（光学工程专业论文）基于嵌入式系统的激光粒度仪一体化研究.pdf

摘要 激光粒度测试仪是在固定波长下，通过探测粒子场在前向某个小角度范围内 的相对散射光能而得到粒子的尺寸分布信息的仪器。传统激光粒度仪一般外接一 台通用p c 机，并通过电缆或光缆传输数据至p c 机进行处理。这种长距离的数 据传输受噪声干扰大，影响了测量精度。本课题采用嵌入式系统技术取代传统的 外挂计算机，设计新型嵌入式的激光粒度测试仪，提高仪器的抗干扰性与测量精 度。 本文主要完成以下工作： 1 完成一体化激光粒度仪的总体设计，分别设计了光路系统、信号接收与数据 采集系统、嵌入式数据处理系统。 2 编制数据采集系统与处理系统软件，包括实现数据处理、显示、存储以及参 数设置等功能的应用层程序，支持粒子散射信号采集与传输的硬件驱动程 序，并且定制w i n d o w sx pe m b e d d e d 操作系统、生成系统映像并移植。 3 用新研制的嵌入式数据采集与处理系统对三种标准粒子进行了测试实验，实 验结果验证了所研制系统的有效性。 关键词：激光粒度仪，一体化、嵌入式系统，x pe m b e d d e d a bs t r a c t n el a s e rp a r t i c l es i z e rh a st h ec a p a c i t yt oo b t a i nt h ei n f o r m a t i o no fp a r t i c l e s i z e 锄dd i s t r i b u t i o nb yd e t e c t i n gt h er e l a t i v ee n e r g ys c a t t e r e db yt h ep a r t i c l e s ，w i t ht h e f i x e dw a v e l e n g t h t h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n tu s u a l l yh a sa l le x t e r n a lc o m p u t e rw h i c h r e c e i v e st h ed a t ab yt h ec a b l e t h ed a t at r a n s m i s s i o no fl o n gd i s t a n c ei sv e r ye a s i l y d i s m r b e d w h i c hr e d u c e st h ep r e c i s i o no ft h ei n s t r u m e n t t oi m p r o v et h ep r e c t s l o n ， t h i sp a p e rd e v e l o p san e wt y p eo fi n t e g r a t e dl a s e rp a r t i c l es i z e r , w h i c hm a k e s u s eo f e m b e d d e dt e c h n o l o g yi n s t e a do fe x t e r n a lc o m p u t e r t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 d e s i g n i n gt h ei n s i d es t r u c t u r eo f t h ef l e w d e s i g n e dt h r e es y s t e m ，s u c h a so p t i c a ls y s t e m 、 p r o c e s s i n gs y s t e m 2 c o m p i l i n gt h es o f t w a r eo f d a t ac o l l e c t i o n t y p eo fl a s e rp a r t i c l ea n a l y z e ra n d d a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n dd a t a s y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e m w h i c hi n c l u d et h r e ep a r t s ：t h ep r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n gs o f t w a r ew h i c hh a sm a n y f u n c t i o n s s u c ha sd a t ac o l l e c t i o n ，c a l c u l a t i o n ，d i s p l a y ，m e m o r ya n ds oo n ；t h e d r i v e r w h i c hs u p p o r t st h eu s bd e v i c ea n dt h ed i s p l a y ；a n d t h es y s t e ms o f t w a r eo ft h e w i n d o w sx pe m b e d d e da c c o r d i n gt ot