（通信与信息系统专业论文）基于dm642的多功能滴定仪硬件设计与实现.pdf

摘要 摘要 粮油食品安全是当前的热点问题，粮油品质倍受关注。l 系列关键指标的准 确测定是现阶段粮油品质判定的主要依据，但实际测定工作中存在着人工滴定终 点较难判断、人为误差大、结果可重复性和可比性差等问题，这就直接影响到对 粮油品质的准确判定。 本文将d s p 技术应用于粮食质量检测中，结合粮食检测原理，引入先进的 d s p 处理技术，设计并实现了可用于粮食品质无公害检测的图像采集与图像处理 系统一多功能滴定仪。完成的主要工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 结合多功能滴定仪的粮食品质检测功能，设计了基于以瞰s 3 2 0 d m 6 4 2 为核心的硬件和信号分析系统； ( 2 ) 在设计的整体框架下对系统进行实现，设计出了原理图、p c b 版图，并 进行了调试和测试，系统可以正常工作； ( 3 ) 为了验证系统整体功能，协助了系统测试软件的开发，并进行了系统级 的调试和测试。 测试结果表明，通过上述设计的硬件系统可以进行良好的工作，在软件系统 的协同下，该仪器能自动实现整个滴定过程，实现了粮食中脂肪酸值、酸度、过 氧化值、还原糖等品质指标的无公害检测。同时，该设备具有使用软件升级，进 行重新配置的功能，该设计已被四川省粮食储藏研究所采纳，用于粮食质量的检 测，现已完成了样机的性能测试，并生产了成品，推向了粮油市场。 关键词：d m 6 4 2 ，多功能滴定，图像采集，u s b a b s t r a c t a b s t r a c t g r a i na n do i lf o o d ss a f e t yi s c u r r e n t l yah o ti s s u e ，g r a i na n do i l sq u a l i t yi s w e l l f o c u s e d t h ea c c u r a t ed e t e r m i n a t i o no fas e r i e so fk e yi n d i c a t o r si st h em a i n b a s i sf o rd e t e r r i n gf o o da n do i l sq u a l i t y , h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m ss u c ha s ： a r t i f i c i a lt i t r a t i o ne n d i n gp o i n ti sd i f f i c u l tt oj u d g e ，m a n - m a d ee r r o ri sl a r g ea n dt h e r e s u l t sa r ep o o rr e p r o d u c i b i l i t ya n dc o m p a r a b i l i t y i t d i r e c t l ya f f e c t st h ea c c u r a t e d e t e r m i n a t i o no fg r a i na n do i l sq u a l i t y t h i sa r t i c l eh a sa p p l i e dd s pt e c h n o l o g yi ng r a i nq u a l i t yt e s t i n ga n dd e v e l o p e d d s p - b a s e di m a g ec a p t u r i n ga n di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 一- m u l t i - t i t r a t o rw h i c hc a nb e u s e df o rp o l l u t i o n f r e et e s t i n go fg r a i n sq u a l i t y ，b yc o m b i n i n gw i t ht h ep r i n c i p l eo f g r a i nt e s t i n ga n di n t r o d u c i n ga d v a n c e dd s pp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h em a j o rw o r k c o m p l e t e di n c l u d e s ： ( 1 ) h a v i n gd e s i g n e d t h eh a r d w a r ea n ds i g n a la n a l y s i ss y s t e mb a s e do n 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2b yc o m b i n i n gw i t hf u n c t i o no fm u l t i t i t r a t o r ( 2 ) t or e a l