（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的分光光度计控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 紫外可见分光光度计有着较长的历史，其主要理论框架早已建立，制作技术 相对成熟。但构成紫外可见分光光度计的光、机、电、算等任何一方面的新技 术都可能再推动紫外可见分光光度计整体性能的进步。在追求准确、快速、可 靠的同时，小型化、智能化、在线化、网络化成为现代紫外可见分光光度计新的 增长点。 新仪器采用光栅为分光元件、以光电倍增管为探测器。光度测试采用先分 光技术，从光源辐射的复合光先经光栅分光后再由斩波器分光，最后由样品溶 液吸收，光电倍增管分时接收2 路光谱信号。控制部分采用a r m + l i n u x 操作系 统组成数据处理、显示、人机界面和单色光波长的选择控制系统，代替传统的 单片机。使用l c d 构成显示系统，用来显示数据处理结果和进行波长选择等功 能。单色器发射的单色光波长的选择是通过$ 3 c 2 4 1 0 驱动步进电机带动光栅转 动实现的。 根据分光光度计的光学特点，选用侧窗型c r l 3 1 - - 0 1 光电倍增管作为光电 检测器，光电倍增管的输出为电流信号，因此需要电流检测电路将电流信号转 换成电压信号，并使电压信号的范围落在后续a d 转换器的量程范围内，为了 保证测量的准确性和稳定性，在电流检测电路中新增加了自动增益电路、对数 运算电路，再由1 2 位a d 转换器a d s 7 8 1 6 组成的a d 转换电路转换为数字信 号，然后通过串行方式传送给s 3 c 2 4 1 0 ，进行后续的处理。 系统采用s m d 公司的双相混合式步进电机4 2 b y g 2 5 0 c ，为了提高光栅电 机的定位精度，驱动器选用s m d 的s h 0 2 0 4 ，细分度可选，最大可进行6 4 细 分。为了实现各个步进电机的初始定位，系统采用光耦开关作为位置检测。 采用终点法测量样品的浓度，得到样品溶液的吸光度值、标准溶液的吸光 度值。对杂散光、吸光度精度做测试，两项指标均达到设计要求。 研究的分光光度计响应波长范围2 0 0 9 0 0 n m ，适用于紫外可见光波长范围 的单色光测量液体光吸收度的场合，可广泛应用于化工、医疗仪器等领域。 关键词：嵌入式l i n u x 光栅；光电倍增管；步进电机 a b s t r a c t a b s t r a c t u v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e rh a sal o n g e rh i s t o r y , i t sm a i nt h e o r yf r a m eh a s a l r e a d yb e e ne s t a b l i s h e d ，t h e m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y i s r e l a t i v e l y m a t u r e h o w e v e r , t h eu v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e rc o n s i s to ft h el i g h t ，t h ee l e c t r i c i t y , c a l c u l a t e s a n ds o0 n a n yo n es i d eo ft h en e wt e c h n o l o g yi sp o s s i b l yt oi m p e lt h ep r o g r e s so f t h es p e c t r o p h o t o m e t e ro v e r a l lp e r f o r m a n c ea g a i n d u r i n gt h ep u r s u eo fa c c u r a t e 、f a s t 、 r e l i a b l e , t h em i n i a t u r i z a t i o n ，也ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n , o n l i n ea n dt h en e t w o r kt u r n si n t o t h en e w g r o w t hs p o to f t h em o d e mu v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e r i nt h e d e s i g n o fs p e c t r o p h o t o m e t e r , t h en o wd e s i g ni s p r o p o s e d ，t h e s p e c t r o p h o t o m e t e rw a sd e s i g n e dw i t hd i f f i a c t i o ng r a t i n g a ss p e c t r o s c o p ea n d p h o t o m u l t i p l i e ra sd e t e c t o r c o m p