基于數(shù)字微鏡器件的近紅外水分儀設(shè)計(jì)

黃新棟，左石凱

(1.廈門(mén)理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361024；2.福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361024；3.廈門(mén)市LED照明應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門(mén) 361024)

紅外水分儀是一種非接觸式物質(zhì)水分測(cè)量?jī)x器，其利用水分子對(duì)特定波長(zhǎng)的近紅外光具有強(qiáng)吸收的特征，通過(guò)計(jì)算待測(cè)物中不同物質(zhì)成分對(duì)紅外線(xiàn)的吸收能力，得出待測(cè)物的水分含量[1-3]。近紅外光譜儀需要采集多個(gè)光學(xué)譜段，通常的做法是采用分光計(jì)進(jìn)行分光，然后進(jìn)行采集。目前的采集方法主要有兩種，一種是采用陣列探測(cè)器同時(shí)采集多個(gè)譜段信號(hào)，這種方法探測(cè)器成本高；另一種是采用電機(jī)帶動(dòng)濾光輪的方式來(lái)采集光譜數(shù)據(jù)，其存在的主要問(wèn)題在于：(1)電機(jī)運(yùn)行會(huì)在系統(tǒng)中引入干擾；(2)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在6 000 r/min左右，難以再提高速度；(3)光譜的選擇靈活性不高，一旦選定濾光片，其數(shù)量和波段難以改變[4-6]。

本設(shè)計(jì)采用數(shù)字微鏡器件來(lái)代替濾光輪，通過(guò)微鏡的翻轉(zhuǎn)來(lái)選擇近紅外光譜波段，可克服以上提到的幾個(gè)問(wèn)題，并在紅外水分儀中采用了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field-programmable gate array,FPGA)+數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing，DSP)的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了FPGA靈活性強(qiáng)和DSP芯片運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1　水分儀系統(tǒng)方案

在水分儀系統(tǒng)中，DMD起到光譜選擇的作用。待測(cè)物體的紅外光經(jīng)過(guò)分光棱鏡的分光后，各段光譜分布在DMD表面，數(shù)據(jù)采集板控制DMD表面微鏡的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光譜選擇，同步光譜分時(shí)進(jìn)入紅外傳感器，經(jīng)過(guò)前放板處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集板采集、處理，最后將計(jì)算結(jié)果送到控制箱進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2　波長(zhǎng)選擇

DMD是一種全新的數(shù)字化的空間光調(diào)制器，它在一塊芯片上應(yīng)用MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))工藝集成了上百萬(wàn)個(gè)鋁合金材質(zhì)的微小反射鏡，每個(gè)微鏡的大小是13.68 μm×13.68 μm，一個(gè)微鏡代表一個(gè)像素，如圖2所示。DMD具有超過(guò)90%的填充比例，通過(guò)控制微鏡進(jìn)行正負(fù)12°的翻轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)光的不同角度反射，從而實(shí)現(xiàn)光調(diào)制[7]。

水分儀系統(tǒng)是反射型水分測(cè)量，光源采用穩(wěn)定度高、能量較高、光譜范圍在360～2 500 nm波段的鹵鎢燈。光源驅(qū)動(dòng)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式，以消除燈絲電阻的溫度特性影響。鹵鎢燈照射在被測(cè)物體表面，反射紅外光經(jīng)過(guò)分光棱鏡后照射在DMD表面上，通過(guò)控制DMD表面不同位置的微鏡翻轉(zhuǎn)，選擇特定波長(zhǎng)的近紅外光反射到近紅外傳感器上。配合近紅外光譜的手機(jī)，系統(tǒng)采用光伏型InGaAs傳感器，其有效工作波長(zhǎng)范圍0.5～2.5 μm，比傳統(tǒng)的硫化鉛傳感器具有更高的量子效率和靈敏度[5]。

設(shè)計(jì)采用了4波段水分測(cè)量方式，如圖3所示。水分子在近紅外區(qū)域有4條吸收帶，分別為1.19、1.45、1.94、2.95 μm，由于探測(cè)器的探測(cè)峰值較接近1.94 μm，所以采用1.94 μm這個(gè)波段，為了消除被測(cè)物表面質(zhì)地、溫度、顏色以及光源波動(dòng)等的影響[8]，提高儀器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，又引入了1.94 μm兩側(cè)的3個(gè)波長(zhǎng)：1.81、1.89、2.21 μm作為比較參考波長(zhǎng)，并采用內(nèi)外兩光路，利用內(nèi)外光路的比值消除光強(qiáng)度變化帶來(lái)的不利影響[9-11]。

