便攜式拉曼光譜儀嵌入式應用程序的設計

高利業(yè)，杜艷麗，查紅艷，嚴惠民

（1.鄭州大學 物理工程學院，河南 鄭州450001；2.浙江大學 現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州310027）

0 引 言

具有 “分子的指紋”之稱的拉曼光譜，能夠直觀地顯示出分子的結構信息，由于其信息豐富、拉曼位移與入射光頻率無關、分析效率高和樣品無需制備等眾多優(yōu)點，已成為很多領域最重要的光譜分析技術之一[1]。隨著現場檢測的需求，很多國家和機構都致力于便攜式拉曼光譜儀技術和儀器的開發(fā)。目前，國內大多光學和儀器分析公司只是生產和銷售分立的光譜儀組件或分光系統，有些則是國外品牌的代理。美國的 Nicolet、Ocean Optics、英國的Renishaw等幾大國外著名品牌，憑借其先進的技術在中國甚至全球市場中處于壟斷地位[2]。為配合最新的SHINERS技術，設計了一款率先采用 WinCE 6.0嵌入式操作系統的便攜式拉曼光譜儀嵌入式應用程序，對于實現便攜式拉曼光譜儀的國產化，生產出低成本，可靠性和靈敏度高的便攜式拉曼光譜儀具有重要的意義。

1 SHINERS技術與應用

SHINERS技術，即殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜技術[3，4]，是由廈門大學大化學化工學院與美國佐治亞理工學院合作發(fā)明的一種新的基于表面增強拉曼光譜 （SERS）技術。這種技術是把金納米粒子用約為2～4nm厚的化學惰性材料的超薄殼層所隔絕，然后鋪撒到金屬或其它半導體甚至橘子皮等材料上，即可使它們的表面拉曼光譜得到增強。使用該技術，通過結合便攜式拉曼光譜儀，可使表面拉曼光譜發(fā)展成為更加實用和通用的方法，在化學研究[5，6]、材料科學、生命科學[7，8]、食品安全、寶石礦石的鑒定等[9]眾多領域發(fā)揮更重要作用。

2 便攜式拉曼光譜儀系統

2.1 系統的總體結構

便攜式拉曼光譜儀主要由激光器、樣品池、光學探頭與光纖、光柵分光系統、光電探測器 （CCD）、嵌入式控制系統及其應用程序組成，便攜式拉曼光譜儀系統結構如圖1所示，其便攜性主要通過激光器、光學探頭、光柵分光系統和光電探測器等幾個模塊的小型化來體現。設計中，激光器選用的是輸出功率可變，λ＝785nm±0.5nm，光譜半寬度為0.2nm的窄帶穩(wěn)頻半導體激光器作為本便攜式拉曼光譜儀系統的激發(fā)光源。光電探測器則采用的是檢測波長范圍為795～1045nm （160～3100cm－1）分辨率要求可達到3.5cm－1（狹縫20um）、5cm－1（狹縫60um）、10cm－1（狹縫180um）的線陣CCD。

2.2 WinCE6.0嵌入式系統及開發(fā)平臺

WinCE6.0嵌入式系統是一種實時性、模塊化、多線程的嵌入式操作系統，最多可支持32000個用戶進程[10]。同時相對于VxWorks、Linux和Android系統開發(fā)難度大和軟件調試不便的缺點而言，WinCE6.0嵌入式系統類似桌面應用程序在開發(fā)簡便性方面具有較大優(yōu)勢；此外，WinCE6.0嵌入式系統還具有高可靠性和穩(wěn)定性、良好的硬件兼容性、無處不在的通信、數據庫支持、高級電源管理以及較高的安全性等特點，在未來高性能的便攜式設備領域，WinCE6.0嵌入式系統的應用空間將十分巨大[11]。