o s i t el i g h t , e m i t t e db yl i g h ts o r r c e , i si l l u m i n a t e d t og r a t i n gf i r s t l y , t h e nd i s p e r s i o no f l i g h tu s m gc h o p p e r ，f i n a l l ya b s o r b e db ys a m p l e r e s o l u t i o n p h o t o m u l t i p l i e rr e c e i v e d2b e a m so fl i g h ts i g n a lt i m e - s h a r i n g a r m + l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mr e p l a e e i n gt h et r a d i t i o n a lm i c r o c o m p u t e r ，b u i l d u pt h ed a t a d i s p o s a l ，d i s p l a y , m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o na n dm o n o c h r o m a t i cl i g h tw a v e l e n g t hs e l e c t s y s t e m t h el e dc o n s t i t u t ed i s p l a ys y s t e m , w h i c hi su s e dt od e m o n s t r a t et h er e s u l to f d a t ap r o c e s s i n ga n dc a r r i eo nt h es e l e c to fw a v e l e n g t hf u n c t i o ne t c s t e pm o t o r i m p e t u st h er o t a t i o no fd i f f r a c t i o ng r a t i n gt o c h o i c et h em o n o c h r o m a t i cl i g h t w a v e ，w h i c hi sl a u n c h e db yt h em o n o c h r o m a t o r 。 a c c o r d i n gt ot h es p e c t r o p h o t o m e t e rf e a t u r e ，t h en o wi n s t r u m e n ts e l e c t st h es i d e o n p h o t o m u l t i p l i e r c r l 3 1 - 0 1a st h e p h o t o d e t e c t o r t h eo u t p u ts i g n a l o f p h o t o m u l t i p l i e ri sac u r r e n ts i g n a l ，s ow e n e e dae t t r r e n td e t e c t i o nc i r c u i tt ot r a n s f o r m i ti n t oav o l t a g es i g n a l a n dt h ev o l t a g es i g n a lm u s tb ei nt h er i g h tr a n g ea c c o r d i n gt o t h ef o l l o wa dc o n v e r t e r i no r d e rt og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo ft h es u r v e ya n dt h e s t a b i l i t y , n e w l y i n c r e a s e d i nt h ee l e c t r i cc u r r e n te x a m i n a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t a u t o m a t i c a l l yi n c r e a s e dt h ee l e c t r i cc i r c u i t , t h el o g a r i t h ma r i t h m e t i cc i r c u i t t h e1 2 b i ta dc o n v e r t e rt h e nt r a n s f o r mt h ea n a l o gv o l t a g es i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l t h ea d c o n v e r t o rt r a n s m i t st h ed i 百t a ls i g n a lt ot h es 3 e 2 410b ys e r i a lm o d e a b s t r a c t t h es y s