i z et h es y s t e mu n d e rt h eo v e r a l lf r a m e w o r k ，h a v i n gd e s i g n e dt h e s c h e m a t i c 、p c bl a y o u ta n dc o m p l e t e dd e b u g g i n g 、t e s t i n g ，t h es y s t e mc a nw o r kw e l l ( 3 ) i no r d e rt ov e r i f yt h ef u n c t i o no ft h eo v e r a l ls y s t e m ，h a v i n ga s s i s t e dt h e d e v e l o p m e n to fs y s t e m st e s t i n gs o f t w a r ea n dc o m p l e t e ds y s t e m l e v e ld e b u g g i n ga n d t e s t i n g t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r d w a r es y s t e mc a nw o r kw e l l t h i st i t r a t o r c a na c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft i t r a t i o np r o c e s sa n dh a sr e a l i z e dt h ep o l l u t i o n - f l e e t e s t i n go fv a l u eo ff a t t ya c i d s ，a c i d i t y , p e r o x i d ev m u e ，r e d u c i n gs u g a ra n do t h e r q u a l i t yi n d i c a t o r si nf o o da n do i l a tt h es a m et i m e ，t h i sd e v i c eh a st h ef u n c t i o no f s o f t w a r e u p g r a d i n ga n df e a t u r er e e o n f i g u r i n g ，t h i sd e s i g nh a sb e e na d o p t e db y s i c h u a ng r a i ns t o r a g er e s e a r c hi n s t i t u t ef o rf o o da n do i l s q u a l i t yt e s t i n g ，t h e p r o t o t y p eh a sb e e nc o m p l e t e da n d t h ef i n i s h e dp r o d u c th a sa l s oe n t e r e di n t ot h eg r a i n a n do i lm a r k a k e y w o r d s ：d m 6 4 2 ，m u l t i - t i t r a t i o n , i m a g ec a p t u r i n g ，u s b 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：她i 虚日期：瑚年占月争日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蝎! 盘 导师签名：避 日期：工。乃年占月午日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 引言 信息化已经成为社会发展的大趋势。信息化是以数字化为背景的，而d s p 技术则是数字化最重要的基本技术之一【l 】。在过去的短短2 0 年里，d s p 处理器 的性能得到了很大的改善，软件和开发工具也得到相应的发展，价格却大幅地下 降，从而得到越来越广泛的应用，应用范围不胜枚举。社会的发展和技术的进步 已经将d s p 技术从一门很专业的科学推进成极为活跃并广为人知的前沿技术。 粮油食品安全是当前的热点问题，粮油品质倍受关注。稻谷和玉米的脂肪酸值、 油脂的酸值( 酸度) 、过氧化值等指标的准确测定是现阶段粮油品质判定的主要 依据，但实际测定工作中存在着人工滴定终点较难判断、人为误差大、结果重现 性和可比性差等问题，这就直接影响到对粮油品质的准确判定。本文基于上述背 景，将d s p 技术应用于实际，开发一套基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的多功能滴定仪。 该多功能自动滴定仪采用机器视觉技术，利用c m o s 传感器获取实时动态图像， 实现滴定过程的自动控制，解决了手工滴定终点难以判断等一系列问题，可测定 粮食中脂肪酸值、酸度、过氧化值、还原糖等品质指标。 