1.3　數(shù)據(jù)采集板的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集板采用了FPGA+DSP的架構(gòu)，這種架構(gòu)有很強(qiáng)的通用性，對(duì)于信號(hào)位數(shù)和信號(hào)格式等不受限制，適用于模塊化設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性。FPGA采用XILINX公司的XC6SLX45這款45 nm工藝芯片，其資源豐富，具有很高性?xún)r(jià)比。FPGA主要功能有AD數(shù)據(jù)采集、DMD控制及高速接口控制等，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了核心控制的作用。數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3.1AD數(shù)據(jù)采集

鹵鎢燈照射在被測(cè)物上，從被測(cè)物反射的近紅外光經(jīng)過(guò)DMD的反射后到達(dá)InGaAs傳感器。首先對(duì)傳感器出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括電流-電壓轉(zhuǎn)換和信號(hào)主放大。放大后的信號(hào)采用AD公司的AD9220進(jìn)行轉(zhuǎn)換。FPGA以10 MHz的時(shí)鐘頻率從AD9220讀數(shù)據(jù)。為了提高抗干擾性，F(xiàn)PGA對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的中值濾波，在FPGA內(nèi)部設(shè)3個(gè)16位寄存器，進(jìn)行1×3的流水線(xiàn)操作，僅僅對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了2個(gè)時(shí)鐘的延遲，實(shí)時(shí)性高。然后將濾波后的數(shù)據(jù)緩存在FIFO中，通過(guò)EMIF口傳輸給DSP，進(jìn)行下一步處理。

1.3.2DMD控制

方案采用型號(hào)S1076-7408的DMD，其微鏡陣列為1 024×768，有效鏡面大小為14 mm×10.5 mm。分光棱鏡將紅外光分光后，按列的方式分布在DMD表面。當(dāng)需要選擇特定波長(zhǎng)的近紅外光譜時(shí)，只需要控制DMD對(duì)應(yīng)位置的微鏡全部打開(kāi)(翻轉(zhuǎn)到+12°)，把其他的微鏡關(guān)閉(翻轉(zhuǎn)到-12°)，就可以把需要選擇的光譜反射到近紅外探測(cè)器上，如圖5所示。

可以看出，使用DMD后，可非常靈活的調(diào)整所選擇的光譜波長(zhǎng)，而不僅僅局限于幾個(gè)固定的波長(zhǎng)以及所選波長(zhǎng)的數(shù)量，這樣只需對(duì)后端算法進(jìn)行修改，即可應(yīng)用在不同成分的光譜分析中。

當(dāng)紅外光譜照射到DMD表面時(shí)，需要考慮紅外光譜在整個(gè)光路過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的損耗。從光譜入射到探測(cè)器接收的光路的損失如圖6所示。

DMD微鏡填充因子、開(kāi)關(guān)時(shí)間、反射效率和衍射造成的效率分別為0.92,0.92，0.88，0.86，對(duì)于不同的波長(zhǎng)所造成的效率有細(xì)微差別。封裝玻璃的透過(guò)率為0.97(需考慮入射和出射，因此投影光學(xué)效率=0.972)。那么整個(gè)系統(tǒng)總的光學(xué)效率為：0.92×0.92×0.88×0.86×0.972=0.603。

DMD驅(qū)動(dòng)部分如圖7所示。為了保證每個(gè)譜帶能量，這里選擇DMD每個(gè)譜帶的大小為16×768個(gè)微鏡，物理尺寸約2.19 mm×10.51 mm。當(dāng)?shù)鹊接|發(fā)信號(hào)時(shí)， DMD控制模塊啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)機(jī)，將“0”和“1”的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻MD內(nèi)部的SRAM中。接著觸發(fā)DAD1000控制模塊通過(guò)串行接口給DAD1000發(fā)送一組串行命令， DAD1000給出對(duì)應(yīng)的一組偏置電壓，使DMD根據(jù)其內(nèi)部SRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。偏置電壓有7.5V、26V和-26V。為了保證反射光的一致性，DMD采用全局復(fù)位的方式，即所有微鏡同一時(shí)間翻轉(zhuǎn)。

采用的S1076-7408型號(hào)DMD的最高翻轉(zhuǎn)頻率為8 000 Hz，按4波段采集加一個(gè)參考波段，采集一組數(shù)據(jù)的時(shí)間最快是500 μs。如果翻轉(zhuǎn)太快，微鏡駐留時(shí)間太短，采集一個(gè)光譜數(shù)據(jù)的時(shí)間太短，能量不足。綜合考慮能量和采集速度，設(shè)置翻轉(zhuǎn)頻率為500 Hz。

采用DMD進(jìn)行光譜選擇，配合單探測(cè)器的方案減少了使用電機(jī)帶動(dòng)濾光輪下的機(jī)械振動(dòng)，非常有利于系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定，并且提高了采樣速度。整體采集方案如圖8所示。