t e mu s e st w o p h a s eh y b r i d s t e p p i n gm o t o r4 2 b y g 2 5 0 co fs m d c o r p o r a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yg r a t i n gm o t o r , t h ed r i v e su s e t h es m d ss h 一0 2 0 4 ，t h eb r e a k d o w no ft h eo p t i o n s ，t h eb i g g e s t6 4c a i lb eb r o k e n d o w n b yt h ee n do fm e a s u r i n gt h ec o n c e n t r a t i o no fs a m p l e s ，s a m p l es o l u t i o nb yt h e a b s o r b a n c ev a l u e s ，t h es t a n d a r ds o l u t i o na b s o r b a n c cv a l u e s b yt h et e s to fs t r a yl i g h t a n da b s o r b a n c ea c c u r a c y , t h et w oi n d i c a t o r sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 1 1 l es p e c t r o p h o t o m e t e rd e v e l o p e di nt h i st o p i ch a sar e s p o n s ew a v e l e n g t hf r o m 2 0 0t o9 0 0 n m ，i tc a l lb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fc h e m i c a li n d u s t r y , m e d i c a l i n s t r u m e n t , e t cw h i c hu s eu l t r a v i o l e t - v i s i b l eh o m o g e n e o u sd o u b l el i g h tt om e 刮s u r e l i q u i da b s o r b a n c e k e yw o r d ：e m b e d d e dl i n u x ；d i f f r a c t i o ng r a t i n g ；p h o t o m u l t i p l i e r ；s t e p p i n gm o t o r i l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：物遑者 7 , o o 莎年f 月二z l z t舀牛f 月夕二 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年月日年 月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：杨遣夯 1 越年 月z2 - e l 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 本课题选题于北京市教委科技发展计划重点项目：“光机电一体化测量分 析仪器系列产品的数字化智能化技术一。由机电系统测控北京市重点实验室承 担技术研究，进行产、学、研结合，由北京光学仪器厂实现成果的产品化和产 业化。 1 2 紫外可见分光光度计国内外的发展状况 分光光度法在分析领域中的应用已经有数十年的历史，至今仍是应用最广 泛的分析方法之一。随着分光元器件及分光技术、检测器件与检测技术、大规 模集成制造技术等的发展，以及单片机、微处理器、计算机和d s p 技术的广泛应 用，分光光度计的性能指标不断提高，并向自动化、智能化、高速化和小型化等 方向发展。m 在分光元器件方面，经历了棱镜、机刻光栅和全息光栅的过程，商品化的全 息闪耀光栅已迅速取代一般刻划光栅。在仪器控制方面，随着单片机、微处理器 的出现以及软硬件技术的结合，从早期的人工控制进步到了自动控制。在显示、 记录与绘图方面，早期采用表头( 电位计) 指示、绘图仪绘图，后来用数字电压表 数字显示，如今更多地采用液晶屏幕或计算机屏幕显示。在检测器方面，早期使 用光电池、光电管，后来更普遍地使用光电倍增管甚至光电二极管阵列。阵列型 检测器和凹面光栅的联合应用，使仪器的测量速度发生了质的飞跃，且性能更加 稳定可靠，受到仪器用户的青睐，最具有代表性的当数安捷伦的h p 8 4 5 2 8 4 5 3 。【2 】 在仪器构型方面，从单光束发展为双光束，现在几乎所有高级分光光度计都 是双光束的，有些高精度的仪器采用双单色器，使得仪器在分辨率和杂散光等方 面的性能大大提高，如v a r i a n ( 瓦里安) 的c a r y l 3 4 0 0 。随着集成电路技术和光纤 技术的发展，联合采用小型凹面全息光栅和阵列探测器以及u s b 接口等新技术， 已经出现了一些携带方便、用途广泛的小型化甚至是掌上型的紫外可见分光光 第1 章引言 度计，如o c e a n o p t i c s ( 海洋光学) 的s 系列、u s b 2 0 0 0 及p c 2 0 0 0 。