基于CPLD 與STM32 結(jié)合的一種地物光譜儀設(shè)計

郝冬輝 湯英文 羅彩任

（閩南師范大學物理與信息工程學院，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)用在不同的場景當中。地物光譜儀通過光譜儀對光信息的抓取、數(shù)值儀器顯示和分析，在野外探測、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作為控制器，存在以下不足：

1.1 單片機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，但點陣數(shù)量較少，處理速度也較慢。

1.2 常見的單片機由于其內(nèi)核處理器速度的限制，無法驅(qū)動圖像傳感器進行高速穩(wěn)定的工作，限制了對于復雜功能軟件系統(tǒng)的開發(fā)。

對此，我們采用了CPLD 進行驅(qū)動圖像傳感器工作。CPLD 為復雜可編程邏輯器件,是從PAL 和GAL 器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，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，無需外部存儲器芯片，使用簡單。故CPLD 具備很好的并行處理和自定義模塊能力，適合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 地物光譜儀工作原理

由光學理論可知，一束光線照射到物體上會發(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)過儀器入射狹縫后經(jīng)過準直系統(tǒng)將光線變?yōu)槠叫泄猓俳?jīng)過光柵處理以及聚焦系統(tǒng)后傳入CMOS 圖像傳感器。通過CPLD 驅(qū)動圖像傳感器進行光譜數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過與標準白板的光譜數(shù)據(jù)進行對比分析以及通過相應(yīng)的算法處理得出光譜曲線，從而測出待測物的反射率以分析以方便后續(xù)的分析與評價[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，同時搭載ALTERA 公司的EPM570T100C5N 型號的CPLD 芯片[4]。STM32F4 系列芯片其工作頻率可以達到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；同時提供3 個12 位的ADC，兩個DAC，1 個低功耗的RTC，12個通用16 位定時器，其中包括兩個用于電機控制的PWM定時器，兩個通用32 位定時器。

雖然STM32F4 系列的內(nèi)部時鐘最高可以實現(xiàn)168MHz，但是單獨使用32 位單片機控制圖像傳感器進行數(shù)據(jù)的采集還是會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不穩(wěn)定的現(xiàn)象。對此我們使用CPLD 來控制圖像傳感器進行數(shù)據(jù)采集。故此選擇ALTERA 公司的EPM570 系列型號芯片，內(nèi)部由570 個邏輯單元，相當于440個宏單元，邏輯是實現(xiàn)能力強大。該芯片最大工作頻率可以達到304MHz，內(nèi)置非易失性Flash 存儲器，通過取代分立式非易失存儲器件減少元件數(shù)；具備實時在系統(tǒng)可編程能力（ISP）。器件在工作狀態(tài)時能夠下載第二個設(shè)計，降低遠程現(xiàn)場升級的成本[5]。

數(shù)據(jù)采集模塊：通常使用光電傳感器進行光譜數(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。光照射每個像素由于光電效應(yīng)，CCD 的內(nèi)部會產(chǎn)生空穴電子對并累積，由于CCD 只有一個讀出端口，因此需要串行的方式將每個像素的電荷在像素之間進行轉(zhuǎn)移到輸出端口。最終將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，進行放大和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單、輸出信息速率快、耗電省、體積小、重量輕、集成度高、價格低等特點。CCD 顯著的特點是技術(shù)較為成熟，由于像素點眾多，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，無殘像?？紤]光譜數(shù)據(jù)成像質(zhì)量因素，使用CCD 圖像傳感器進行光譜數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：為了方便進行數(shù)據(jù)傳輸，采用藍牙技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信開放的全球規(guī)范，它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無線技術(shù)連接。藍牙屬于無線通信模塊，開發(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 芯片進行藍牙傳輸，ESP32 是集成2.4 GHz Wi-Fi 和藍牙雙模的單芯片方案，采用臺積電超低功耗的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)用場景。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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，另一部分為光譜傳輸處理系統(tǒng)軟件設(shè)計。根據(jù)需求將光譜儀的系統(tǒng)界面分為幾個模塊：（1）儀器參數(shù)設(shè)置部分，包括光譜儀的校準、設(shè)置、樣品信息等。（2）測量主界面部分，吸光度、透過率以及記錄儲存。（3）曲線繪制部分，即光譜圖的繪制。（4）數(shù)據(jù)管理部分，負責數(shù)據(jù)管理和存儲以及打印輸出等，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)傳輸模塊是整個軟件系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)上電后對整個設(shè)備進行初始化。包括5 個IO 口、電量監(jiān)控、光譜儀狀態(tài)、藍牙等模塊以及串口和定時器的初始化。隨后是判斷藍牙的連接狀態(tài)，初始化成功后藍牙等待連接，若連接成功則給光譜儀進行上電操作并將藍牙設(shè)定為SPP（透傳模式）。若連接失敗，則重新初始化設(shè)備。移動端還會在7 秒內(nèi)給STM32 單片機發(fā)送一組數(shù)據(jù)，用于判斷連接是否保持。若超過7 秒未接收到數(shù)據(jù)，則重新初始系統(tǒng)，進行設(shè)備重新連接。若一直保持連接狀態(tài)，則等待移動端發(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)采集的延時為250ms，隨后將這段時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到移動端顯示。

2.3.1 光譜采集系統(tǒng)軟件

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

其中CCD 驅(qū)動模塊由CPLD 驅(qū)動CCD 進行光信號的采集，并將光信號進行一系列處理后轉(zhuǎn)化為電信號，即光譜數(shù)據(jù)，藍牙傳輸模塊負責與移動端進行通信：通過藍牙協(xié)議，將采集到的光譜數(shù)據(jù)傳給移動端，同時也可以接收移動端發(fā)送的指令[10-11]。

2.3.2 光譜處理傳輸系統(tǒng)軟件

移動端的光譜處理部分是將采集系統(tǒng)通過藍牙傳輸上來的光譜數(shù)據(jù)進行一些處理，形成所測物質(zhì)的光譜圖，再和光譜圖庫中的光譜數(shù)據(jù)進行匹配，找出與之相對應(yīng)的譜圖，形成反射率與波長的圖像關(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_發(fā)。

3 測試與總結(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 波段具有兩個特征峰。通過使用了本文中設(shè)計的光譜數(shù)據(jù)移動傳輸系統(tǒng)來采集室內(nèi)的暖白LED 燈的譜圖，所得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 LED 燈測試圖庫

對比兩圖的光譜特征，可以得出設(shè)備通過藍牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是正確的數(shù)據(jù)，該設(shè)計的功能基本得到了實現(xiàn)。

目前國內(nèi)外主要通過采用提高城市反射率來達到節(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準就尤為重要。為了更好驗證設(shè)計儀器的可靠性，通過配合標準白板，在戶外進行了柏油路道路路面的反射率測試，結(jié)果如圖5 和6 所示，為監(jiān)測城市道路地面反射率提供一個可行的方法。

圖5 柏油路路面圖

圖6 柏油路的地物光譜圖

通過形成的譜圖可以看出該設(shè)計儀器的正確性。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確地測量出物體的反射率，這為測量城市人造表面反射率提供了精準快捷的辦法，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。