基于CPLD 與STM32 結(jié)合的一種地物光譜儀設(shè)計(jì)

郝冬輝 湯英文 羅彩任

（閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

1 概述

隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，不同的光譜儀應(yīng)用在不同的場(chǎng)景當(dāng)中。地物光譜儀通過(guò)光譜儀對(duì)光信息的抓取、數(shù)值儀器顯示和分析，在野外探測(cè)、農(nóng)業(yè)方面有廣泛的應(yīng)用[1]。然而目前的地物光譜儀的光譜數(shù)據(jù)采集模塊大多以單一的單片機(jī)作為控制器，存在以下不足：

1.1 單片機(jī)為控制器的地物光譜儀常常以數(shù)碼管和液晶為顯示器，此類顯示器雖然能顯示數(shù)字和字母，但點(diǎn)陣數(shù)量較少，處理速度也較慢。

1.2 常見(jiàn)的單片機(jī)由于其內(nèi)核處理器速度的限制，無(wú)法驅(qū)動(dòng)圖像傳感器進(jìn)行高速穩(wěn)定的工作，限制了對(duì)于復(fù)雜功能軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

對(duì)此，我們采用了CPLD 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)圖像傳感器工作。CPLD 為復(fù)雜可編程邏輯器件,是從PAL 和GAL 器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍[2]。一般由邏輯塊、可編程互連通道和I/O 塊三部分構(gòu)成采用CMOS、EPROM、EEPROM、快閃存儲(chǔ)器和SRAM 等編程技術(shù)，從而構(gòu)成了高密度、高速度和低功耗的可編程邏輯器件，無(wú)需外部存儲(chǔ)器芯片，使用簡(jiǎn)單。故CPLD 具備很好的并行處理和自定義模塊能力，適合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 地物光譜儀工作原理

由光學(xué)理論可知，一束光線照射到物體上會(huì)發(fā)生反射，而地物光譜儀的工作原理就是采集物體反射的光線，反射光線經(jīng)過(guò)儀器入射狹縫后經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)將光線變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)過(guò)光柵處理以及聚焦系統(tǒng)后傳入CMOS 圖像傳感器。通過(guò)CPLD 驅(qū)動(dòng)圖像傳感器進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析以及通過(guò)相應(yīng)的算法處理得出光譜曲線，從而測(cè)出待測(cè)物的反射率以分析以方便后續(xù)的分析與評(píng)價(jià)[3]。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

地物光譜儀硬件系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)采集模塊、通訊接口模塊以及微處理模塊組成。其基本工作流程如圖1 所示。

圖1 地物光譜儀硬件系統(tǒng)組成圖

微處理器模塊：光譜儀的性能在于其光譜數(shù)據(jù)采集模塊，而微處理器只需要滿足基本需求即可，故微處理器選擇STM32F4 系列單片機(jī)作為主控制器，采用的是ST 公司的STM32F4 系列的芯片作為處理器，同時(shí)搭載ALTERA 公司的EPM570T100C5N 型號(hào)的CPLD 芯片[4]。STM32F4 系列芯片其工作頻率可以達(dá)到168MHz, 自帶了各種常用的通信外設(shè)，如USART、I2C、SPI 等，外設(shè)接口豐富；同時(shí)M4 內(nèi)核還具有豐富的總線矩陣和多通道的DMA，傳輸數(shù)據(jù)速率很快；同時(shí)提供3 個(gè)12 位的ADC，兩個(gè)DAC，1 個(gè)低功耗的RTC，12個(gè)通用16 位定時(shí)器，其中包括兩個(gè)用于電機(jī)控制的PWM定時(shí)器，兩個(gè)通用32 位定時(shí)器。