而光电子技术 和m e m s 技术的发展，使得有可能将分光元件和探测器集成在一块基片上，制作微 型分光光度计。我国重庆大学在微型多通道光谱仪方面开展了卓有成效的研究 工作，承担的国家自然科学基金项目“微型多道光谱分析系统集成化技术研究 已经通过了技术鉴定。随着发光二极管( l e d ) 光源技术及产业的日益成熟，以 l e d 为光源的小型便携又低廉的分光光度计已成为研究开发的热点。除了空间 色散的分光方式，也有人对声光调制滤光和傅立叶变换光谱在紫外可见区的应 用进行了研究。o - 5 1 仪器的软件功能可以极大地提升仪器的使用性能和价值，现代分光光度计 生产厂商都非常重视仪器配套软件的开发。除了仪器控制软件和通用数据分析 处理软件外，很多仪器针对不同行业应用开发了专用分析软件，给仪器使用者带 来了极大的便利。 目前，市场上的紫外可见分光光度计主要有两类：扫描光栅型和固定光栅 型。后者也常常被称为c c d ( p d a ) 光谱仪或多通道光度计。它们的主要构成：光 源、分光系统、探测器和软件系统，以及它们的整体设计，将分述如下( 这里不涉 及电子和控制系统) 。 ( 1 ) 光源紫外可见区的光源主要采用卤素钨灯和氘灯或氙灯。钨卤素灯 的工作波长范围为3 2 0 - - 2 5 0 0 n m ，氘灯的工作波长范围为1 8 0 - - 3 7 5 m ，两者组合 使用。氙灯是新颖的光源，发光效率高，强度大，而且光谱范围宽，包括紫外、可 见和近红外。扫描光栅型大多能在扫描过程中自动地完成光源切换动作，并自动 转换滤光片，以消除高级次谱的干扰。固定光栅型为了保持其高速测量的优点， 要避免光源切换，采用日本滨松光子学株式会社的专利产品s e e 2 t h r o u g h 型氘灯， 可以方便地将氘灯和钨灯固定地组合起来。 ( 2 ) 分光系统扫描光栅型的分光系统常称为单色仪，固定光栅型的分光 系统则接近摄谱仪。单色仪大多布置在样品室之前，固定光栅型则必须把分光系 统置于样品室之后。在紫外可见分光光度计的发展历史上，扫描光栅型出现过多 种光路设计，主要如单光束准双光束和双光束，还有双波长。单光束光路的漂移 是主要问题，但现在也可通过元器件性能的提高、制造工艺的进步和软件校正加 以改进。准双光束和真正双光束设计都是利用参比光路的补偿来减少漂移的影 响，结构更为复杂。为了进一步地提高分辨率或降低杂散光，还出现了双单色器 分光光度计，其杂散光等性能的确是单单色器分光光度计无法企及的，但其结构 2 第1 章引言 的复杂性和制造工艺的高要求也是显然的。 ( 3 ) 光栅光栅是分光系统的核心元件，有平面光栅和凹面光栅两种。在 制造工艺上，全息光栅已全面取代了刻划光栅。为了提高光能量的利用率，闪耀 光栅的使用也很普遍。对于平面光栅，全息技术的长处在于成品率更高，杂散光 更小，不产生伪线。而对凹面光栅来说，其迅速的发展几乎全部得益于全息技术 的应用。目前，凹面光栅已发展出四种类型。f 6 1 其中的型可用于扫描光栅型中。 因为兼具色散和聚焦两项功能，使用凹面光栅可以帮助简化扫描光栅型分光光 度计的结构。型常称为平场型，它能使凹面光栅的像面从通常的罗兰圆变成平 面，还可以同时实现消像散的设计。这对于固定光栅的光路不仅是必需的，也使 固定光栅型分光光度计的分光系统简约到了极致。 ( 4 ) 探测器探测器对分光光度计的设计和性能有着重要的影响。扫描光 栅型分光光度计使用的探测器主要为光电管、光电二极管和光电倍增管等。近 十几年来，随着阵列型光电器件技术的发展和应用促使全新结构和性能的固定 光栅型分光光度计的诞生，尤其使分光光度计的测量速度上了一个新的台阶。阵 列型光电探测器的典型代表是p d a 和c c d 这类探测器测量速度快，多通道同时曝 光，最短时间仅在毫秒量级，也可以累积光照，积分时间最长可达几十秒，可探测 微弱的信号，动态范围大。另外，由于固定光栅型分光光度计没有机械运动部件， 简化了结构，减小了体积，提高了工作的稳定性，使分光光度计能走出实验室，进 入工作现场，进行在线测量。 ( 5 ) 软件现代分光光度计的软件已不再只是用作数值运算的附属工具， 而是整台仪器的核心，渗透到分光光度计的各个层面。特别是那些使用通用p c 的分光光度计，用户的使用感觉与其说是一台实实在在的仪器，倒不如说是计算 机上的一个应用程序。仪器网络化的趋势将进一步加深这种印象。软件技术也 是分析仪器自动化、智能化的关键因素。软件的作用主要有控制、监测与校正、 光谱采集与处理、数据存储与分析等。分光光度计的测量波长或范围的设置、 光栅运动的驱动和控制、光源的自动切换、滤光片的自动选择、探测器的驱动、 a d 转换的同步、数据传输至计算机、数据写入内存、光谱或测量结果的显示， 所有这些功能对于使用者来说可能只是按下了一个按钮或点击了一次鼠标。软 件完成了所有的幕后工作。为了提高仪器的使用性能，在软件中包含了硬件的监 测和校正，如光源的输出功率、波长的准确性、杂散光水平、基线校正等。光谱 数据的处理和分析更是软件的特长。用户友好的视窗图形界面和菜单操作，光谱 3 第1 章引言 图和数据作为文件进行管理、存储和读取，光谱图可随意地移动、放大、缩小、 重叠，数据可以被平滑、求导、积分、进行函数运算，可以自动寻找峰值、浓度 分析、多组分分析，还可以有多种软件包，如核酸分析、蛋白质分析、动力学分 析、水质分析和环保分析等，用于各专业领域。 ( 6 ) 整机设计紫外可见分光光度计的整体结构设计可以分成两种。一种 是将所有的部件，包括光学系统、探测器、电子学系统、微机系统、显示设备等 都包含在一个机壳中。这种设计基本无需配置其它设备，可独立地完成分光光度 计的所有功能。为了给用户提供一个方便的操作界面，这些分光光度计大量采用 了液晶视频显示，有些还使用了触摸屏。而专业性强的光度计更是尽可能简化按 钮操作。不过，为了有利于数据交流及功能扩充，很多产品都备有r s 2 3 2 接口，可 以外接记录仪、计算机或与光谱数据站联结，完成仪器遥控、数据传输、外存、 记录等功能。配有打印机接口的也相当普遍。另一种的整体结构则是分散式的。 最常见的就是将计算机分离出来，使用通用p c 机，而其它部分仍布置在一个机壳 中。这种方式的长处在于可以充分利用通用p c 机的资源。它的操作系统大多采 用w i n d o w s 界面，不论风格还是使用习惯对于今天的用户来说都是很亲切的，大 大简化了仪器操作的培训。通过p c 机，分光光度计可以很容易地进行数据的交 流，不仅是在一个工作组中，还可以通过互联网。不仅是数据的访问，远程的设备 操作也是可以实现的。进一步，在分散式的基础上还有模块化的布置。这类设计 中，各个具备独立功能的系统或部件都可以分离出来，用光缆和电缆相互连接， 使用十分灵活。当然，这种可以看到的模块化只是一方面，更广泛的含义是模块 化的设计和制造思想。 此外，另一项重要的技术就是光纤，光纤使分光光度计的配置更灵活，使用 更方便，也是在线测量的实现基础。f 6 , 7 1 目前，我国的紫外可见分光光度计至少在以下三个方面存在比较明显的滞 后。一是高档的科学分析型产品。能够满足精密的科学研究和分析的很少，采用 双单色器，具有突出性能的国产分光光度计基本是空白。二是阵列探测器的应 用。我国的产品仍以扫描光栅型为主，采用阵列探测器的固定光栅型分光光度计 虽然已经起步，但进入市场的仍然罕见。三是光纤的使用。市场上以光纤探头取 代传统样品室的设计，或可选择外接光纤附件的国产紫外可见分光光度计十分 缺乏。 4 第1 章引言 1 3 课题的主要任务 课题的主要任务是实现紫外可见分光光度计控制与测量功能，根据紫外可 见光分光光度计的光学特点，采用光电倍增管作为光电检测器，经过放大电路、 对数运算电路和a d 转换电路将采集的数据信号送给$ 3 c 2 4 1 0 ，s 3 c 2 4 1 0 将数据 处理后计算得到的测量值，并送l c d 显示结果；单色光的波长选择由芯片 $ 3 c 2 4 1 0 根据用户键盘输入的数值，控制双相混合式步进电机转动光栅完成。整 机设计主要包括：光源的设计、电子学系统硬件设计、电子学系统软件设计等。 ( 1 ) 高压电源：为光电倍增管提供稳定的高压电源。光电倍增管需要稳定 的1 0 0 0 v 高压作为电源，普通的市电2 2 0 v 交流电虽然倍压整流后可以达到电压 要求，但是频率只有5 0 h z ，其稳定性远远达不到使用要求，因此，必须制作一 个可以提供稳定的高压的电源给光电倍增管供电； ( 2 ) 光电倍增管：课题选用光电倍增管作为光电检测器件，该部分主要负 责接收由单色仪分光后获得的各个波长分量的光谱能量等，通过电压或电流输 出传递给信号调理单元及数据采集单元； ( 3 ) 信号调理电路：光电倍增管阳极输出电流最大才能达到1 0 u a 左右， 要成功检测微弱的光电流，就必须设计合适的放大电路，将光电倍增管的输出 电流转变为电压，并经过放大，将其转化为a d 转换器工作范围内的电压值； ( 4 ) a d 转换：放大器输出的模拟电压信号不能被$ 3 c 2 4 1 0 直接识别，因 此要通过a d 转换器将模拟信号转换成数字信号，再传送给s 3 c 2 4 1 0 进行后续 处理； ( 5 ) 步进电机：该部分主要负责光栅电机、滤色片轮电机及反光镜电机的 初始定位、前进、后退、锁定等控制； ( 6 ) 键盘：键盘作为人机接口的一部分，实现用户控制指令的输入，完成 指令输入的功能，如：单色光波长的选择，吸光度结果的显示指令等等； ( 7 ) l c d 显示：人机接口的一部分，用来显示当前的指令状态以及显示分 光光度计的结果。 5 第2 章分光光度计介绍 第2 章分光光度计介绍 2 1 分光光度计简介 根据工作波段的不同，分光光度计可分为真空紫外分光光度计、可见分光 光度计，紫外可见分光光度计和紫外可见近红外分光光度计，其工作波段分别 为o 1 n m 一2 0 0 h m ，3 5 0 h m 一7 0 0 h m ，1 8 5 n m - 9 0 0 n m 和1 8 5 n m - 2 5 0 0 n m 。论文研究了 一种新型的紫外可见分光光度计，现以紫外可见分光光度计为例介绍分光光度计 的组成。 2 1 1 紫外可见分光光度计系统结构 紫外可见分光光度计就其基本结构来说，都是由光源、单色器、吸收池、 光电检测器和信号显示系统5 个部分组成，如图1 所示。光源发出的复合光经 单色器后，变为近似的单色光。此单色光通过吸收池时，被吸收池中盛放的样 品液吸收掉一部分，然后照在光电检测器上。光电检测器将照在它上面的光信 号的强弱转变为电信号的大小，最后由显示部分将测量结果显示出来。 s i 光 信显 光单吸电 号 一 不 色收 检 方系 源器池测 大统 器 图2 - 1 分光光度计框图 ( 1 ) 光源：光源的作用是供给符合要求的入射光。 