1 2 多功能滴定仪介绍 1 2 1 多功能滴定仪的产生背景 我国政府高度重视粮油质量检测，国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中强调了“食品安全标准制定、有效监测检测等关键技术，开 发食物污染防控智能化技术和高通量检验检疫安全监控技术 为重点研究领域及 其优先主题之一。我国国民经济和社会发展第十一个五年规划中提出了“健 全农产品质量安全体系”的发展目标。2 0 0 7 年中央“一号文件 明确提出了“加 快农业标准化工作，健全检验检测体系，进一步提高农产品质量安全水平 。温 家宝总理曾批示“当前粮食安全问题己日益突出，确保我国粮食安全已成为农业 发展和粮食工作迫在眉睫的重要任务”。国家颁布实施了以“三项政策，一项改 革为主要内容的粮食流通体制改革及粮食收购“按质论价、优质优价”政策， 规定在粮食收购、存储等粮食流通的各个环节，都要以粮食质量标准为依据。这 些都体现了我国政府对粮油质量检测工作的高度重视。 电子科技大学硕士学位论文 于是在国内，用于粮食质量检测的多功能滴定仪便成了相关单位的研究热 点。 1 2 2 多功能滴定仪的功能和意义 1 2 2 1 多功能滴定仪的功能 多功能滴定仪的主要作用是实现滴定过程的高精度自动控制，解决手工滴 定终点难以判断的问题，可很好地测定粮食中脂肪酸值、酸度、过氧化值、还原 糖等品质指标，并将误差控制在很小的范围内，最终实现粮食质量的无公害检测。 用于国内粮食质量无公害检测的多功能滴定仪要达到的主要技术与性能指 标如下： ( 1 ) 功能：能准确判断、响应滴定终点，实现自动计量、数据处理、显示、 打印功能可查看历史数据。 ( 2 ) 测定准确度：差值在国标规定允许差范围内( 即：差值不大于g b5 5 1 3 8 5 粮食、油料检验还原糖、非还原糖测定法；g b5 5 1 7 8 5 粮食、油料检验粮食酸 度测定法；g b t5 5 3 8 2 0 0 5 动植物油脂过氧化值测定；g b t5 5 3 0 2 0 0 5 动植物 油脂酸值和酸度测定及g b t1 5 6 8 4 9 5 谷物制品脂肪酸值测定法等国家标准规 定的重复性误差) 。 ( 3 ) 测定结果重现性：平行测定同一样品，测定结果间差值达到国标要求 ( 即：差值不大于g b5 5 1 3 8 5 粮食、油料检验还原糖、非还原糖测定法；g b 5 5 1 7 8 5 粮食、油料检验粮食酸度测定法；g b t5 5 3 8 2 0 0 5 动植物油脂过氧化 值测定；g b t5 5 3 0 2 0 0 5 动植物油脂酸值和酸度测定及g b t1 5 6 8 4 9 5 谷物制品 脂肪酸值测定法等国家标准规定的重复性误差) 。 ( 4 ) 测定结果台间差：不同仪器测定同一样品结果间差值达到国标要求( 即： 差值不大于g b5 5 1 3 8 5 粮食、油料检验还原糖、非还原糖测定法；g b5 5 1 7 8 5 粮食、油料检验粮食酸度测定法；g b t5 5 3 8 2 0 0 5 动植物油脂过氧化值测定； g b f r5 5 3 0 2 0 0 5 动植物油脂酸值和酸度测定及g b t1 5 6 8 4 9 5 谷物制品脂肪酸 值测定法等国家标准规定的重复性误差的2 倍) 。 ( 5 ) 检测时间不大于1 0 m i n 样。 1 2 2 2 多功能滴定仪的意义 油脂中的酸值和酸度、过氧化值，和稻谷、玉米的脂肪酸值等指标的准确 2 第一章绪论 测定是现阶段粮油品质判定的主要依据，粮食多功能滴定仪的推广应用，使检验 结果的准确性得以提高，检验结果更客观、更科学，结果更具可比性，有效解决 了我国粮油的质量检测中遇到的突出问题，为现代粮食流通体系和粮食质量监测 体系提供了有力的技术支撑，也为我国国家标准质量检验提供了新的技术手段。 粮食多功能滴定仪的生产，对促进各级实验室的粮油品质检测工作的开展、更好 地贯彻执行国家标准、落实“依质论价，优质优价 政策、稳定市场、增加农民 收入和保护消费者的利益都具有重大意义。同时对保障国家粮食安全，维护粮食 流通秩序，提高行业的国际竞争力也起到十分重要的作用。 粮食多功能滴定仪的应用同时将为粮油流通过程中的买卖双方提供一个准 确的质量信息，使双方能够根据粮油质量情况确定不同的价格，最大限度地保证 买卖双方的利益，同时买方可以根据质量差异分类储运，分类进行深加工，获得 最大利润。 1 2 3 国内外粮食质量检测现状 发达国家对粮食质量十分重视，他们以粮食的最终使用品质和最佳用途为 目标，采取一系列措施，研究制定粮食品质评价指标体系，并不断研究新的检测 方法和开发新型检验仪器。在粮食流通的品质监控过程中应用快速、准确的检测 仪器设备是国外粮食检化验技术发展的趋势。为了减少测量过程中的主观性，降 低人为测定误差，很多国家都大力开发客观的粮食质量分析技术和仪器。 我国随着人民生活水平的提高，消费者高度关注食品安全问题，越来越多 的消费者愿意为保障食品安全支付额外费用。粮食流通管理条例的规定对粮 食质量安全检验工作提出了更高的要求。2 0 0 5 年流通领域食品安全调查报告 显示，“城市消费者中，最关注食品安全的占7 1 8 ，不关注食品安全的仅占0 6 。 但是，在新形势下，我国粮油质量检测仪器、技术和标准，已经远远不能 满足快速提高的生活水平和快速发展的粮油流通和贸易。