嵌入式光電信號(hào)數(shù)據(jù)采集及人機(jī)交互技術(shù)研究

饒浚節(jié)

摘要：在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展下光電技術(shù)發(fā)展飛快，光電技術(shù)的應(yīng)用非常的廣泛，尤其在工業(yè)生產(chǎn)中光電技術(shù)更是被廣泛應(yīng)用。嵌入式光電技術(shù)主要依托于光電檢測與光電信息處理技術(shù)，基于光電技術(shù)的應(yīng)用度越來越高，理工科高校越來越重視光電技術(shù)的教學(xué)與研究，由于在光電技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐中設(shè)置了更高的目標(biāo)。為了使光電技術(shù)教學(xué)平臺(tái)更為完備完整，因此該課題主要研究嵌入式光電特性測試系統(tǒng)，從而探討其在光電檢測系統(tǒng)中所具有的價(jià)值。在課題研究中筆者探究了光電信息技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)嵌入式系統(tǒng)以及人際互動(dòng)做出介紹，注重分析了嵌入式系統(tǒng)及人機(jī)互動(dòng)技術(shù)的硬件電路與軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：嵌入式光電;數(shù)據(jù)采集;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）27-0103-02

光電技術(shù)的發(fā)展很大程度都是由信息技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)的，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的技術(shù)就是通信技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)，其中通信技術(shù)最重要的組成部分就是光電轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集，因此可以看出光電技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)，乃至國家發(fā)展中的重要地位。光電轉(zhuǎn)換依托光電傳感器來進(jìn)行，通過光電轉(zhuǎn)換器可以提高傳輸?shù)木扰c穩(wěn)定度，同時(shí)也會(huì)對(duì)自動(dòng)化控制的精度與穩(wěn)定度產(chǎn)生影響。在生產(chǎn)過程中，為了適應(yīng)生產(chǎn)中因環(huán)境復(fù)雜與檢測對(duì)象多樣將光電傳感器應(yīng)用其中，從而提高生產(chǎn)的效率，在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，對(duì)光發(fā)傳感器的精度與穩(wěn)定性要求更高，只有這樣才能保證生產(chǎn)的品質(zhì)，提高生產(chǎn)效益。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用最廣泛的是用數(shù)模轉(zhuǎn)換器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的處理都是通過單片機(jī)進(jìn)行，并將其處理為一定邏輯性的數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行傳輸。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集最大的弊端就是受環(huán)境與氣候的影響大，在遠(yuǎn)距離的傳輸時(shí)，會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸失敗。隨著信息技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集得以實(shí)現(xiàn)并獲得飛速的發(fā)展，從而使各行各業(yè)受益，并對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生很大影響，成為各行業(yè)中最有價(jià)值、不可或缺的生產(chǎn)工具之一。

1 光電信息技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

從載體角度看，光子與電子的相同之處都是依賴于信息載體。在20世紀(jì)后期，微電子集成電路的出現(xiàn)直接為計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來了翻天覆地的變化，所謂微電子技術(shù)就是在半導(dǎo)體研究中所引導(dǎo)出的，正是由于微電子電路的出現(xiàn)，才使集成電路由巨型逐步向“微”型轉(zhuǎn)變，但是在發(fā)展過程中是逐步趨于極限的。也就是說，作為信息載體的電子，也隨著集成電路的微型轉(zhuǎn)變趨于極限。光電信息與電子相比的優(yōu)越性就主要體現(xiàn)在電子的短板上，即容量大、速度快，同時(shí)還具有電子無法比擬的直觀性，人們能通過光電信息來獲得一定的視覺沖擊。

從20世紀(jì)開始，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光電技術(shù)發(fā)展也迎來了高光時(shí)刻，并與各類技術(shù)相滲透、相結(jié)合，光電技術(shù)處于高速發(fā)展階段中，對(duì)其影響最大的就是無線電電子與控制信息理論。電子學(xué)中的一些技術(shù)逐步應(yīng)用到光電技術(shù)中，例如，振蕩、編碼、調(diào)制等。同時(shí)，電子學(xué)中所涉及的可控器件、電路功能以及有源等也逐步通過光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。光學(xué)儀器自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)也離不開電子技術(shù)，它是通過電子技術(shù)、光電傳感器以及微處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這大大促進(jìn)了光電技術(shù)的發(fā)展。隨著光電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其在推動(dòng)自動(dòng)控制、人工智能上也有很大的作用，尤其涉及高精度的遠(yuǎn)距離測量以及圖像成像等，都離不開光學(xué)技術(shù)。光學(xué)信息技術(shù)帶來了電子技術(shù)上的重要變革，改變了信息傳輸?shù)姆绞剑剐畔⒌妮d體微波頻域擴(kuò)充到光波頻域，創(chuàng)造出新一代的電子器件，從而構(gòu)建起龐大的、先進(jìn)的光電子產(chǎn)業(yè)。通過這樣技術(shù)的發(fā)展，更好地將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)融合起來，從而將光學(xué)與電子技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來構(gòu)成了光電混合系統(tǒng)，也就是我們說的光電系統(tǒng)。真正將光學(xué)與電學(xué)聯(lián)系起來的是光電、電光以及光控等有源控制器件，它為光電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了基礎(chǔ)與可能。自此，光電技術(shù)的發(fā)展開始邁向新的征程，并開始發(fā)揮巨大作用。

