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      非接觸檢測紫外信號典型電路設計

      2021-10-08 07:59:48郭振山邢偉霞曹朝龍
      工程與試驗 2021年3期
      關鍵詞:控制板實時性信號處理

      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。

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