例如收购、储藏、加工、 出入库检测的一些粮油品质指标，目前仍采用传统手工方法，其准确性差、时间 长，基层单位普遍要求应尽早解决这些问题。 1 2 4 多功能滴定仪的现状及近期发展趋势 国内外已有多种型号的自动滴定仪( 如：梅特勒托利多全自动电位控制滴 定仪、美国c o l e p a r m e r 、f a c t s 滴定分析仪器、南京传滴仪器等) ，在化 工、石化、日化、制药等行业有着广泛应用，多数都是以滴定体系电位变化或电 电子科技大学硕士学位论文 导、电导率变化测定为基础。由于粮油滴定体系的特殊性，目前这些仪器大都不 适合粮食脂肪酸值、还原糖及油脂过氧化值等指标的测定：即使一些滴定仪可通 过二次开发运用，但是由于其功能单一或价格太高、操作过程又繁琐，很难在粮 油食品行业普遍使用。所以，虽然可测定多种粮油食品指标的专用自动滴定分析 仪器的市场需求巨大，但目前国内外还缺乏相应的技术手段和仪器来替代人工完 成滴定分析。 当前粮油食品指标测定工作中存在的人工滴定终点较难判断、人为误差大、 结果重现性和可比性差等问题，这就直接影响到对粮油品质的准确判定，影响到 国家、企业以及用粮单位的利益。随着粮油品质检测要求的提高，检测方法仪器 化、标准化、快速化是品质检测技术发展的必然趋势。粮食检验方法与手段还不 能满足实际工作的需要，直接影响了新标准的实施和粮食流通体制改革政策的贯 彻执行，这是当前亟待解决的问题。 该仪器研发方向属于国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中“食品安全标准制定、有效监测检测等关键技术，开发食物污染防控智能 化技术和高通量检验检疫安全监控技术”重点研究领域，符合我国国民经济和 社会发展第十一个五年规划中“健全农产品质量安全体系 的总体要求。本仪 器是根据目前粮油食品检化验机构、粮食收储、加工等流通企业的迫切需要提出 研制开发的，符合国家产业政策支持的方向。 1 3 本章小结 本章首先介绍了多功能滴定仪器产生的社会背景和市场需求，接着详细阐 述了多功能滴定仪的功能、意义、现状及近期发展趋势，让读者对对多功能滴定 仪器有了一个大概的了解，为接下来多功能滴定仪器系统的介绍，做了一定的准 备。 4 第二章多功能滴定仪系统 第二章多功能滴定仪系统 2 1 系统简介 本系统采用t i 公司6 0 0 0 系列的d s p 处理芯片一一t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片作为 核心处理芯片，实现图像高速而稳定的采集与相关处理，同时在d m 6 4 2 的基础 上扩展一个u s b 接口和两个r s 2 3 2 串口，用于数据交换。在p c 端及a r m 9 端 设计相关的软件。 图2 1 系统框图 擎篙p c 习 j7 兹 总的来说，该系统的核心部分是以d m 6 4 2 芯片为核心的主板，该主板可 以单独与a r m 9 组成一套多功能滴定仪，也可以单独与p c 机组成一套多功能 滴定仪。同时a r m 9 与p c 机之间在无滴定操作的时候，可以通过中间的主板 实现算法文件的相互传输。 具体来说，该系统主要分为三个部分：1 、基于a r m 9 部分，完成对图像 数据的特定算法处理，文件操作等，实现无p c 环境下的滴定检测。2 、系统的 核心部分即以d m 6 4 2 为核心的主板，完成该主板的硬件设计和相关的软件设 计，实现对图像数据高速而稳定的采集与相关处理，实现与a r m 9 和p c 机之 间的数据交换，实现对搅拌电机及注射泵的实时控制。3 、在p c 端采用 l a b w i n d o w s 开发相关软件，接受通过u s b 接口传来的图像数据并对其进 行特定算法处理，完成控制，判断，文件操作等较为复杂的滴定过程。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 2 系统各模块介绍 2 2 1d m 6 4 2 端硬件设计 2 2 1 1d m 6 4 2 的特点及片上资源 由于基于d s p 的多功能滴定仪不仅涉及到高速图像数据的采集，同时还会 涉及到图像数据的处理算法及通信接口的扩展，所以就需要一款高主频，并行运 算能力强，拥有视频接口，方便其它通信接口扩展的定点d s p 芯片，在低成本 情况下完整地实现各种滴定功能，从而达到多功能滴定仪在性能上的设计要求。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是基于c 6 4 x 内榭2 1 ，其核心是c 6 4 1 6 型高性能数字信号处 理器，该芯片是c 6 0 0 0 系列中性能最高的定点d s p 。该芯片采用第二代高性能、 先进的超长指令字v e l o c it 1 2 结构的d s p 核及增强的并行机制，在7 2 0 m h z 的 时钟频率下，其处理性能达到5 7 6 0 m i p s ，具有极强的处理性、高度的灵活性和 可编程性。除了拥有高速控制器的操作灵活性，d m 6 4 2 芯片还具有阵列处理器 的数字处理能力，特别是其外围集成了完整的音频、视频和网络通信等设备及接 口，特别适用于机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播以及基于数字视 频、图像处理的消费类电子产品等高速d s p 应用领域。