基于拉曼光譜技術(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

許志濤 李悅 任延宇 許志欽

【摘要】? ? 搭建了一套基于拉曼光譜技術(shù)的白酒在線實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)，主要包括中控系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等5個(gè)模塊。

【關(guān)鍵詞】? ? 拉曼光譜技術(shù)? ? 檢測(cè)系統(tǒng)? ? 平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言：

中國(guó)白酒一般由小麥、高粱、大米或代用原料等經(jīng)蒸煮、發(fā)酵、蒸餾、貯存、窖藏、勾兌而成，釀造過程主要包括開始、中間和后期三個(gè)階段。一般采用“掐頭去尾”的方式摘取中間階段的蒸餾酒，去掉開始階段的頭酒和后期階段的尾酒，目前摘酒工作主要依靠工藝師的人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷來完成。

釀酒工藝師摘酒經(jīng)驗(yàn)來源依據(jù)主要為看酒花、聞酒味和品酒味，即靠工藝師的主觀對(duì)酒進(jìn)行檢測(cè)。白酒成分較為復(fù)雜，除乙醇和水等主要成分外，還包括乙酸乙酯、乙酸異戊酯、丁酸乙酯、庚酸乙酯、辛酸乙酯以及異丁醇、異戊醇等微量香味物質(zhì)。這些微量物質(zhì)的香味決定了酒的風(fēng)味特點(diǎn)。所謂的白酒酒香都是復(fù)合香。有些成份雖香味不大，但有溶解其它香氣成份的定香作用。

拉曼是一種光散射技術(shù)，激光光源的高強(qiáng)度入射光被分子散射時(shí)，有極小一部分散射光的波長(zhǎng)與入射光不同，其波長(zhǎng)的改變由測(cè)試樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射，波長(zhǎng)的變化稱為拉曼位移。化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，拉曼位移不同，物質(zhì)含量不同，對(duì)應(yīng)拉曼位移處的散射光強(qiáng)度不同，即拉曼光譜圖隨樣品中物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)及其含量的變化而變化。

白酒的拉曼光譜圖隨白酒酒精度及其微量物質(zhì)的變化而變化。白酒蒸餾過程中，隨著時(shí)間的推移，蒸餾出的液體酒精度和微量物質(zhì)的含量均會(huì)發(fā)生變化，其對(duì)應(yīng)的拉曼光譜圖也會(huì)產(chǎn)生變化。另外，拉曼光譜檢測(cè)對(duì)檢測(cè)物質(zhì)無破壞。鑒于此，白酒在線檢測(cè)可采用拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)，本文主要研究基于拉曼光譜技術(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

一、檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)

對(duì)于白酒在線檢測(cè)系統(tǒng)而言，其輸入為釀造生產(chǎn)線上的白酒，輸出為采樣樣品的檢測(cè)及判別結(jié)果。即，檢測(cè)系統(tǒng)目的是對(duì)釀造生產(chǎn)線上的白酒進(jìn)行采樣，依據(jù)拉曼散射原理對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判讀，識(shí)別出樣品所處釀造出酒階段，然后把該判別結(jié)果上傳給釀造生產(chǎn)線，由生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)去對(duì)此時(shí)釀造生產(chǎn)線上的白酒進(jìn)行相應(yīng)階段的采摘處理。

硬件平臺(tái)是檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，其整體架構(gòu)主要包括中控系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等，如圖2所示。

其工作原理為：中控系統(tǒng)發(fā)送指令給光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)白酒進(jìn)行采樣和檢測(cè)，完成后，采集系統(tǒng)發(fā)送完成信號(hào)給中控系統(tǒng)，同時(shí)將所采集的數(shù)據(jù)傳送給光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng);中控系統(tǒng)發(fā)送指令給光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)束后發(fā)送完成信號(hào)給中控系統(tǒng)，同時(shí)將所處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)和顯示系統(tǒng);中控系統(tǒng)發(fā)送指令給判讀系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和判讀，結(jié)束后，判讀系統(tǒng)發(fā)送完成信號(hào)給中控系統(tǒng)和顯示系統(tǒng);中控系統(tǒng)發(fā)送完成信號(hào)和判讀結(jié)果給生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

1.1 光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

光譜數(shù)據(jù)的處理主要包括擬合、扣基線等，形成最終的光譜數(shù)據(jù)。

光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選用FPGA + DSP的架構(gòu)。中控系統(tǒng)首先發(fā)送數(shù)據(jù)接收控制指令給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收拉曼光譜儀所采集到的光譜數(shù)據(jù);接收完畢后，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合、扣基線等處理;處理完數(shù)據(jù)后，處理系統(tǒng)發(fā)送完畢信號(hào)給中控系統(tǒng)，并將處理好的光譜數(shù)據(jù)發(fā)送給光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。

為了減小誤差，需要對(duì)同一樣品進(jìn)行多次測(cè)試，然后采用數(shù)學(xué)方法對(duì)多次采樣所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)

光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)主要采用檢測(cè)算法對(duì)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷出所測(cè)樣品所處的蒸餾階段。

光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)選用FPGA + DSP的架構(gòu)，并將識(shí)酒算法移植入硬件平臺(tái)。中控系統(tǒng)首先發(fā)送數(shù)據(jù)接收控制指令給光譜數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)接收處理后的光譜數(shù)據(jù);接收完畢后，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀;結(jié)束后，判讀系統(tǒng)發(fā)送完畢信號(hào)和判讀結(jié)果給中控系統(tǒng)，同時(shí)將判讀結(jié)果發(fā)送給顯示系統(tǒng)。

1.3 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)顯示的內(nèi)容包括拉曼光譜儀檢測(cè)獲取的原始光譜數(shù)據(jù)、處理后的光譜數(shù)據(jù)以及判讀結(jié)果等，同時(shí)還控制拉曼光譜儀的參數(shù)設(shè)置。

顯示系統(tǒng)載體采用PC機(jī)，操作系統(tǒng)采用windows，顯示軟件在原拉曼光譜儀廠家所提供軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。

1.4中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)芯片主要采用FPGA，對(duì)光譜數(shù)據(jù)采集、光譜數(shù)據(jù)處理、光譜數(shù)據(jù)判讀等外圍系統(tǒng)進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。外圍系統(tǒng)的控制部分可與中控系統(tǒng)共用同一個(gè)FPGA。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 相里加雄， 翟旭龍， 趙向東等. 淺議白酒蒸餾技術(shù)與白酒品質(zhì)的關(guān)系[J]， 釀酒， 2017，（2）

[2] 黃亞東. 對(duì)濃香型大曲白酒蒸餾智能化技術(shù)的分析[J]， 山東工業(yè)技術(shù)， 2018，（16）

[3] 楊旭寧. 基于拉曼光譜技術(shù)的白酒酒精度檢測(cè)平臺(tái)的研究[D]. 寧夏大學(xué)， 2019