圖1 便攜式拉曼光譜儀系統結構

設計中，嵌入式控制系統的處理器與硬件平臺采用的是飛凌公司開發(fā)的OK6410型開發(fā)板。開發(fā)板采用的微處理器是由三星公司推出的S3C6410芯片，它基于ARM11系列的ARM1176JZF－S內核，是一款高性能、低功耗的RSIC處理器；它包含大量的內部資源，具有很強大的視頻、音頻及圖像處理能力，穩(wěn)定工作時主頻可以達到667MHz以上，在移動便攜設備及其它通用的處理方面有著廣泛的應用。此外，該開發(fā)板上還集成有USB設備[12]接口、攝像頭接口、液晶屏接口、SD卡槽、以太網接口等多種高端接口，通過參考這些接口的應用，在便攜式拉曼光譜儀設計時可以作為參考[13]，這將在一定程度上縮短開發(fā)周期。根據該處理器的性能指標可知，采用它能很好地對拉曼光譜數據進行采集并處理，然后再繪制出相應圖形。嵌入式控制系統的結構框圖如2圖所示。

圖2 嵌入式控制系統結構

3 應用程序的設計

基于WinCE6.0嵌入式系統的應用程序開發(fā)可以有Win 32APIs、MFC、ATL以及.NET Compact Framework（.NET Framework精簡版）等選擇[14]。本文介紹的應用程序設計是基于.NET Compact Framework 2.0使用VS2005集成開發(fā)環(huán)境內和C＃語言開發(fā)的。它需要在安裝有VS2005的基礎上，再安裝相關硬件和系統對應的SDK后進行。

3.1 應用程序的整體設計

應用程序設計的整體思路如下:

第1步，啟動應用程序，檢測嵌入式平臺是否已與光譜儀正常連接，并通過特定函數返回值來獲取連接信息。

第2步，光譜儀正常連接后，根據待檢測樣品的特性及所處的環(huán)境條件，應用程序對光譜儀的各參數進行初始化，采集拉曼光譜；若參數不滿足要求需重新設定后再開始采集。

第3步，開始采集后，應用程序首先對從CCD中讀出的光譜數據進行相關算法處理并分別存入拉曼光譜的強度和波長數組，繪制出相應的拉曼光譜圖。

第4步，觀察拉曼光譜圖形，如果光強及波峰位置等特征值便于觀測就可根據需要對光譜數據和圖形進行保存；否則就需要對其進行縮放或拖動，然后再觀察是否獲得理想拉曼光譜圖形，滿意則進行圖形和數據保存；否則就需重新設定的光譜儀相關參數再進行采集，重復上述第二步與第三步過程，直到出現理想圖形。

第5步，根據用戶的需求，可選擇保存數據為.txt格式或.xls格式的文件，同時還可以保存拉曼光譜圖形，然后退出應用程序。若不需要保存數據和圖形，則可直接退出應用程序。

程序設計流程圖如圖3所示。

3.2 應用程序的具體設計

3.2.1 光譜儀未正常連接時的警告

應用程序啟動時，給numberOfSpectrometersFound賦初值－1，然后點擊開始按鈕之后，如果光譜儀未正常連接wrapper.openAllSpectrometers（）就返回0，if語句將被執(zhí)行發(fā)出警告；反之，wrapper.openAllSpectrometers（）返回1，不執(zhí)行if語句。主要代碼如下:

圖3 程序設計流程

光譜儀未正常連接時警告如圖4所示。

圖4 光譜儀未正常連接時的警告

3.2.2 光譜儀參數的設定

如圖5所示是光譜儀的積分時間、平均次數、平滑度和觸發(fā)模式等幾個主要參數的設置。

圖5 光譜儀積分時間等參數的設置

（1）積分時間的設置:積分時間是由下拉列表框cbox－InteTime和cboxInteTimeUnit的TextChanged事件組合來確定的，由于該光譜儀積分時間以微秒為單位，當用戶界面上設定的積分時間單位不是微秒時，需進行相關算法處理成以微秒為單位的積分時間后再傳給光譜儀。

（2）平均次數的設定:通過下拉列表框cboxAvgTimes的TextChanged事件來設定，主要代碼如下:

（3）平滑度的設定:通過下拉列表框cboxBoxcarWidth的TextChanged事件來設定，主要代碼如下:

（4）觸發(fā)模式的設定:由于常用觸發(fā)模式只有普通模式、軟件觸發(fā)模式、同步觸發(fā)模式、硬件觸發(fā)模式四種，在設置下拉列表框cboxTriggerMode屬性時，直接對其I－tems進行了賦值。觸發(fā)模式由cboxTriggerMode的SelectedIndexChanged事件來設定，主要代碼如下:

3.2.3 雙緩沖的應用

繪制拉曼光譜圖形時，為了避免界面的閃爍，使用了雙緩沖技術。雙緩沖技術基本原理:先在內存中開辟一塊“虛擬畫布”，然后把所有需要繪制的圖形繪制在這塊 “虛擬畫布”上，最后再將整塊 “畫布”一次性畫到真正的窗體上。因為所有的單個圖形的繪制并不調用顯示系統，極大地提高了繪圖效率避免了閃爍[15]。

Bitmap bmp＝new Bitmap （picShow.Width，picShow.Height）；／＊內存中建立一塊虛擬 “畫布”＊／

Graphics g＝Graphics.FromImage（bmp）；／＊ 獲取這塊內存畫布的Graphics引用＊／

………… ／＊在這塊內存畫布上繪圖＊／

picShow.CreateGraphics（） .DrawImage （bmp，0，0）；／＊將內存畫布內容畫到圖片框picShow上＊／

3.2.4 多線程的使用

（5）DI數據倉庫。主要構建面向主題級別的數據倉庫，將業(yè)務數據打散為元數據，去除數據的冗余，使數據更規(guī)整，方便進行多維度的透視，生成相應的數據集市。

當光譜儀的觸發(fā)模式設置為普通模式時，它將不斷地采集光譜，此時若進行數據采集以外的其他操作，就需創(chuàng)建新線程。該應用程序設計時采用Thread類創(chuàng)建和控制線程[16，17]，繪制拉曼光譜圖形的線程的創(chuàng)建與注銷實現代碼如下所示:

using System.Threading；／＊對Thread類添加引用＊／

Thread threadSpectrum；／＊定義繪制光譜的線程＊／

threadSpectrum＝new Thread（new ThreadStart （SpctrumPaint））；／＊創(chuàng)建線程，運行在該線程的方法名是SpctrumPaint＊／

threadSpectrum.Start（）；／／啟動線程

｛threadSpectrum.Abort（）；／＊撤消threadSpectrum＊／

｝

4 實驗結果

實驗采用的樣品是120℃恒溫環(huán)境下，在反應釜中燒結24小時且PH＝1的Y2Mo3O12，檢測得到其拉曼光譜圖如圖6所示，通過與共沉淀法制備，且在800℃燒結4小時的Y2Mo3O12的標準拉曼光譜圖 （如圖7所示）進行比較，發(fā)現Y2Mo3O12在拉曼位移大概為320、830、930處具有較強的拉曼光強，與標準特征值相符，證實了該嵌入式應用程序能滿足精確的設計需求，達到預期的實驗效果。

圖6 樣品Y2Mo3O12的拉曼光譜檢測

圖7 Y2Mo3O12的標準拉曼光譜

5 結束語

通過使用C＃語言調用.Net Compact Framework 2.0提供的類庫以及使用雙緩沖技術、多線程，設計出了執(zhí)行效率高、用戶界面好、可對數據與圖形保存并且可以移植到其它支持.NET Compact Framework 2.0平臺的拉曼光譜儀系統的嵌入式應用程序。該應用程序在實際的檢測中，能獲取精確的拉曼光譜數據及圖形，滿足設計要求。

隨著便攜式拉曼光譜儀應用領域的逐漸擴大，對其能進行快速高效的計算分析的有了更高的要求，但計算過程又比較復雜，為了避免這樣的重復性的復雜計算，就需要用到拉曼光譜數據庫[18]。如何建立拉曼光譜數據庫以及如何將檢測樣品值與數據庫內標準樣品值進行匹配將是今后便攜式拉曼光譜儀研究的一個熱點。這款應用程序率先設計出基于WinCE 6.0嵌入式系統的便攜式拉曼光譜儀的嵌入式應用程序，與國內外現有的便攜式拉曼光譜儀的操作系統以及處理器硬件相比，具有更好的穩(wěn)定性及可靠性，同時由于WinCE 6.0嵌入式系統還提供對嵌入式數據庫的支持，也使得該款應用程序在今后嵌入式拉曼光譜數據庫研究領域處于領先地位。

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