例如：三个可配置的视 频端口( v p o r m 一2 ) ，能够与通用的视频编、解码器实现无缝连接，支持多 种视频分辨率及视频标准，支持r a w 视频输入输出，传输流模式；可以用于终 端数据库联接的e m a c ( 以太网口) ，为系统以后的进一步升级提供了很好的 空间。该芯片完全符合多功能滴定仪对核心处理芯片的各种要求，综合考虑，选 择了以t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片为核心来构建整个系统。 d m 6 4 2 具有完整的开发工具，包括新的c 编译器、汇编优化器以及基于 w i n d o w s 的调试器接口，可视化地观察源代码的执行。本文中灵活运用d m 6 4 2 丰富的外设资源来搭建整个系统。其中涉及到的接口有：( 1 ) 、视频口，d m 6 4 2 有3 个可配置的视频口，支持各种分辨率和视频图像标准，采用视频图像捕获模 式，接受图像传感器采集的r a w 格式数据。( 2 ) 、i i c 接口，d m 6 4 2 集成的 i i c 模块是d s p 可以很容易的控制外设，本文中采用d m 6 4 2 的i i c 接口配置 o v 7 6 6 0 数字图像传感器。( 3 ) 、h p i 接口，d m 6 4 2 集成一个用户可配置的主机 接口哪i 接口，通过h p i 接口，d s p 可以实现c y p r e s s 公司生产的e z , - u s b 芯片通信，从而将d s p 采集并处理过的数据传输到p c ，同时还可以通过p c 主 6 第二章多功能滴定仪系统 机控制d s p 的运行。( 4 ) 、片外存储器接口( 咖a ) 、通过e m i f a 接口扩 展存储空间，同时通过e m i f a 接口配置串口芯片，完成d s p 对滴定设备的控制 和与a r m 9 之间的通信。 2 2 1 2d m 6 4 2 在系统中的功能 以d m 6 4 2 为核心的主板主要完成视频口的扩展，u s b 接口的扩展，r s 2 3 2 串口的扩展，存储器空间的扩展以及相关算法的实现。扩展的视频口用于采集由 摄像头捕获的被滴定溶液的图像数据。扩展的u s b 接口用于d m 6 4 2 与p c 机之 间的数据交换。扩展的r s 2 3 2 接口用于d m 6 4 2 与a r m 9 之间的数据交换；同时 也用于实现对搅拌电机及注射泵的实时控制。 下面具体介绍一下上述各部分在滴定过程中的作用： ( 1 ) 扩展的视频口：在该系统中，通过3 0 万的c m o s 摄像头将数据采集下 来，并通过d m 6 4 2 的视频口以d m a 的方式传输n # i - 挂在d m 6 4 2 上的r a m 中或者 d m 6 4 2 片内的r a m 中，同时根据系统具体的应用模式将原始的图像数据或者经 过处理过的数据传输到p c 或者a r m 9 中，再进行下一步的处理。 ( 2 ) 扩展的u s b 接口：通过d m 6 4 2 的片上h p i 接口扩展u s b 接口，该接口主 要用于将经过d s p 处理的图像数据传输到p c 上，用于进一步的算法判定；同时 d s p 通过该接口接收从p c 机传输过来的相关命令或文件数据。 ( 3 ) 扩展的r s 2 3 2 串口：通过d m 6 4 2 的e m i f 接口扩展r s 2 3 2 串口，该接口 用于控制滴定设备和将经过d s p 处理的图像数据传输到删9 上，用于进一步的 算法判定；同时d s p 通过该接口接收从a r m 9 传输过来的相关命令或文件数据。 ( 4 ) 扩展的存储器空间：通过d m 6 4 2 的片上e m i f 接口扩展存储器空间 ( s d 洲和f l a s h ) ，r a m 主要用于主板上电以后系统程序的运行及数据的存 储：f l a s h 主要用于断电后保存系统的应用程序，用于在主板上电后将该程序 加载到r a m 空间中。 ( 5 ) 相关算法：在本系统中，对缓存在存储空间中的图像数据进行了相关 的平滑和滤波处理。 本系统的重点在于以d m 6 4 2 芯片为核心的主板的硬件电路设计及相应的驱 动，算法的实现，这也是本文讨论的重点。 2 2 2a r m 9 端软件设计 基于a r m 9 的部分，主要完成对图像数据的特定算法处理，文件操作等， 7 电子科技大学硕士学位论文 实现无p c 环境下的滴定检测。 2 2 2 。1a r m 9 软件结构 基于越r _ m 9 的软件架构由四个层次构成【3 】，具体的架构图如下图所示： 图2 - 2a p j v l 9 软件架构 摄像头采集被滴定溶液相关区域的图像，并将图像数据输入到d s p 内存空 间中。d s p 对图像数据进行平滑和滤波，把3 帧图像数据转换为一组颜色分量 ( r g b h s i ) ，并按照通信协议打包发送给a r m 。当接收到d s p 发送的图像数 据后，a r m 端软件按照实验选择的算法进行一系列公式解析计算和阈值判断， 并根据判断结果发送控制滴定泵和步进电机的命令到d s p ，实现滴定的实时控 制。该方式a r m 控制整个系统，适合开展便携式的粮食检测。 ( 1 ) 用户管理的安全性 a r m 软件架构如图2 2 所示。用户只有正确登陆帐户才能使用软件。所有 用户信息包括用户名称、密码和权限都保存在用户管理文件中。用户权限分为普 通用户和管理员两种。 用户密码采用信息摘要( m e s s a g e d i g e s t 5 ，m d s ) 算法进行加密。该算法采 样安全带子( s a f e - b d t s ) 技术，通过将用户密码字符串通过不可逆的变换产生唯 一的数字签名，被广泛应用于各种非绝密领域。 ( 2 ) 文件的生成和绑定 公共数据库用于保存编辑文件时需要的参数，用户操作完成后，公共数据 库会自动更新，加入新条目，下次操作时就可以作为默认选项而不必再次输入。 滴定方法使用的所有数据分别保存在项目文件和方法文件中，试验结果分 8 第二章多功能滴定仪系统 别保存在结果文件和数据文件中。为了解决文件模块的联系问题，特别设计了文 件绑定功能，即在项目文件中保存要使用的方法文件序号和结果文件序号。 2 2 2 2 编辑方法的设计和滴定方法的实现 ( 1 ) 可编辑通用滴定方法的设计 方法设计的核心思想是用机器操作模拟手工滴定，手工滴定的过程为加 液、振荡、判断是否达到终点、未达到则继续加液，若被滴定液体颜色变化迅速 则减慢加液速度，如此循环直到略微超过滴定终点，滴定结束。 机器模拟手工滴定方法的优点是可以精确记录每个采样点的颜色分量、实 验时刻和耗液体积，加液更均匀和稳定，缺点是因不具备实验员的先验知识。为 了解决这个问题，方法框架把方法细化为多个步骤，每个步骤使用一定范围的参 数，可以实现加液先快后慢，在滴定速度和精度之间达到很好的平衡。 ( 2 ) 滴定方法的实现 a ：a r m 9 与d s p 的通信 系统的所有外部设备如滴定泵、步进电机和打印机都由d s p 实际控制。 a r m 平台通过一个r s 2 3 2 串口与d s p 相连，a r m 通过该串口发送命令到d s p 来控制外部设备。 b ：软件示波器 软件的主界面集成了一个软件示波器，用户可以实时地观察实验过程，以 便在实验时加入试剂或停止异常的实验。实验开始时程序读入方法第一步参数， 当串口接收线程收到数据并正确解析后，进行阈值判断并产生响应，当判断到真 正的终点后实验结束并保存数据。 2 2 2 3 数据的保存和处理 由摄像头采集的每个采样点具有r 、g 、b 、h 、s 、i 六个颜色分量，再加 上采样点时刻和该时刻加入的标准滴定液体积，构成一个数据点，数据点以串行 方式顺序写入数据文件。 数据处理的一个重要功能是绘制曲线图。曲线x 轴宗量包括时间和体积， y 轴宗量包括颜色分量值、颜色分量对时间的一次导数或二次导数。分量值变化 迅速的点在导数曲线上会形成尖峰或低谷，容易判断终点位置。通过曲线图，用 户可以清楚的知道哪个分量在什么时刻变化最迅速，在研究方法时就可以设定检 测变化最快的分量，在接近终点的时刻把滴定速度设置得较小，以增加检测精度。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3p c 端软件设计 在p c 端采用l a b w i n d o w s 开发相应的软件，首先接收通过u s b 传输过 来的图像数据，然后完成控制，判断，文件操作等较为复杂的滴定过程。 2 2 3 1 系统工作基本流程 p c 端应用软件的工作流程是：系统上电后，d m 6 4 2 通过b o o f l o a d e r 加载程 序，并通过，2 c 接口对图像传感器o v 7 6 6 0 配置，确定输出模式，图像大小等， 同时完成e m i f 等接口的配置，采集第一帧图像，该帧图像数据不稳定，予以丢 弃，然后进入待机状态，d m 6 4 2 模块准备就绪。在p c 端打开用户应用程序自动 完成u s b 控制芯片固件的下载，u s b 模块准备就绪。开始试验时，用户通过应 用程序发送命令控制u s b 控制芯片的一个i o 引脚产生一个脉冲，d m 6 4 2 通过 外部中断检测到这个脉冲时，进入中断服务程序，采集一帧图像数据并完成数据 的平滑滤波处理，然后将所需数据写入u s b 控制芯片某个端点的f i f o 中，自动 传输至p c ，p c 主机显示该帧图像，并根据对数据的判断结果，发送控制搅拌电 机，注射泵等外设的控制命令，完成一次采集、判断、控制。如此循环反复，直 至满足结束条件，最终完成滴定过程的自动判断和控制。流程步骤如下图所示： d m 6 4 2 及u s b 芯片初始化 u s b i o 产生脉冲 d m 6 4 2 中断程序采 集并处理图像数 据，控制外设 u s b 芯片将数据传 至p c p c 显示图像，算法 处理 工 一 图2 3 系统软件工作流程图 1 0 否 第二章多功能滴定仪系统 系统功能的实现主要是通过d m 6 4 2 、u s b 控制器、p c 主机三个部分相互 配合来完成的。每一个部分都有各自的功能，同时又相互联系，所以它们之间的 各个接口及接口驱动函数就显得尤为重要。 2 2 3 2 主机应用程序设计与实现 应用程序是系统与用户的接口，它通过调用驱动程序完成对外设的控制和 与d m 6 4 2 之间的通信，从而为滴定算法提供实时的图像数据。 