雖然STM32F4 系列的內(nèi)部時(shí)鐘最高可以實(shí)現(xiàn)168MHz，但是單獨(dú)使用32 位單片機(jī)控制圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集還是會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定的現(xiàn)象。對(duì)此我們使用CPLD 來(lái)控制圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。故此選擇ALTERA 公司的EPM570 系列型號(hào)芯片，內(nèi)部由570 個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于440個(gè)宏單元，邏輯是實(shí)現(xiàn)能力強(qiáng)大。該芯片最大工作頻率可以達(dá)到304MHz，內(nèi)置非易失性Flash 存儲(chǔ)器，通過(guò)取代分立式非易失存儲(chǔ)器件減少元件數(shù)；具備實(shí)時(shí)在系統(tǒng)可編程能力（ISP）。器件在工作狀態(tài)時(shí)能夠下載第二個(gè)設(shè)計(jì)，降低遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的成本[5]。

數(shù)據(jù)采集模塊：通常使用光電傳感器進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的采集，光電傳感器分為CCD 和CMOS。CCD 傳感器是由一行行緊密排列在硅襯底上的MOS 電容器陣列構(gòu)成的。光照射每個(gè)像素由于光電效應(yīng)，CCD 的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生空穴電子對(duì)并累積，由于CCD 只有一個(gè)讀出端口，因此需要串行的方式將每個(gè)像素的電荷在像素之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移到輸出端口。最終將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)行放大和AD 轉(zhuǎn)換得到圖像。CMOS 的光電信息轉(zhuǎn)換功能與CCD 的基本相似，區(qū)別就在于這兩種傳感器的光電轉(zhuǎn)換后信息傳送的方式不同。CMOS 具有讀取信息的方式簡(jiǎn)單、輸出信息速率快、耗電省、體積小、重量輕、集成度高、價(jià)格低等特點(diǎn)。CCD 顯著的特點(diǎn)是技術(shù)較為成熟，由于像素點(diǎn)眾多，故成像質(zhì)量高，具備較高的靈敏度和低噪聲，響應(yīng)速度較快，有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像。考慮光譜數(shù)據(jù)成像質(zhì)量因素，使用CCD 圖像傳感器進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：為了方便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信開(kāi)放的全球規(guī)范，它是基于低成本的近距離無(wú)線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無(wú)線技術(shù)連接。藍(lán)牙屬于無(wú)線通信模塊，開(kāi)發(fā)成本較低，但是傳輸距離較短，故功耗較低，因此體積較小，可以方便地嵌套與整合到產(chǎn)品中，目前這種技術(shù)應(yīng)用非常廣泛[6-8]。因此選用ESP32 芯片進(jìn)行藍(lán)牙傳輸，ESP32 是集成2.4 GHz Wi-Fi 和藍(lán)牙雙模的單芯片方案，采用臺(tái)積電超低功耗的40 nm 工藝，具有超高的射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，以及超低的功耗，適用于各種應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

光譜儀軟件部分由兩部分組成，一部分為光譜儀采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，另一部分為光譜傳輸處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)需求將光譜儀的系統(tǒng)界面分為幾個(gè)模塊：（1）儀器參數(shù)設(shè)置部分，包括光譜儀的校準(zhǔn)、設(shè)置、樣品信息等。（2）測(cè)量主界面部分，吸光度、透過(guò)率以及記錄儲(chǔ)存。（3）曲線繪制部分，即光譜圖的繪制。（4）數(shù)據(jù)管理部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理和存儲(chǔ)以及打印輸出等，具體框圖如圖2 所示。

圖2 軟件模塊結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)上電后對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行初始化。包括5 個(gè)IO 口、電量監(jiān)控、光譜儀狀態(tài)、藍(lán)牙等模塊以及串口和定時(shí)器的初始化。隨后是判斷藍(lán)牙的連接狀態(tài)，初始化成功后藍(lán)牙等待連接，若連接成功則給光譜儀進(jìn)行上電操作并將藍(lán)牙設(shè)定為SPP（透?jìng)髂Ｊ剑Ｈ暨B接失敗，則重新初始化設(shè)備。移動(dòng)端還會(huì)在7 秒內(nèi)給STM32 單片機(jī)發(fā)送一組數(shù)據(jù)，用于判斷連接是否保持。若超過(guò)7 秒未接收到數(shù)據(jù)，則重新初始系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)備重新連接。若一直保持連接狀態(tài)，則等待移動(dòng)端發(fā)出的采集指令，收到指令后控制光譜儀采集數(shù)據(jù)[9]。設(shè)定等待數(shù)據(jù)采集的延時(shí)為250ms，隨后將這段時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)端顯示。

