用雙嵌入式系統結構，從芯片主要負責寬光譜的數據采集、濾波處理與評估判斷，確保了主芯片有足夠的資源保證系統穩定可靠地運行；

② 采用平均值濾波法有效地抑制了數據傳輸中的噪聲干擾和隨機誤差，提高了系統控制的精度；

③ 采用區域平均值比較法，通過重構理論光譜曲線與實測光譜曲線，大幅減少了運算量。由于不是簡單的降低了分辨精度，而是將每段區域內的數據變化趨勢集中反應出來，使其更加真實地體現出變化趨勢，有利于系統精準控制。

[1] 任豪,王巧彬,羅宇強,李康業.復合光路光學鍍膜寬光譜膜厚監控系統[J].激光與光電子學進展,2010(053101):1-5.

[2] 喻焰,鮑娟,李海光.嵌入式大容量數據采集系統設計[J].微計算機信息,2007(23):26-28.

[3] 劉雄英,黃光周,于繼榮.實時光學薄膜膜厚監控系統研究[J].真空科學與技術學報,2005(25).306-308.