主机端的应用程序调用驱动程序负责向u s b 控制器的e p 2 的缓存中发送数 据，从e p 6 的缓存中接受数据，使用n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 开发应用程序【4 】。 在编写主机应用程序的时候，只需调用相应的w i n 3 2 a p i 函数c r e a t e f i l e ( ) 打开设备，返回设备的句柄，调用d e v i c e i o c o n t r o l0 函数向驱动程序提交各种 申请，就能有驱动程序来完成相应的读、写数据等各种功能。 u s b 控制器与d m 6 4 2 之间的数据交换是通过访问d m 6 4 2 的h p i 接口的相关 寄存器来实现的。首先初始化h p i c 确定字节排列顺序，然后初始化h p i a 确定要 访问的地址空间，最后访问h p i d 进行数据的读写。其中，h p i c 只需设置一次即 可。图2 - 4 为写操作的流程，图2 5 为读操作的流程。 图2 _ 4 写操作的流程图2 5 读操作流程图 对于写操作在主机端无需设置要写数据的个数，在固件中可以自动检测写 入数据的大小，并对g p i f 计数器进行赋值。而对于读操作无法预选获得读入数 据的个数，必须对计数器赋值。要顺利完成读操作必须要求事先知道数据在d s p 存储空间中的地址和大小。按照上述流程在p c 端编写固件程序及应用程序，就 可以完成d m 6 4 2 与p c 机之间的通信功能。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 3p c 端软件界面设计 采用n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 可以快速搭建软件界面，应用灵活和方便。 p c 端应用软件中的文件有四种类，用来存储相关信息。它们分别是项目文件、 方法文件、结果文件和数据文件。 项目文件主要记录了项目的基本信息。其包含的内容有时间、操作者、实 验重复次数，实验方法，单位等等。其中，在众多设置中，最重要的就是选择实 验方法。将项目文件和实验方法文件绑定，一个项目文件必须存在一个绑定的方 法文件。 实验方法文件包含了实验过程的基本判断信息和步骤，这些信息和步骤是 为了有效模拟人工滴定的过程，在每次实验开始时，都将方法文件读入，按照其 中的信息判断并控制滴定过程，直至实验达到终点。方法文件分为标准文件和用 户文件两种。标准文件是根据国家规定的标准滴定方法编写，作为模板使用，不 能修改。用户文件是根据模板生成的新的文件，可以修改其中的参数和实验步骤。 一个方法文件可以与多个项目文件对应。即如果要检测的内容相同，可以生成多 个项目文件，但都对应一种方法。 结果文件是记录实验结果数据，并计算出各种统计量的文件。结果文件与 项目文件一一对应，当项目中所有的实验都进行完毕时，进入结果界面，打开结 果文件。其中包含了各次实验消耗的滴定液体积以及根据公式计算出的最终结 果。滴定实验也是通过多次实验去平均的方法得到比较准确的实验结果。所以在 结果文件中还包含各种统计量：平均值，极限偏差，相对偏差，标准偏差，变异 系数。每个统计量都有各自的意义，用来衡量实验的优劣。结果实验中，最重要 的是可以编辑各种参数，修改公式，以适应各种实验的要求。编写通用的公式解 析函数可以识别任何四则混合运算的公式( 滴定实验的计算公式大部分都是四则 混合运算) 。为软件的扩展提供了必要地条件。 数据文件是记录实验原始数据的文件。其文件格式为t x t 格式。包含了实 验过程中r g b h s i 的值和消耗的溶液体积，以供分析实验需要。下图列出了项 目文件的界面： 1 2 第二章多功能滴定仪系统 目2 - 6 项目文件界面 在应用程序中还有打印及用户管理、登陆界面等，这里不在一一赘述。可 以看山一个实验的完成需要几个文件相互配合，还要设置众多的参数值。根据国 家标准实验方法，对一些参数设定的默认初始值，用户只需修改或添加很少一部 分基本参数即可。另外，将用户区分为高级用户和初级用户。高级用户可以编辑 修改各种方法中的参数或添加实验步骤，主要是针对经验丰富的实验员研究完善 实验之用。而初级用户主要针对不熟悉实验的操作者，_ ! _ 能完成实验，不能修改 其中的方法和步骤，以免对设备造成损害。 p c 主机端应用程序的开发采用n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 开发环境，它 所提供的拖放式的用户编辑器及自动代码生成工具和各种函数库，为软件的快速 开发提供了条件。同时在编写文件管理部分的代码时，调用了大量的w i n d o w s a p i 函数，如查找文件，创建文件夹，删除文件夹等等。 2 3 本章小结 本章针对多功能滴定仪在算法复杂度，功能实现方面以及实际应用中的速 度和成本，提出了基于d m 6 4 2 的多功能滴定系统。首先从整体上介绍了多功能滴 定仪器的系统架构，然后又详细地阐述了各个组成部分在系统中的功能，接着又 对该系统的各个模块分别做了进一步的探讨。该系统的难点在于以d m 6 4 2 芯片为 电子科技大学硕士学位论文 核心的主板的硬件电路设计及相应的驱动，算法的实现，这也是本文讨论的重点。 在下一章中将集中讨论d m 6 4 2 模块的详细设计。 