h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t ，a n dt h es y s t e mi m a g e t ob et r a n s p l a n t e d 3 p e r f b 肿i n ge x p e r i m e n t sw i t ht h en e wl a s e rp a r t i c l es i z e rt o t e s tt h et h r e e s t a n d a r dp a r t i c l e sw i t hs a t i s f i e dr e s u l t se a r n e d k e yw o r d s ：l a s e rp a r t i c l es i z e r , e m b e d d e d s y s t e m ，x pe m b e d d e d ， i n t e g r a t e di n s t r u m e n t 2 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基盗苤堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：功涵翠 签字同期： 加j 7 年弓月j 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： i 勿泊孚导师虢莴嘭吟 签字日期：加刀7 年) 月f r 签字同期：沙叼年；月f r 第一章绪论 1 1 嵌入式系统概述 第一章绪论 随着电子技术与计算机技术的发展，嵌入式系统作为一项新兴的技术，已经 全面渗透到日常生活的每一个角落，对于每个人来说，需要的已经不仅仅是那种 放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的“机器”，任何人都可能拥有大 小不一，形状各异，包含了嵌入式技术的电子产品。例如，小到m p 3 、个人数字 助理等微型数字产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备等，凡是手持式 或一体化的产品都属于嵌入式技术产品。 嵌入式系统是继l t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系统以 其体积小，功能强，功耗低，可靠性高以及面向应用等突出特性，己经广泛应用 于经济和社会发展的各个领域。目前，各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数 量上已经远远超过了通用计算机，在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的检测 仪表、数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人正在逐渐改变着传统的工 业生产和服务方式i z j 。 嵌入式系统的主要作用是实时控制、监视、管理移动计算机、数据处理等， 或者辅助其它设备运转，完成各种自动化处理的任务。嵌入式系统以应用为中心， 以半导体技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同 性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。 基于不同处理器的嵌入式系统应用于各种场合，特别是在测试仪器方面，由于嵌 入式系统的应用使得测试仪器发展越来越向小型化、集成化、网络化发展【3 】。 1 1 1 嵌入式系统的定义 广义上讲，嵌入式系统是一个有特定功能或用途的计算机软硬件的集合体， 可分为硬件与软件两部分。硬件包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件或应用程序编程，有时需要把 这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着 应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式 系统发展的最高形式是片上系统( s y s t e mo nc h i p ，简称s o c ) ，是软硬件技术的 集成的最高体现。 第一章绪论 狭义的嵌入式系统则仅指装入另一设备并控制设备的专用计算机系统，包括 目标机与宿主机两部分；其中目标机是一种功能单一、处于从属地位的计算机系 统。嵌入式系统的最大特点是其目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设 计都有其特殊的应用场合与特定的功能，这也是嵌入式系统与通用的计算机系统 最主要的区别。另外，嵌入式技术很容易实现实时性。由于嵌入式系统是为特定 的目的而设计，且常常受到空间、成本、存储、带宽等限制，因此它必须最大限 度地在硬件上和软件上“量身定做”以提高效率，这样的结果最终可以实现实时 性增强。以上的特点一般会带来缩短开发周期、降低成本等好处。 根据国际电气和电子工程师协会的定义，嵌入式系统是以应用为中心，软硬 件可裁减的，适应于系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等综合性能严格要 求的专用计算机系统，它是集应用软件与硬件于一体的系统。 