1.3.3DSP設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，DSP接收來(lái)自FPGA的數(shù)據(jù)，并連接控制箱，作為主控，其主要功能是進(jìn)行水分算法。DSP采用TI公司的浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C6713，其通過(guò)EDMA控制器接口與FPGA進(jìn)行快速數(shù)據(jù)交換。該DSP的使用在目前系統(tǒng)當(dāng)中留有較大余量，主要考慮后期系統(tǒng)升級(jí)以及在其他光譜分析中的應(yīng)用。當(dāng)FPGA中的數(shù)據(jù)充滿(mǎn)FIFO時(shí)，會(huì)發(fā)一個(gè)中斷給DSP，通知DSP啟動(dòng)EDMA傳輸，把數(shù)據(jù)放到DSP內(nèi)部RAM中，然后通過(guò)I2C總線(xiàn)讀取預(yù)先存放在EEPROM中的參數(shù)來(lái)進(jìn)行水分計(jì)算。通過(guò)串口發(fā)送到控制箱顯示。同時(shí)DSP通過(guò)MAX532芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)增益控制，保證輸入的光譜信號(hào)幅度是AD9220滿(mǎn)幅度的85%左右，提高采樣的精度。

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

紅外水分儀在煙草水分在線(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的測(cè)試條件見(jiàn)表1。將30份標(biāo)準(zhǔn)煙草樣品進(jìn)行標(biāo)定后測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2。

表1　水分儀測(cè)試條件Table1　Testingconditionofmoistureinstrument測(cè)量物體煙草測(cè)定方式在線(xiàn)非接觸水分范圍/%0～50測(cè)定距離/mm250±50測(cè)定面積直徑40mm的圓工作溫度/℃0～50阻尼/s1～60表2　水分儀測(cè)試結(jié)果Table2　Testingresultofmoistureinstrument技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果重復(fù)測(cè)量精度/%±0．05精度/%±0．25有效分辨率/%0．03測(cè)量范圍/%0～50響應(yīng)時(shí)間/s0．1

這個(gè)測(cè)試結(jié)果完全滿(mǎn)足了煙草水分測(cè)量的高精度和實(shí)時(shí)性要求。

3　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水分儀系統(tǒng)采用數(shù)字微鏡作為光譜選擇的核心器件，減少了傳統(tǒng)的濾光輪方式選擇光譜帶來(lái)的速度慢、震動(dòng)等問(wèn)題，在光譜選擇上更具有靈活性和可操作性，只需要簡(jiǎn)單調(diào)整DMD不同位置的微鏡翻轉(zhuǎn)，即可選擇不同光譜的近紅外光反射到近紅外傳感器上，并且可隨時(shí)改變光譜選擇的數(shù)量。同時(shí)采用FPGA+DSP的架構(gòu)進(jìn)行水分的采集和計(jì)算。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，該水分儀系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，速度快、精度高。

本系統(tǒng)不僅可以用在水分測(cè)量，在食品安全等近紅外光譜測(cè)量領(lǐng)域均可應(yīng)用。另外，系統(tǒng)采用的FPGA+DSP開(kāi)放式架構(gòu)支撐了更多光譜和更復(fù)雜算法的應(yīng)用，使得該系統(tǒng)有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]龍亞平,田偉鵬.近紅外快速水份檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].分析測(cè)試技術(shù)與儀器,2006,12(4):232-234.

[2]王會(huì),盧雅婷.近紅外水分測(cè)定儀的發(fā)展及在食品水分檢測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程,2016(6):58-61.

[3]WANG C W,WANG L.Design of moisture content detection system[J].Physics Procedia,2012(33):1 408-1 411.

[4]KARLINASARI L,SABED M,WISTARA I,et al.Near infrared(NIR) spectroscopy for estimating the chemical composition of wood[J].J Indian Acad Wood Sci,2014,11(2):162-167

[5]黃新棟,張涌,湯心溢,等.紅外水分儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].紅外技術(shù),2008(6):335-338.

[6]陳斌,盧丙,陸道禮.基于微型近紅外光譜儀的油菜籽含油率模型參數(shù)優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代食品科技,2015,31(8):286-292,267.

[7] 黃新棟.基于DMD的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景仿真技術(shù)研究[D].上海:中科院上海技術(shù)物理研究所,2009.

[8]王麗娜.反射式近紅外水分檢測(cè)應(yīng)用研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2006

[9]王春峰.基于微型近紅外光譜儀的油菜籽品質(zhì)檢測(cè)方法的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2007.

[10] 朱冰釵,鄭崇蘇.多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)在紅外水分儀中的應(yīng)用[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(5):600-613.

[11]嚴(yán)衍祿.近紅外光譜分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2005.