分光光度计对光源的要求是：在使用波长范围内提供连续的光谱，光强足 够大，有良好的稳定性，使用寿命长。目前常用的光源有氘灯( 或氢灯) 及钨 灯( 或卤钨灯) 2 类，在紫外区( 2 0 0 3 8 0 n t o ) 使用氘灯( 或氢灯) ；在可见光 6 第2 章分光光度计介绍 区( 3 8 0 7 8 0 n m ) 则使用钨灯( 或卤钨灯) 。 ( 2 ) 单色器：单色器的作用是把光源发出的连续光谱分解成单色光，并能准 确方便地“取出 所需要的某一波长的光，它是分光光度计的心脏部分。单色 器主要由狭缝、色散元件和透镜系统组成。其中色散元件是关键部件，通常采 用的是棱镜、平面光栅、凹面光栅、全息光栅等与滤色片组合，它们能将连续 光谱色散成单色光。狭缝和透镜系统主要是用来控制光的方向，调节光的强度 和“取出所需要的单色光；狭缝对单色器的分辨率起重要作用，它对单色光 的纯度在一定范围内起着调节作用。为了实现单色光的连续可调，一般采用步 进电机带动丝杆，或采用高倍细分的电机直接驱动单色器，如正弦机构、余弦 机构等。 ( 3 ) 吸收池：吸收池是装盛被分析溶液的容器，其形状通常为长方形和试 管型2 种。吸收池的材料视使用在不同光谱区而异，在可见光区使用玻璃吸收 池，在紫外光区使用石英吸收池。若跨2 个光区则使用石英吸收池。 ( 4 ) 光电检测器：光电检测器主要是由光电转换器件和信号放大器组成。 光电转换器件的功能是将光谱线的光信号转变为电信号，以便信号放大器对其 进行放大、转换、处理、伺服控制等工作。紫外可见光分光光度计常用的光电 转换器件有光电管、光电二极管和光电倍增管。 ( 5 ) 信号显示系统：紫外可见光分光光度计一般多采用数字显示、自动记 录仪、c r t 显示、打印输出等。许多紫外可见光分光光度计内置微型计算机， 除对仪器进行操作控制外，还可进行数据处理等工作。 2 1 2 紫外可见分光光度计类型 紫外可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光 度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。 ( 1 ) 单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸 光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于 常规分析。 ( 2 ) 双光束分光光度计 经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两柬光，一束通过参比池，一 7 第2 章分光光度计介绍 束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比， 经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光分别通过 参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化引起的误差。 ( 3 ) 双波长分光光度计 由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波 长( k l 和k 2 ) 的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收 池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的 吸光度差值a ( aa - 从1 - 从2 ) 。对于多组分混合物、混浊试样( 如生物组织 液) 分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光 光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得 导数光谱。 通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方 式。如果能在九1 和尥处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反 应动力学研究。 课题主要是对双光束紫外可见分光光度计进行了结构设计。下面光学部分 的工作原理和结构主要讲双光束分光光度计。 2 1 3 双光束分光光度计的工作原理和结构 双光束分光光度计工作原理如图2 2 所示。从光源中发出的光经过单色器后 被一个旋转的扇形反射镜( 即切光器) 分为强度相等的两束光，分别通过参比 溶液和样品溶液。利用另一个与前一个切光器同步的切光器，使两束光在不同 时间交替地照在同一个检测器上，通过一个同步信号发生器对来自两个光束的 信号加以比较，并将两信号的比值经对数变换后转换为相应的吸光度值。 双光束仪器克服了单光束仪器由于光源不稳引起的误差，并且可以方便地 对全波段进行扫描。 第2 章分光光度计介绍 图2 2 双光束分光光度计工作原理图 2 2 光电倍增管介绍 今天使用的光电器件中，光电倍增管( p m t ) 是一种具有极高灵敏度和超 快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增管如图2 3 所示，在真空管中，包括 光电发射阴极( 光阴极) 和聚焦电极、电子倍增极和电子收集极( 阳极) 的器 件。