1 1 2 嵌入式系统的应用 嵌入式系统以应用为中心，强调体积和功能的可裁减性，是以完成控制、监 视等功能为目标的专用系统。在嵌入式应用系统中，系统执行任务的软硬件都嵌 入在实际的设备环境中，通过专门的i o 接口与外界交换信息。 嵌入式系统主要用于各种信号处理与控制，目前已在国防、国民经济及社会 生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及各个家庭等各种场 所。目前，嵌入式系统应用最热门的有以下几个方面1 1 。2 】： 1 个人数字助理，i i p p d a 。目前市面上己经出现基于l i n u x 的p d a ，它具有 网络、多媒体等强大功能。康柏公司的i p a q 掌上电脑一般都预装p o c k e t p c 操作 系统。i p a q 采用i n t e i 公司的s t r o n g a r m 处理器，尽管这种处理器支持l i n u x 系统， 但其问世时却是使用m i c r o s o f t 公司的p o c k e tp c 操作系统。现在p d a 手机己成 为新的热点。 2 机顶盒s t b 。所谓机顶盒s t b ，表面上理解，只是放在电视机上的盒子， 却能提供通过电视机直接上网的功能，但是它更吸引人的地方在于简单易用，是 专为那些不很了解电脑的人设计的。现今，用户端机顶盒的趋势是朝微型电脑发 展，即逐渐继承电视和电脑的功能，成为一个多功能服务的工作平台，用户通过 此设备即可实现交互数字电视、数字广播、i n t e m e t 访问、远程教学、会议电视、 电子商务等多媒体信息服务。 3 i p 电话。i p 电话把电话网和i n t e r n e t 结合成一个功能强大的通信网络，它在 物理网络上实时传输被压缩的语音信息。i p 电话的出现，使得语音通信方便与网 络价格低廉的特性很好的结合起来，因而具有良好的应用前景。i p 电话以数字形 式作为传输媒体，占用资源小，所以成本很低，价格便宜。 第一章绪论 4 工业控制。在工业控制领域，嵌入式产品因其灵活的定制性成为工业装 备制造的选择之一。目前工业控制领域正在使用新兴电子技术来改造传统工业生 产，涵盖面涉及纺织、包装、印刷、机床，仪器仪表等等。对于嵌入式系统未来 的发展方向，有人提出这样的建议：首先建立与工业应用相关的可重用构件库。 例如针对数控机床领域，初步建立一些数控机床通用的构件等等，先在数控机床 技术达到重复利用。第二步，逐步提取跨领域通用的构件库，进一步提高嵌入式 软件的复用性。 1 1 3 嵌入式操作系统 在嵌入式系统发展的初期，还没有出现操作系统的概念，大部分功能是汇编 语言来实现的。由于这些汇编程序只能用于某一种特定的处理器，所以这种嵌入 式系统的兼容性、通用性和可扩展性都很差。这些应用程序需要完全控制c p u 和 硬件，这对开发人员提出了很高的要求，同时这些应用程序的依赖性很强，硬件 的一点点变化都使得软件需要进行相应改动。c 语言的出现促进了嵌入式操作系 统的开发。所以，自从2 0 世纪8 0 年代开始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系 统，逐步形成了百家争鸣的局面，较为流行的有v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 等， 特别是至j j 2 0 世纪9 0 年代，几个重要的操作系统相继开发成功，如p a l mo s 、l i n u x 、 w i n d o w sc e n e t ，以及最近微软公司推出的w i n d o w sx pe m b e d d e d i 引。 嵌入式实时操作系统，简称r t o s ，是一种实时的、支持嵌入式系统应用的 操作软件，它是嵌入式系统的极为重要的组成部分；它通常包括与硬件相关的底 层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通讯协议、图形界面、标准化浏览器 b r o w s e r 等【4 】o 这里注意区分两个概念：嵌入式系统和嵌入式操作系统。嵌入式操作系统是 一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统的重要组成部分。它 与通用操作系统具有相似的功能，但又有所不同。相同点是能够有效管理复杂的 系统资源，完成进程管理、处理器调度、存储管理、设备管理、中断处理等操作 系统任务。不同点是，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件相关依赖性、软件固 态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统发展经历三个比较明显阶段，即从无操作 系统的嵌入算法到简单监控式的实时操作系统，到通用的嵌入式实时操作系统； 面向i n t e r n e t 的、应用特制的嵌入式操作系统目前正是实时嵌入式操作系统发展的 一个主要趋势。嵌入式操作系统发展主要有三个阶段【5 】： 第一阶段是以可编程控制器的形式、以单芯片为核心的嵌入式系统，同时具 有与一些检测、伺服、指示设备相配合功能。这种系统大部分应用于一些专业性 第一章绪论 极强的工业控制系统中，一般没有明显称为操作系统的支持，而是通过汇编语言 编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统特点主要有：系 统结构和功能都相对单一，针对性强，但无操作系统支持，几乎没有用户接口。 