非接觸檢測紫外信號典型電路設計

郭振山，邢偉霞，曹朝龍，鄭 巖

(吉林省建研科技有限責任公司，吉林 長春 130000)

1 引 言

非接觸測量中，需要檢測紫外信號，檢測電路是分析與處理的重要應用基礎。本文基于高性能數(shù)字信號處理器和優(yōu)化的融合算法，采用光譜信號采集與傳輸技術(shù)，設計了紫外信號檢測典型電路。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)總體上包括紫外信號采集、紫外信號處理、紫外信號分析、數(shù)據(jù)輸出等部分[1]，主要由探測器、信號放大電路、光源穩(wěn)定電路、A/D轉(zhuǎn)換、探測器負高壓電路、解調(diào)電路等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于ST公司的高性能單片機和優(yōu)化的信號處理算法來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，該處理系統(tǒng)具有紫外信號的采集、降噪、分析和傳輸功能。被探測信號通過鏡頭進入光路系統(tǒng)后，光束經(jīng)過處理后輸出模擬視頻信號，模擬視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過OSP進行降噪、配準、融合、JPEG壓縮處理，最后通過單片機的EMAC端口將紫外信號發(fā)送到客戶端實時監(jiān)控。

3 探測頭的選擇

通過試驗測試各種探頭性能，各系列探頭主要參數(shù)如圖2所示。部分探頭實物及性能見圖3、圖4，經(jīng)過比對、分析，本項目選擇濱松9533傳感器作為探測頭。

圖2 各系列探頭主要參數(shù)

圖3 濱松9454(左)和9533(右)實物

圖4 探頭性能圖

4 處理板設計

ST公司的STM32F103VET6數(shù)字信號處理器,CPU主頻72MHz、閃存1MB，具有CAN和USB全速接口。STM32系列ARM Cortex-M3 32位閃存微控制器低功率、 低電壓， 并具有實時功能[2]?；赟TM32F103VET6設計驅(qū)動電路和控制板，通過對比選擇性能優(yōu)的器件進行電路設計，對整體電路采用軟件進行電路仿真。通過仿真結(jié)果分析，對電路進行優(yōu)化設計，最終確定電路方案。驅(qū)動電路原理如圖5所示。

由于STM32F103VET6內(nèi)部集成有濾波器,因此只需對紫外信號進行解調(diào)即可[3]。驅(qū)動器實物和信號處理電路原理圖見圖6、圖7。

圖6 驅(qū)動器實物圖

圖7 信號處理電路原理圖

5 多元線性回歸校正紫外光譜信號

偏最小二乘法(PLS)：在PCR中，只對光譜陣X進行分解，消除無用的噪聲信息。強度陣Y含有的無用信息，也同樣處理，且在分解光譜陣X時應考慮強度陣Y的影響?；诖颂岢龆嘣貧w方法[4]。

PLS首先對光譜陣X和強度陣Y進行分解，其模型為：

X=TPT+E

Y=UQT+F

式中，T和U分別為X和Y矩陣的差分矩陣；P和Q分別為X和Y矩陣的載荷矩陣；E和F分別為X和Y的PLS擬合殘差矩陣。

PLS的第二步是將T和U作線性回歸：

U=TB

B=(TTT)-1TTY

首先根據(jù)P求出光譜陣X未知，然后由下式得到預測值：

Y=TBQ

在實際PLS算法中，PLS把X和Y矩陣的分解同時進行，并且將Y的信息引入到X矩陣分解過程中，使得X主成分直接與Y關聯(lián)，這就克服了PCR只對X進行分解的缺點[5]。

數(shù)據(jù)處理實時性設計，軟件系統(tǒng)采用C#語言開發(fā)，采用分層式松耦合架構(gòu)，著重考慮系統(tǒng)的實時性并兼顧設計的清晰性及可擴展性。對于采集到的數(shù)據(jù)，進行多線程并行處理，結(jié)合硬件指令加速(AVX指令集)，可在0.1s內(nèi)完成指標的計算，保證計算的實時性。將算法封裝到單片機里，完成的控制板如圖8所示。

圖8 控制板實物

6 結(jié) 論

主控處理器的軟件平臺對采集得到的光譜數(shù)據(jù)進行回歸統(tǒng)計分析，給出各個波長所對應的定標系數(shù)。本系統(tǒng)選用低噪聲、低漂移的電子學器件，采取鎖相、計算機數(shù)據(jù)處理等手段提高了系統(tǒng)的信噪比，使得電子學系統(tǒng)具有高靈敏度、低噪聲、高可靠性的特點[6]。

本技術(shù)在細化測量波段的同時，將光信號探測器陣列后整合有USB接口，使得整個系統(tǒng)集合可直接插接至后續(xù)的信號放大裝置及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換的光譜數(shù)據(jù)處理裝置，以解決光學系統(tǒng)的紫外信號采集、紫外信號處理、紫外信號分析、數(shù)據(jù)輸出，更有利于系統(tǒng)的模塊化和實用化。