【9 1 聚焦极 图2 - 3 光电倍增管剖面图 当光照射光阴极，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电 场进入倍增系统，通过进一步的二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极 9 第2 章分光光度计介绍 收集作为信号输出。因为采用了二次发射倍增系统，光电倍增管在可以探测到 紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高的灵敏度和极低 的噪声。光电倍增管还有快速响应、低本底、大面积阴极等特点。 光电倍增管一般分为端窗型和侧窗型两种。端窗型( h e a d o n ) 和侧窗型 ( s i d e o n ) 结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗型的光电倍增管，从玻璃 壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通 常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定 方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极( 反射式 光阴极) 和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高 的灵敏度。端窗型( 也称作顶窗型) 光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了 半透明光阴极( 透过式光阴极) ，使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍 增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光 电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球 形光窗的光电倍增管。 2 3 嵌入式系统软件发展趋势 从2 0 世纪6 0 年代嵌入式系统的出现和兴起，经过几十年的发展，嵌入式 系统的应用领域不断扩大，人们对嵌入式应用的需求越来越高，这使得嵌入式 软件变得越来越复杂。为了满足应用需求，增强系统的处理能力，4 位、8 位、 1 6 位嵌入式微处理器也逐步让位于3 2 位嵌入式微处理器。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统中的核心，是系统功能的外在体现，它控 制着整个系统的所有资源并为嵌入式应用程序的开发提供了丰富的应用编程接 口泔d ，并在跨平台交叉开发工具的支持下，简化了嵌入式应用程序设计，保 障了软件的质量和缩短了开发周期。在提高嵌入式系统的可靠性、安全性、可 扩展性、功能性、灵活性和可管理性上，嵌入式操作系统都是嵌入式系统中不 可或缺的系统软件。因此，嵌入式操作系统在嵌入式软件中的作用越来越大， 所占的比例越来越高，从最初的1 0 左右，到9 0 年代初期的3 0 左右，9 0 年代 中期的6 0 左右，直到现今的8 0 以上。可以预见，嵌入式系统在应用领域的 不断深化、高性能嵌入式微处理器的应用越来越广泛及s o c 功能越来越强、越 来越复杂的发展趋势下，嵌入式操作系统在嵌入式系统中的作用也必将变得越 1 0 第2 章分光光度计介绍 来越重要。因此，研究嵌入式操作系统各方面的技术是非常有意义的。 与常见的嵌入式操作系统如v x w o r k s ，q n x , w m d o w sc e ，p a l mo s 等相比， 嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大且易于移植而正在被广泛采用，成 为新兴的力量，越来越多的企业和科研机构已经把目光转向了嵌入式l i n u x 的开 发和应用上。归纳而言，嵌入式l i n u x 至少具有以下优势【1 0 1 3 l l i n u x 是自由的操作系统，它的开放源码使用户获得了最大的自由度，l i n u x 上的软件资源十分丰富，每一种通用程序在l i n u x 上都可以找到； l i n u x 的多任务内核非常稳定，它的高效和稳定性已经在各个领域， 尤其在网络服务器领域，得到了事实的验证。l i n u x 内核小巧灵活，易于裁 剪，这使得它很适合嵌入式系统的应用； l i n u x 支持多种体系结构，如x 8 6 ，a r m ，m i p s ，a l p h s p a r c 等， 目前，l i n u x 已经被移植到数十种硬件平台上，几乎支持所有流行的c p u ； l i n u x 自产生之日起就与网络密不可分，具有非常高效强大的网络功 能，支持各种流行的网络协议，网络是l i n u x 的强项； l i n u x 支持大量的外围硬件设备，内核绝大部分代码都是关于设备驱 动的，它们支持各种主流硬件设备和最新硬件技术； l i n u x 支持多种文件和图形系统，具有良好的兼容性及友好的用户界 面； l i n u x 有着非常优秀的完整开发工具链，g n u 开发工具系列一直为 人称道，有十几种集成开发环境，其中很多是免费的，大大降低了开发费用： l i n u x 的自由精神吸引了成千上万的程序员投入到l i n u x 的开发和测 试中来，有着丰富完整的文档及得到软件开发者的广泛支持。 