第二阶段是嵌入式处理器，以简单监控式操作系统为核心的嵌入式系统。这 一阶段系统的特点是：处理器种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高； 操作系统繁多，通用性比较弱；系统一般配备系统仿真器具有一定的兼容性和扩 展性；操作系统的用户界面不够友好，其主要用来控制系统负载以及监控应用程 序的运行。 第三个阶段是以通用型嵌入式实时操作系统为标志的嵌入式系统。例如 v x w o r k s ，p s o s ，w i n d o w sc e ，o s 9 就是这一阶段的典型代表。这一阶段系统的特 点是：嵌入式操作系统运行于各种不同类型强大的微处理器上；具有强大通用型 操作系统功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形 窗口以及用户界面等功能；具有大量的丰富的应用程序接口，嵌入式应用软件丰 富。伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，一个以面向i n t e r n e t 网络的、应用 特制的嵌入式操作系统。成为一个日益引起人们重视的、极为重要的发展方向。 嵌入式系统与i n t e r n e t 的真正结合，以及嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代 表着嵌入式操作系统发展的真正未来。 1 2 粒度测试的相关概念 1 2 1 颗粒粒径 一、单一颗粒的粒径 颗粒的大小用其在空间范围所占的线性尺寸表示。球形颗粒的直径就是其 粒径。对于非球形颗粒，其粒径的常用定义有以下几种表示方法： 筛分粒径：由筛分所测得的颗粒尺寸； 球当量径：实际颗粒与球形颗粒的某种性质相类比所得到的粒径，如体积球 当量径，等表面积球当量径，s t o k e s 径； 圆当量径：颗粒的投影图与圆的某种性质相类比所得到的粒径； 定向径：显微镜下平行于一定方向测得的颗粒尺寸，如f e r e t 径，m a r t i n 径。 二、颗粒群的平均粒径 颗粒群的平均粒径通常用统计的方法来计算。假定颗粒群按粒径大小可分 为若干粒级，其中第i 级的粒径为z ，颗粒数为n ，则平均粒径可用统一公式表 示如下： 4 第一章绪论 屯_ ( 矧焉 式中m 和n 为表征不同平均直径的特征数，不同平均粒径表示如下： 算术平均粒径：( 即m = l ，n = 0 ) “= 謦 表面积平均粒径( s a u t e r 平均粒径) ：( 1 l u m = 3 ，n = 2 ) 蜘群 一d d 1 4 4 3 2 旖一 三、粒径分布 粒径分布用相对百分率曲线( 频率曲线) 及累积百分率曲线来表示。分布的跨 度( 径距) ，描述了分布的宽度。分布越窄，范围越小。此外，粒径分布也可用特 性函数来表示，如对数正态分布函数、r o s i n r a m m l e r 分布函数( 俗称r r 分布) 例。 1 2 2 颗粒测量的方法 颗粒度分析的方法已有很多，现已研制并生产了2 0 0 多种基于各种工作原理 的分析测量装置，并且不断有新的颗粒粒度测量方法和测量仪器研究成功。虽然 粒度分析的方法多种多样，基本上可归纳为几大类。传统的颗粒测量方法有筛分 法、显微镜法、沉降法、电感应法等，近年来发展的方法有激光衍射法、激光散 射法，光子相干光谱法、电子显微镜图像分析法、基于颗粒布朗运动的粒度测量 法及质谱法等。其中基于光散射法的激光粒度仪和光子相干光谱法由于具有速度 快、测量范围广、数据可靠、重复性好、自动化程度高、便于在线测量等优点而 被广泛采用。下面简单介绍常用的几种粒度测量方法： 一、筛分法 筛分法【3 1 是一种最原始最简单的方法。它是将某一类型的颗粒依次通过一组 筛孔大小分为若干等级的套筛，从而使颗粒分为若干级。这种方法价格相对便宜， 但测量精度不是很高，它还要求粉体具有较好的流动性及分散性。而且筛分时间 转长、效率低。 二、显微镜观察法 第一章绪论 它是少数可以观察和测量单个粒子的方法之一，由于是直接观察，因此测量 结果准确可靠，常用来校准或比较其他测量方法的结果。一般光学显微镜的测量 范围为0 8 - 15 0 p 皿，而电子显微镜( 包括透射电子显微镜和扫描电子显微镜) 其测 量范围可达0 0 0 1 - - - 5 “m t 3 1 。近年来采用综合性图像分析系统可以快速而准确地完 成显微镜法中的测量和分析统计工作，综合性的图像分析系统可对颗粒粒度进行 自动测量并自动分析统计。显微镜对被测颗粒进行成像，然后通过计算机图像处 理技术完成颗粒粒度的测定。图像分析技术因其测量的随机性、统计性和直观性 被公认为是测定结果与实际粒度分布吻合最好的测试技术。其优点是可以直接观 察粒子形状，可以直接观察粒子是否团聚。缺点是取样的代表性差，实验结果的 重复性差，测量投影面积直径，速度慢。 三、沉降法 它是将粒子分散到适当的分散剂中，从粒子的沉淀速度测定粒径，其理论依 据是著名的s t o k e s 公式，使用时，必须要知道被测颗粒的密度及沉降液的密度和 粘度。因原理简单，测量结果准确而应用广泛，由于借助离心沉降的微粒试样多， 故利用非接触的光透过法的装置也日益增多，利用平衡器测定沉降过程的装置也 应运而生1 4 。沉降法的优点是测量重量分布，代表性强，测试结果与仪器的对比 性好，价格比较便宜。缺点是对于小粒子的测试速度慢，重复性差；对非球形粒 子的误差大，不适合于混合物料，动态范围比激光衍射法窄。 