2 嵌入式系統(tǒng)及人機(jī)交互技術(shù)簡介

所謂嵌入式系統(tǒng)就是硬件與軟件的結(jié)合體，嵌入式系統(tǒng)也正是由硬件與軟件組成的。單從技術(shù)層面看，嵌入式系統(tǒng)主要是由處理器硬件、應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)構(gòu)成的，它是一個(gè)集合系統(tǒng)。而從系統(tǒng)層面看，嵌入式系統(tǒng)是為了完成更高級(jí)更復(fù)雜的功能而實(shí)現(xiàn)的硬件與軟件的組合，并使硬件與軟件充分融合構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。概括地說，只要是用以微處理器的專門硬軟件系統(tǒng)就都是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1）內(nèi)核小。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核小，主要應(yīng)用在小型與微型的電子設(shè)備中，所以系統(tǒng)資源是較少了，其操作系統(tǒng)也就小。

2）運(yùn)行環(huán)境廣泛。嵌入式系統(tǒng)由于運(yùn)用非常的方便，所以其廣泛性強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)所適用環(huán)境差異也比較大。

3）個(gè)性化突出。由于嵌入式系統(tǒng)是為了解決一定任務(wù)，所以帶有很明確的目標(biāo)性，與一般傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)個(gè)性化突出，硬件與軟件相互結(jié)合，配合緊密。

4）可靠性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)的可靠性很強(qiáng)，與普通計(jì)算機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)是需要常年運(yùn)作的，在處理一些突發(fā)狀況時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的可靠性就凸顯出來，即便無人值守也可以實(shí)現(xiàn)有效的、穩(wěn)定的運(yùn)行。

5）系統(tǒng)精簡，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)非常的精簡，它的工作目標(biāo)非常的明確，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，所占用的資源少，只需要將最核心的部分做到最小。同時(shí)為了適應(yīng)各類環(huán)境的需求，嵌入式系統(tǒng)還必須有較強(qiáng)的可裁剪性、可移植性以及可伸縮性。

6）固化非易失性存儲(chǔ)器中的代碼。為了提升系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證嵌入式系統(tǒng)的工作，幾乎嵌入式都會(huì)固化非易失性存儲(chǔ)器中的代碼。這樣不僅提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，還保證了系統(tǒng)的可靠性。

7）開發(fā)工具和環(huán)境。嵌入式系統(tǒng)在自主開發(fā)上存在局限，所以對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，用戶是不能再對(duì)其程序進(jìn)行修改與完善的，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)只有依靠開發(fā)工具和環(huán)境才能實(shí)現(xiàn)自主開發(fā)。

3 嵌入式系統(tǒng)及人機(jī)交互技術(shù)硬件電路設(shè)計(jì)

1）總體硬件電路設(shè)計(jì)?？傮w硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控芯片、數(shù)據(jù)采集芯片。主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，考慮到運(yùn)用一般的系統(tǒng)會(huì)花費(fèi)較大的資金，并且其移動(dòng)性也很差，所以本次課題中筆者選擇嵌入式光電特性測試系統(tǒng)，這樣不僅會(huì)減少資金花費(fèi)，還會(huì)簡化測試的過程，創(chuàng)造良好體驗(yàn)感的人機(jī)交互界面。數(shù)據(jù)采集芯片也非常的重要，它具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，通過將所運(yùn)算的結(jié)果傳遞給系統(tǒng)，建立友好的人際互動(dòng)界面。兩項(xiàng)重要的芯片設(shè)計(jì)完成后，還包括光源硬件電路設(shè)計(jì)、光電功能模塊硬件電路設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)、主控單元硬件電路設(shè)計(jì)。