l i n u x 从1 9 9 1 年问世到现在的短短十几年时间内，已经发展成为功能强大、 设计完善的操作系统之一，可以与各种传统的商业操作系统媲美。同时，由于 l i n u x 自身所具有的优秀特性，及越来越多的科研机构、厂商的不断推动，使得 其在新兴的嵌入式系统领域内也获得了飞速发展。目前正在开发的嵌入式系统 中，4 9 的项目选择了l i n u x 作为嵌入式操作系统。所以，研究和分析嵌入式 l i n u x 操作系统理论和应用，开发相关的嵌入式l i n u x 系统和应用软件，具有重 大的意义。o o - 1 2 第3 章构建嵌入式l i n u x 系统 第3 章构建嵌入式lif l u x 系统 一个小型的嵌入式l i n u x 系统需要具备3 个基本元素：引导工具、l i n u x 微 内核( 包括内存管理、进程管理和事务处理构成) 及初始化进程。若想它做些 什么且继续保持小型化，还须具备硬件驱动程序，提供所需功能的一个或者多 个应用程序。若再增加功能，可能就需要一个文件系统、t c p i p 网络协议栈及 一个磁盘等。通过搭建新型紫外可见分光光度计开发平台，论述构造一个嵌入 式l i n u x 系统所要涉及的几个关键的问题。 3 1 构建嵌入式l f l u x 系统的关键问题 1 如何引导 当一个微处理器第一次启动的时候，它开始在预先设置的地址上执行指令。 通常在那里有一些只读内存，包括初始化或引导代码。在p c 上，这是b i o s 。 b i o s 首先执行一些低水平的c p u 初始化和其他硬件的配置。b i o s 继续辨认哪 个磁盘里有操作系统，把操作系统复制到r a m 并且转向它。实际上，这非常复 杂，但是对我们的目标来说也非常重要。在p c 上运行的l i n u x 依靠p c 的b i o s 来提供这些配置和b i o s 加载功能。 在一个嵌入式系统里通常没有b i o s 。这样就要提供同等功能的启动代码， 幸运的是，嵌入式系统并不需要p cb i o s 引导程序那么灵活，因为它通常只需 要处理一个硬件的配置。这个代码是一个指令清单，把固定的数值设置到硬件 寄存器中去，这些数值要与硬件相符而且要按照特定的顺序进程。这些代码完 全根据硬件而制定，不可以随意改动。许多系统都有为核心微处理器和内存所 制定的菜单式硬件设计。典型的是，芯片制造商有一个样本主板，可以用来作 为设计的参考一或多或少与新设计相同。通常这些菜单式设计的启动代码是可 以获得的，它可以根据需要轻易的修改。但是在多数情况下，启动代码需要重 新编写。 为了测试这些代码，可以使用一个包含“模拟内存 的电路内置模拟器， 它可以代替目标内存。把代码装到模拟器上并通过模拟器调试。如果这样不行 1 2 第3 章构建嵌入式l i n u x 系统 则可以跳过这一步，但是这样就需要一个更长的调试周期。 这个代码最终要在较为稳定的内存上运行，通常是f l a s h 芯片。编译成映像 的代码通过j t a g 烧进f l a s h 芯片中。 2 是否需要虚拟内存 标准l i n u x 采用虚拟内存技术来管理内存，其优点是提供了比计算机系统实 际物理内存大得多的内存空间。这样编程人员在编程的时候，无须考虑计算机 中物理内存的实际容量。当然它也存在缺点，虚拟内存管理需要通过内存管理 单元m m u 将虚拟地址转换为物理地址，其中的地址转换表和其他一些数据结 构占据了内存空间，地址转换也增加了指令的执行时间。 因此m m u 是制约系统的实时性的一个因素，所以对实时有要求的系统里 面是不用m m u 功能的。 3 文件系统的选择 许多嵌入式系统没有磁盘或者文件系统。l i n u x 不需要他们也能运行。在这 种情况下，应用程序任务可以和内核一起编写，并且在引导的时候作为一个映 像加载。对于简单的系统来说，这就够了。然而，它缺乏灵活性。 在嵌入式系统环境中一般采用r o m f s 或者r a m d i s k 文件系统。这两种文 件系统都是将r a m 的一部分( r o m f s 也可以采用r o m 映射) 映射为磁盘存 储设备所实现的比较简单的文件系统。其中r o m g s 属于只读文件系统，因此 它的结构非常紧凑，很节省存储空间。 也可以采用f l a s h 专用的文件系统j f f s 2 。f l a s h 被分割成块。这些块中也许 包括一个含有当前c p u 启动时运行的引导代码，剩余的f l a s h 可以用作文件系 统。 4 嵌入式l i f l u x 的实时性 实时系统并非是指快速的系统，。实时 是指在固定的时间内能够传递正确 的结果。尽管大多数嵌入式系统并不要求实时功能，但是嵌入式系统往往被划 分为实时系统。通用l i n u x 是个通用的操作，2 4 版的l i n u x 是不可抢占式的 内核，因此实时性比较差，但是可以通过一些方法给基于l i n u x 的系统加上实时 特性。其中最常用的办法就是双内核相结合，把一个实时内核嵌入到l i n u x 通用 操作系统中，这样通用操作系统作为一个任务运行在一个实时内核上。通用 第3 章构建嵌入式l i n u x 系统 l i n u x 内核对一般事务进行处理，而实时内核对有实时要求的事务进行处理。0 4 1 当然在分光光度计中一个内核已经满足实时的需要。