四、光学法 光学法有光散射法和多普勒效应法等。 利用多普勒效应的方法：利用来自运动粒子的散射光的多普勒频移来测量粒 子运动速度，由于多普勒信号的可见度是粒子尺寸的函数，因此，此项光学测 量技术可以用于测量粒子的尺寸【4 l 。 基于光散射法的激光粒度测试仪综合光、机、电、计算机等技术于一体，能 准确测量微小颗粒粒子场的尺寸分布，在国内外得到了广泛的应用，并在粒度测 试领域占据了主导地位，逐步取代了传统的常规测量方法，成为新一代的粒度测 量仪器。其原理是当用一束平行光照射具有一定粒度分布的颗粒时，将产生散射 或衍射现象，不同粒径的颗粒产生的散射光的角度不同，利用阵列式探测器探测 散射光的能量分布及其散射角，就可以由此计算出样品的粒度分布。这种方法的 重复性好，速度快，属非接触测量【1 1 j l l 2 | 。 1 2 3 基于光散射法的激光粒度测试理论 基于光散射法的激光粒度测试仪的光学模式如图1 1 所示。 6 第一章绪论 激 图1 1激光散射法测量粒子尺寸分布的基本光学模式 激光器发出的光束经扩束器后形成一平行的准直相干光束，此光束照射到待 测粒子发生散射现象。散射光的强度分布与测试区中被照射的颗粒直径和颗粒数 相关，这些参数为粒度测试提供了尺度。研究表明，就角度很小的前向散射来说， 衍射的作用仍占着优势。当散射粒子的尺寸为入射光波长的几十倍到几百倍，散 射半角小于7 度时，可用夫琅和费衍射近似。所以对散射光强的计算只考虑夫琅 和费衍射形成的散射，而对于通过粒子的几何光学折射和反射引起的散射效应， 以及由于其它原因而引起的散射都可以忽略。目前专门用于测试液体雾滴的激光 粒度测试仪一般以夫琅和费衍射理论为基础。 激光粒度测试仪使用位于傅立叶透镜焦平面上的环形光电探测器来把光能 转换为电信号。探测器共有m 环，每环对应一个角度范围，每环收集的能量正 是透镜前具有相同角度范围的一个圆锥光线簇所发出的能量。如果把衍射图形以 光轴为中心分成m 个同心环带，只要测出各环上的光能量，就可建立m 个如下 的方程【9 】【ll 】： 铲亳善c 和拖一) + , j 1 2 酚z , t 拖z 2 刚z 1 2 铲专喜c i o j 0 2 ( z z l ) + 斤( z ：1 ) - 疗( z ：h ，2 ( z ：) 】( 1 - 1 ) i 铲砉姜c 和职z m l m 2 ( 址职址职z 一】 舯z ，等厶= 等分别为第m 环的内旧 式( 1 1 ) 建立衍射光能与粒径之间的对应关系。若已知各环的内外半径，照 射光的波长名和接收透镜的焦距厂，根据各环上的探测到的能量，就可以由上 述方程组求出粒子的尺寸分布彬，这就是激光粒度测试仪的理论依据。 第一章绪论 1 3 激光粒度测试技术的国内外发展动态 自1 9 7 6 年j s w i t h e n b a n k 等人首次基于夫琅和费衍射理论，用1 5 单元的环 探测器成功实现了粒度的激光测量【6 】开始，其后出现了多波长光散射法1 7 j 、动态 光散射法【8 1 、光透消光法1 引、激光断层法1 7 1 和联合变换相关法【7 】等光学测量方法。 目前应用最广泛的是基于粒子的m i e 散射和夫琅和费原理的激光粒度仪。 国外，7 0 年代后期，英国m a l v e r n 公司采用j s w i t h e n b a n k 的激光衍射方法 研制出激光粒度仪产品，奠定了其在国际上的领先地位，此外美国库尔特公司、 日本的岛津公司、清新公司，德国的飞驰公司也生产激光粒度仪产品。国内有上 海机械学院，山东建材学院，丹东仪表研究所等单位也进行了激光粒度仪技术的 研究。基于这些研究单位的成果，目前有珠海欧美克、丹东百特、济南微纳等公 司生产激光粒度仪产品训lz 3 。 天津大学自上世纪8 0 年代初期开始全面研究激光散射粒度测试原理方法和 技术，1 9 8 7 年完成了国家科委项目“d p 0 1 型快速滴谱仪”的研制，这是我国第 一台基于夫琅和费衍射原理，并全部采用国产器件的激光粒度测量仪器。 近2 0 年以来，天津大学设计并研制成功了关键器件3 2 环硅光电探测器阵列 ( c o e d a ) ；研制了c o e d a 与并行放大器的紧密封装的探测器模块；解决了 c o e d a 半自动对中机械结构；提出将改进的p r o j e c t i o n 算法用于反演粒度分布无 模式数据处理方法，解决了多峰粒子场测量难题；研究了以半导体激光器为光源 的小型化结构；实现了用光纤模块传输测量数据，为解决在线检测奠定了基础； 用方形孔径取代圆形孔径标准粒子板，并提出补偿方法，可以用图形发生方式的 现代光刻技术灵活制备标准粒子板；设计和研制了粒度测试软件包；同时研究了 用数字全息方法进行粒子场的测量技术等1 8 1 0 】。 1 4 本文研究目的与主要工作 1 4 1 研究目的与意义 本文的研究目的是研究新型嵌入式激光粒度测试仪，将数据处理系统嵌入到 仪器内部，实现“即测即处理”，取代了传统粒度仪的外挂计算机，减少了长距 离数据传输引入的干扰误差。主要完成仪器结构设计，并采用嵌入式技术，构建 基于p c m 9 5 8 1 工控主机的上位机系统，用于数据处理显示与参数设置；开发以 单片机为内核的下位机系统，实现数据采集与传输。 本课题开发的新型激光粒度测试仪结构紧凑、移动方便、操作简便、资料输 8 第一章绪论 出详实。