1 4 第三章多功能滴定仪硬件设计 第三章多功能滴定仪硬件设计 3 1 核心处理芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 基于d s p 的多功能滴定仪不仅涉及到高速图像数据的采集，同时还会涉及 到图像数据的处理算法及通信接口的扩展，所以就需要一款高主频，并行运算能 力强，拥有视频接口，方便其它通信接口扩展的定点d s p 芯片，在低成本的情 况下方便地实现各种滴定功能，从而达到多功能滴定仪在性能上的设计要求。综 合考虑，选择了以t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片为核心来构建整个系统。 多功能滴定仪的滴定算法中的数据来源于被滴定溶液的图像数据，因此， d s p 能否将高速而稳定的图像数据准确传输到p c 端和a r m 端是多功能滴定仪 性能能否实现的关键。在设计以d m 6 4 2 为核心的主板时本章将重点关注以下几 点： ( 1 ) 视频口的设计 滴定算法对图像数据的实时性要求比较高，必须保证通过d s p 的视频口 能采集到高速而稳定的图像数据。 ( 2 ) 通信接口的设计 在采集到的图像数据缓存在d s p 内存空间中后，再进行相关的数据处理 后，必须保证设计的u s b 接口，r s 2 3 2 接口能实时而准确地将处理过后的数据 传输到p c 机和a r m 上，用于进行下一步的算法处理。 ( 3 ) 存储器空间的扩展： 通过d m 6 4 2 的片上e m i f 接口扩展存储器空间( s d 洲和f l a s h ) ，r a m 主要用于主板上电以后系统程序的运行及数据的存储；f l a s h 主要用于断电后 保存系统的应用程序，用于在主板上电后将该程序加载到删空间中。 3 2 前端数据采集及处理 多功能滴定仪要求图像传感器对滴定溶液的颜色反应敏感，同时也要有较 高的分辨率等其它要求，综合考虑，选择了o v 7 6 6 0 作为系统的图像传感器。 3 2 10 v 7 6 6 0 图像传感器 o v 7 6 6 0 是o m n i v i s i o n 公司生产的一款3 0 万像素的c m o s 传感器( 摄像 头) ，模拟和数字电压分别为2 5 v 和2 2 5 v 3 6 v 。图像输出类型有， 1 5 电子科技大学硕士学位论文 y c b c r 和r g b 等，在本文中，由于滴定算法是基于图像数据的r g b 分量，所 以选择的摄像头输出格式为r g b 模式。 该传感器拥有标准的s c c b 接口【5 1 ，和1 2 c 的协议相同，因此可以通过d s p 的1 2 c 总线对该摄像头进行配置。目前，s c c b 总线通信协议只支持1 0 0 k b s 或 4 0 0 k b s 的传输速度，同时支持两种地址访问模式： ( 1 ) 从设备地址( i da d d r e s s ，8 b i t ) 分为读地址和写地址，高7 位用于选中芯片，第0 位是读写控制位( w ) 。 特别需要注意的是，传感器d 的地址值，在d s p 的相关寄存器进行配置时，该 地址要向右移一位，去掉读写控制位，读写控制位由1 2 c 接口其它相关的寄存 器设置。 ( 2 )内部寄存器单元地址( s u ba d d r e s s ，8 b i t ) 用于选择对传感器内部的哪个寄存器进行访问，同时，s c c b 接口还支持 连续的寄存器单元的多字节顺序读写操作。 s dc s 的d n 洲讲咖鲫融蜘她耐咖m 。潮n 图3 - 1s c c b 总线传时序图嘲 图3 1 为s c c b 总线传输数据的时序图，s i oc 和s i od 分别为s c c b 总 线的时钟线和数据线。s i oc 、s i od 两条总线上电平的状态实现了s c c b 总线 的控制功能。 s c c b 总线实际工作的时候，采用三相( p h a s e ) 数据传输的方式。例如，在 写寄存器的过程中，p h a s e1 先发送传感器的d 地址( da d d r e s s ) ，接着p h a s e 2 发送目地寄存器地址( s u ba d d r e s s ) ，最后p h a s e3 发送要写入的数据( 、肼t e d a t a ) ，如图3 2 所示： 7 l 6l5 l 4l3 l 2 l 1 i 0ix ，lel 5 l ti3 l 2 l 1 l oix ，lol s i t i 3l2l ，lo i x 只赋1- k j 1 一 l 7 l 图3 - 2 三相写数据( 5 】 在d s p1 2 c 配置中，d 地址事先指定。在每次传输数据之前，1 2 c 接口会 1 6 第三章多功能滴定仪硬件设计 自动发出事先指定的d 地址，当得到传感器的正确响应后，1 2 c 接口才继续寄 存器地址和相关数据的发送。 另外，如果给摄像头连续的地址空间写数据，当写完一个寄存器后，传感 器会自动把寄存器地址加l ，而不需要输入新的地址，从而三相写数据转化成了 两相写数据，但是本系统中只需对有限个非连续寄存器进行配置，大部分寄存器 都采用默认的初始值，所以只对需要更改初始值的寄存器写数据。对于每一个需 更改的寄存器，都采用三相写数据的方法。 通过1 2 c 接口配