2.3.1 光譜采集系統(tǒng)軟件

光譜采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的方法，按照實(shí)現(xiàn)的功能不同，采集系統(tǒng)軟件部分可以劃分為CCD 驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊，其中CCD 驅(qū)動(dòng)模塊程序包括采集程序，A/D轉(zhuǎn)換程序，數(shù)據(jù)傳輸程序主要為藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)程序。

其中CCD 驅(qū)動(dòng)模塊由CPLD 驅(qū)動(dòng)CCD 進(jìn)行光信號(hào)的采集，并將光信號(hào)進(jìn)行一系列處理后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，即光譜數(shù)據(jù)，藍(lán)牙傳輸模塊負(fù)責(zé)與移動(dòng)端進(jìn)行通信：通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議，將采集到的光譜數(shù)據(jù)傳給移動(dòng)端，同時(shí)也可以接收移動(dòng)端發(fā)送的指令[10-11]。

2.3.2 光譜處理傳輸系統(tǒng)軟件

移動(dòng)端的光譜處理部分是將采集系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙傳輸上來(lái)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理，形成所測(cè)物質(zhì)的光譜圖，再和光譜圖庫(kù)中的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，找出與之相對(duì)應(yīng)的譜圖，形成反射率與波長(zhǎng)的圖像關(guān)系。

以保證設(shè)備工作的穩(wěn)定性。還有就是ESP32 也集成了WIFI 模塊，WIFI 也是一種很好的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方式，也可以用于便攜式光譜儀設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_(kāi)發(fā)。

3 測(cè)試與總結(jié)

LED 暖白光的參考光譜如圖3 所示。

圖3 LED 燈的參考光譜圖

在400-700nm 波段具有兩個(gè)特征峰。通過(guò)使用了本文中設(shè)計(jì)的光譜數(shù)據(jù)移動(dòng)傳輸系統(tǒng)來(lái)采集室內(nèi)的暖白LED 燈的譜圖，所得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 LED 燈測(cè)試圖庫(kù)

對(duì)比兩圖的光譜特征，可以得出設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是正確的數(shù)據(jù)，該設(shè)計(jì)的功能基本得到了實(shí)現(xiàn)。

目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)采用提高城市反射率來(lái)達(dá)到節(jié)能、降低城市熱島效應(yīng)。而作為至少占據(jù)城市20%-40%的城市道路，其反射率的高低直接與城市熱島效應(yīng)相關(guān)聯(lián)。因此提高城市道路反射率以及確保城市道路反射率符合標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要。為了更好驗(yàn)證設(shè)計(jì)儀器的可靠性，通過(guò)配合標(biāo)準(zhǔn)白板，在戶外進(jìn)行了柏油路道路路面的反射率測(cè)試，結(jié)果如圖5 和6 所示，為監(jiān)測(cè)城市道路地面反射率提供一個(gè)可行的方法。

圖5 柏油路路面圖

圖6 柏油路的地物光譜圖

通過(guò)形成的譜圖可以看出該設(shè)計(jì)儀器的正確性。除了本次研究中的城市道路反射率之外，還有建筑物墻體、反射涂料以及建筑物屋面等反射率，這些都共同影響著城市熱島效應(yīng)。而地物光譜儀能夠便捷快速且準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的反射率，這為測(cè)量城市人造表面反射率提供了精準(zhǔn)快捷的辦法，也為城市監(jiān)管城市表面反射率并調(diào)整以改善城市熱島效應(yīng)提供了可循途徑。