结构上采用一体化的设计，将激光发射器、接收器与数据处理系统集成 到一起，在仪器的封闭性与抗干扰方面也有了很大的改进；另外，数据处理系统 基于当前流行的嵌入式系统进行开发，基本实现了高精度与实时处理，测试软件 界面美观、操作便捷，让用户使用起来更加得心应手。本课题的嵌入式系统设计 不但实现了激光粒度测试仪的数据采集控制、信号状态实时监测、数据运算等功 能，而且对于解决其它光机电一体化设计问题具有同样的借鉴意义。 1 4 2 主要工作 本课题的主要工作有两个部分：新型激光粒度仪的总体设计和基于嵌入式系 统的软件开发。嵌入式系统开发方面，在比较众多嵌入式系统方案之后，选择基 于w i n d o w sx pe m b e d d e d 系统进行开发。主要工作是： 1 设计新型激光粒度测试仪的光路系统。 2 以c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片为控制核心，设计激光粒度仪数据采集系统，并实现u s b 方式传输。 3 基于工控主机、触摸式液晶显示屏，设计开发嵌入式数据处理系统。 4 编写基于触摸屏的应用层粒度测试软件，实现测试数据的处理、显示以及参 数设置等功能。 5 构造应用程序、驱动程序组件、以及工控主机组件宏，并利用这些组件，定 制w i n d o w sx pe m b e d d e d 操作系统、生成系统映像并移植。 6 利用新研制的嵌入式数据采集与处理系统对三种国家标准粒子进行测试实 验，验证了数据采集与处理系统的有效性。 由于时间仓促，涉及的内容广，以及作者水平所限，论文中难免出现疏忽 与错误，恳请专家学者给予批评指正。 9 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 根据激光粒度测试仪的测试原理，所设计的仪器由光路系统、数据采集与传 输系统、数据处理系统三部分组成。系统原理框图如图2 1 所示。 图2 1 系统原理框图 图中激光器、扩束透镜组、会聚透镜、光电探测器构成光路系统；电信号放 大器、a d 与微控制器构成数据采集与传输系统；主机为数据处理系统。数据采 集系统与数据处理系统的关系为主从结构，数据处理系统作为上位主机，是整个 系统的运转核心，从机数据采集系统作为被控制者及提供服务者，接受上位机发 出的命令，并根据特定的命令格式进行相应的操作。 系统工作的原理：激光器发出的光束经扩束准直透镜之后形成平行的准直相 干光束，照射到待测样品上，并发生衍射现象。衍射光能经过一个聚焦透镜后， 会聚到光电探测器上，至此即产生了包含粒度信息的衍射光信号，光电探测器能 够接收到该光强信号，传送至数据采集系统，并由数据采集系统将该模拟信号转 化为数字信号，保存于数据存储区，等待向上位机数据处理系统进行传送。 下面分别对光路系统设计、嵌入式数据采集与处理系统设计以及机械结构设 计进行阐述。 2 1 光路系统设计 激光粒度测试仪中，光学系统的主要功能是产生包含粒度信息的衍射光能信 号。如图2 1 所示的激光粒度仪原理图中，光源与接收衍射光能信号的光电探测 器在同一条直线上。采用这种设计时，光学系统在轴向上的总尺寸约在l 米左右， 因此在本设计中，我们增加了一个光路转折系统，缩小了仪器的轴向尺寸，结构 如图2 2 所示。 1 0 第二章新型撒光粒度测试系统总体设计 图2 - 2 光路系统结构图 i 撤光器；2 扩束透镜：3 针孔滤渡器；4 一准直透镜 5 前反射镜6 后反射镜；7 水品池：8 - 会聚透镜；7 - 环形光电探测器 图2 - 2 中1 为激光器，我们选择与原有激光喷雾粒度测试仅参数一致的 h e n e 激光器其波长为6 3 2 8 r i m ，功率为5t n w 。扩柬准直系统采用原有的扩 束准直装置，组成包括扩束镜2 、针孔滤波器3 和准直透镜4 其中扩束镜选择 1 0 倍显微物镜，数值孔径为o2 5 ，针孔滤波器的大小为1 5 - t m 激光器在经过扩 束准直咀后光斑直径为中1 2 m m 。光路转折系统由反射镜5 和反射镜6 组成，其 有效孔径均为中3 0 r a m 。两面反射镜与光轴的交点之间距离为1 7 0 m m ，与光轴的 夹角均为4 5 度。样品池7 采用光学玻璃样品池。8 为会聚透镜，其焦距为3 0 0 m m ， 该焦距下测量粒度范围为5 3 p m 至5 9 2 i l m 。环形光电探测器9 采用原有激光喷 雾粒度测试仪的3 3 环探测器。 采用这样的设计以后，整个系统在轴向上的长度仅为6 3 0 m m ，因而系统的 轴向尺寸得以大大的减小。 2 2 数据采集系统设计 数据采集系统包括环形光电探测器、信号放大器、a d 转换以及微控制器， 系统框图如图2 - 3 所示。微控制器是数据采集部分的中枢，并决定了与上位机的 通讯方式，因此考虑到激光粒度仪的数据传输速率、稳定性等方面的要求，选择 国际通用标准u s b 总线作为通讯方式，芯片为美国c y p r e s s 公司的e z _ u s bf x 2 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 。该芯片自带智能u s b 接口，极大地降低了u s b 外设的开发难 度，为开发人员提供了一套性能优良、价格较低的设计方案。基于e z - u s b 的强 大功能，在很短的时间内便实现了基于u s b 传输的采集系统。 图2 3 数据采集系统框图 为了准确地测试出激光经颗粒散射后在傅立叶透镜的后焦平面上所形成的 能量分布，采用了3 2 环同心圆硅光电探测器阵列作为光电转换器件。又由于零 级衍射光太强，在探测器阵列表面将产生反射光噪声，故在探测器中心开一小孔 使零级衍射光通过，并在此孔后放置一个光电二极管来探测中心光信号用来光路 对中，因此系统需要采集的光信号有3 3 路。而微控制器的控制管脚有限，不可 能每一路信号都由一个独立的管脚来控制，所以这里采用五片8 选l 模拟开关来 实现。这里将四片模拟开关并联，然后同时向上串接至上级模拟开关。所需要的 地址选通信号，由微控制器的六位管脚产生，通过地址依次加l 的方法实现3 3 路信号的顺序选通。 2 3 嵌入式数据处理系统设计 2 3 1 嵌入式数据处理系统的要求 首先，系统在数据处理能力方面要求不高，经过实验，6 0 0 m h z 主频的c p u 在利用r r 算法或者无模式算法进行数据处理的时间均不到1 秒钟。因此，本系 统采用面向特定应用的嵌入式c p u 且p 可满足要求，与通用型的最大不同就是低功 耗，体积小、集成度高等，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部。 其次，开发本系统的目的就是用于粒度测试，随着粒度测试技术的发展，系 统的软硬件也需要不断地升级换代，因此系统设计中留有升级接口。为了方便硬 1 2 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 件升级，采用模块化的设计方法，将激光粒度仪分成许多模块，模块间的联系都 以统一的标准，在以后需要对硬件进行升级的时候，就可以直接更换某模块， 仪器整体结构基本保持不变。软件方面，也需要留有软件升级接口，可以随时对 应用程序进行更新。 最后，系统本身不具备自举开发能力，即一旦设计完成以后用户不可以也不 能对其中的程序功能进行修改的，必须由开发人员使用一套开发工具和环境才能 进行开发及更新。 2 3 2 数据处理系统方案 嵌入式数据处理系统包括工控主机、存储器、液晶显示器、触摸屏以及软件 设计。系统组成框图如图所示2 4 所示。 图2 4 数据处理系统框图 数据采集系统得到的数据通过u s b 借口由下位机输入到p c m 9 5 8 1 工控机， p c m 9 5 8 1 工控主机是嵌入式数据处理系统的控制核心。其任务主要包括三个方 面：一是通过人机界面接收用户发出的操作指令，并根据指令的内容做出适当的 响应；二是通过u s b 接口控制数据采集与传输；三是对采集到的数据进行处理。 操作系统与软件提供对硬件的支持以及功能模块的管理与实现，包括资源管理、 任务调度、指令发送、数据计算等。另外，采用液晶显示器与触摸屏作为输入输 出设备，实现人机交互。下面分别介绍工控主机与触摸式液晶显示器。 2 3 2 1 工控主机 数据处理系统的主要任务是实现被测对象的状态实时显示、数据处理与运 算、及人机控制。主机选择主频8 0 0 m h z 英特尔工业c p u ，其字长为3 2 位，型 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 号为研华p c m 9 5 8 1 ，该型主控主机适合在工业现场的连续作业，且具有抗震动， 抗灰尘，和很高的抗电磁干扰等特点，具体参数如下： c p u ：集成低功耗i n t e l 处理器 系统芯片：e m b e d d e di n t e lp e n t i u mc e l e r o nm8 0 0 m h z b l o s ：2 5 6 kf l a s h 系统内存：支持s d r a m 内存，1 2 8 2 5 6 m 电源管理：支持a c p i 2 x 增强型i d e 接口( d m a ) ，1 f d d ，1 k b ，1 r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 3 r s 2 3 2 ， 1 l p t u s b 2 0 网络芯片：r e a l t e kr t l 8 1 3 9 c ，速度为1 0 0 m b p s l c d 接口：4 a g pv g a l c d 接口，支持9 ，1 2 ，l8 ，2 4 ，3 6 位t f t 电源：5 v5 2 322 触摸式液晶显示器 近年来液晶显示器( l c d ) 以其功耗低、体积小、外形美观、价格低廉等优势 在仪器仪表设备中得到了广泛的应用。液晶显示器按物理结构分为四种：扭曲向 列型、超扭曲向列型、双层超扭曲向列型以及薄膜晶体管型，其中薄膜晶体管型 又称t f t ，相对其他三种液晶显示器具有屏幕反应速度快、对比度好、亮度高、 可视角度大、色彩丰富等特点，已经成为当前液晶显示器的主流设备2 0 1 。 另外在便携式电子类仪器设备中，触摸屏由于其轻便、占用空间少、方便灵 活等优点，己经逐渐取代键盘和鼠标成为嵌入式系统中经常选用的人机交互工 具。按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，把触摸屏一般分为电阻式、电容 式、红外线扫描式以及声表面波式。 本系统的人机界面采用北京宝联公司的液晶屏，型号为f p d 3 2 1 1 0 4 ，它是 为工业用途而设计的l c d 平板显示器，结构牢固，安装使用方便，适合于电磁干 扰较大和低功耗的工业现场、过程控制等场合。触摸屏为四线电阻式，不怕水汽 和灰尘，可以用任意物体进行触摸。 2 4 软件设计 2 4 1 数据采集系统软件 数据采集系统的软件功能包括实现多路选通的地址信号产生、a d 采集控制 1 4 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 以及与上位机进行数据传输。本设计中数据传输方式选用u s b 2 0 方式，需要编 写辅助u s b 控制芯片与主机和外设中其它硬件电路通信的下位机程序。因为硬 件不可能完成所有的工作，必须在下位机程序的参与和控制下才能完成预期的设 备功能。该部分软件设计的内容将在第三章进行阐述。 2 4 2 嵌入式数据处理系统软件 2 4 2 1 软件方案的选择 通常嵌入式系统的软件设计中可以采用两种方法来管理资源与任务调度，一 种是实时监控程序，另一种是利用嵌入式操作系统。实时监控程序一般用于任务 软件较少，功能单一，且系统不是很复杂的情况，实时监控程序一般需要由开发 者全部独立设计；而嵌入式操作系统一般是用于多任务的系统，可以实现对系统 资源的有效分配并任务调度，而且操作系统的适用性广，可以适用于多种c p u 结构。 由于激光粒度测试系统需要同时运行多个任务，为了对系统资源及多任务进 行有效的管理，一个稳定、实时、多任务的嵌入式操作系统是必须的。因此我们 选择利用嵌入式操作系统进行开发。目前，嵌入式操作系统领域应用比较广泛的 有嵌入式l i n u x 以及微软公司的嵌入式操作系统，这两者代表了嵌入式操作系统 的两种发展方向，下面将对这两大操作系统作一个简单的比较。 嵌入式l i n u x 的特点是：第一，l i n u x 的源代码随处可得，注释丰富，文档齐 全，易于解决各种问题。第二，l i n u x 的内核小、效率高；第三，l i n u x 不仅支持 x 8 6 芯片，还是一个跨平台的系统，可以支持2 0 - - 3 0 种c p u ，而且移植的速度快。 第四，l i n u x 内核的结构在网络方面是非常完整的，它提供了对包括十兆位、百 兆位及千兆位的以太网络，还有无线网络、令牌环和光纤甚至卫星的支持。第五， l i n u x 在内核结构的设计中考虑适应系统的可裁减性的要求。 虽然微软公司在嵌入式领域的发展起步比较晚，但是凭借其强大技术实力及 服务手段，其嵌入式产品也已经逐渐应用于工业控制领域。相比于l i n u x ， w i n d o w s 产品也有其自身特有的优势：第一，系统集成度高，开发难度小： 第二，配套资源丰富，核心调试工具齐全，调试方便；第三，沿用了w i n d o w s 的传统用户图形界面，具有亲切感；第四，与常见的一些商业操作系统不一样的 是，微软的系统占用较小的内存。 相比之下，考虑到w i n d o w s 系统在人机界面方面的优越表现，以及微软 操作系统组件丰富、系统稳定等特点，我们选用微软公司的嵌入式操作系统 w i n d o w sx pe m b e d d e d ，以达到更好地管理硬件和软件资源、控制程序运行、改 第二童新型激光粒度测试系统总体设计 善人机界面和为应用软件提供支持的目的，极好地满足了系统要求。 2 4 2 2 软件设计的内容 w i n d o w sx pe m b e d d e d 系统架构图如图2 5 所示，系统屏蔽了对具体硬件的 操作，而是通过驱动程序来向下层传递信息来支配硬件。驱动程序隐藏了复杂的 硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口，它可以直接对硬件的寄存器进 行编程，打开或关闭处理器中断，以及管理d m a 和内存等计算机资源。 应用程序 介 流接口 内核 驱动程序 设备 o 了t 、叫 了t 管理器 vv 基于w i n d o w sx pe m b e d d e d 系统的硬件平台 n 外围设备 图2 5w i n d o w sx pe m b e d d e d 系统架构图 因此嵌入式数据处理系统部分的软件设计包括系统内核映像文件、应用程序 以及硬件设备驱动程序。第三章将详细讲述该软件设计部分的内容。 2 5 机械结构设计 嵌入式激光粒度仪的机械结构设计如图2 - 6 和图2 7 所示。在设计过程中， 主要关注的问题与解决方法： 仪器设计为分层结构，上层为光路系统层，下层为电源层。电路中存在模拟 信号，为了防止电源辐射对模拟信号的影响，将数据采集系统封装在屏蔽盒 内，使微弱的光电流信号在内部立即得到处理。 p c m 9 5 8 1 工控主板作为数据处理系统核心，由于全部是数字信号，不易受到 电源辐射的影响，因此将其安装在电源层，位置在激光器的下方，亦方便了 将其接口接到仪器后部表面。 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 液晶显示器安装在仪器的正外表面，安装方式为嵌入式，即显示器主体嵌入 仪器内部。 如图2 - 6 与2 7 所示，会聚透镜支架安装在一个滑动块上，可移动量为3 0 0 r a m ， 方便以将来需要的时候更换透镜。 图2 - 6 嵌入式激光粒度仪内部结构图 1 激光嚣；2 调整支架；3 扩束镜；4 针孔及二维调整；5 准直透镜；6 光阑：7 光路转 * 器；8 一触模式 葭品显示屏：9 样品池；1 0 会聚透镜1 i 光电探铡器：1 2 一数据采集系统 圈2 7 嵌入式激光粒度仪主剖视图 第二章新型激光粒度测试系统总体设计 2 6 本章小结 本章主要阐述新型嵌入式激光粒度仪的总体设计，首先介绍激光粒度仪的系 统组成，即光路系统、数据采集系统与数据处理系统，然后分别介绍三个系统的 设计方案以及设计过程中注意与解决的问题，最后给出嵌入式激光粒度仪的内部 结构。 第三章基于x pe m b