微型近红外光谱检测系统温度补偿的设计

邱丽湖　陆道礼　冯　帮　耿德春　陈　斌

(1.江苏大学 机械工程学院， 镇江 212013;2.江苏大学 食品与生物工程学院，镇江 212013)



微型近红外光谱检测系统温度补偿的设计

邱丽湖1陆道礼2冯帮1耿德春1陈斌2

(1.江苏大学 机械工程学院， 镇江 212013;2.江苏大学 食品与生物工程学院，镇江 212013)

摘要：针对温度影响近红外光谱的问题提出了解决方案：在MicroNIR-1700近红外光谱仪上添加了环境温度和样品温度的检测附件及应用软件，使用单总线数字温度传感器DS18B20和红外温度传感器TN901及处理电路等构成了温度补偿系统，结合MicroNIR-1700的内部命令集获得仪器的温度。这3个温度参数奠定了微型近红外光谱检测系统的温度补偿条件，可以为后续模型建立提供温度补偿信息。

关键词：温度补偿；近红外光谱；温度传感器

近红外光谱分析技术广泛用于农产品质量的快速无损检测，但是随着要求的变化，近红外光谱检测仪器开始从环境条件优越的实验室检测转移到生产现场的快速检测。然而研究表明，近红外光谱分析技术受温度影响非常明显[1,2]；特别对于复杂组分，温度对生物组织光学特性影响到近红外光谱的一致性[3]，造成校正模型预测精度的下降。所以需要补偿仪器、环境和待测样品温度变化对近红外光谱的影响，提高校正模型的预测精度。

本研究使用MicroNIR-1700近红外光谱仪作为微型近红外光谱检测系统的主要核心部件，该光谱仪的随机软件只包含最基本的仪器控制和光谱采集功能。虽然冯邦等人开发了光谱采集系统软件和建模应用软件[4]，但是无环境温度和待测样品温度的实时检测功能，需要添加温度检测附件和开发应用软件来实现温度补偿功能。本研究的意义在于：能够同时检测到工作时仪器本身的温度、环境温度和样品温度对应的温度值，为以后建立带有温度补偿功能的近红外校正模型提供温度修正参数。

1MicroNIR-1700近红外光谱仪

MicroNIR-1700近红外光谱仪是由美国JDSU公司推出(图1)，采用线性渐变滤光片(LVF，Linear Variable Filter)作为分光器件，使用阵列式InGaAs探测器，避免了采用光栅等类型的复杂分光系统，实现了光谱仪的小型化。其体积为Φ45×42mm，重量仅为60g左右，运行环境为-20~50℃(非凝结)，存储环境为-40~70℃(非凝结)，通过USB供电以及控制仪器[5]。

图1　JDSU MicroNIR-1700

2温度检测附件

温度检测附件是指为了测量环境温度和待测样品的温度所需要的温度传感器和处理电路构成的整体。影响近红外光谱的温度来自3个方面：仪器本身的温度、检测环境温度和待测样品的温度。仪器自身的温度由仪器内部的温度传感器检测，环境温度的检测通过使用数字温度传感器DS18B20构建1-wire(单总线)温度检测局域网来实现，待测样品的温度经过红外温度传感器TN901加处理电路的方法获得。

2.1　单总线温度检测局域网

1-wire技术构建的局域网是一种主从式网络，主要以PC或者单片机作为主机，其他的设备是从机，主机可以管理多个从机[6]。构建该局域网使用单总线数字温度传感器—DS18B20和单总线与串口通信之间的协议转换芯片—DS2480B。

DS18B20数字温度传感器[7]是MAXIM公司的产品。内部ROM含有设备的唯一序列号，支持多个DS18B20相连，默认情况下分辨率为12位。MicroNIR-1700近红外光谱仪的运行温度在DS18B20的测量范围(-55~125℃)，所以选择DS18B20来测量外界温度。利用MAXIM特有的单总线协议，DS18B20通过单线传输了数据信号，地址信号和控制信号。使用了DS18B20的寄生电源模式，并且选择DS2480B[8]实现串口至1-Wire的接口转换。DS2480B通过引脚 TXD 从主机串口输入数据，将每个字符转换成8个1-wire时隙告知从机。一旦1-wire对应的波形发出后，通过串行口发出的数据字节就会经引脚RXD返回1个字节告知主机。单总线温度检测局域网构成的原理图如图2所示。其中为了保护DS2480B的单总线接口免受静电干扰使用低电容ESD保护二极管—DS9503。1-wire上噪声过大会引起非正常工作，可能断开1-wire通信，所以需要外接R-C滤波电路。主机提供的接口是USB口，但是DS2480B芯片提供的是串口方式，所以选择使用CH340芯片[9]设计了USB转串口电路。

图2　单总线温度检测局域网的原理图

2.2　红外温度传感器检测温度系统

红外温度传感器TN901[10]的技术参数见表1。TN901为热电堆传感器，由温差热电堆和热敏电阻组成，分别输出目标温度信号和环境温度信号，组成结构如图3所示。它能接收物体发射的红外线并转为数字信号，具有SPI接口，方便与单片机相连接。单片机对其检测到的数据进行存储和处理，并通过串口转换成USB口连接到计算机，在软件界面显示获取的温度值。设计系统框图如图4所示。

表1　温度传感器的规格参数

图3　红外温度传感器TN901的组成结构

图4红外温度传感器检测温度系统框图

3温度检测应用软件设计

温度检测应用软件是在Delphi下开发，界面显示如图5所示。它调用了FTDI公司提供的FTD2XX.DLL中的API(应用程序编程接口)函数和MAXIM公司的软件开发工具包TMEX SDK提供的动态链接库中的API函数以及利用SPComm控件实现串口通信。本研究使用MicroNIR-1700近红外光谱仪自身温度传感器、单个单总线数字温度传感器DS18B20以及红外温度传感器TN901，所以需要选择相应的从机。一旦选择了DS18B20测量温度，需要考虑到计算机的COM端口，应用的动态链接库是IB97U32.DLL。通信接口类型(即默认接口类型)值是5。通信接口数(即默认接口数)的值是1。通过查看计算机上的COM端口，选择对应的通信接口数才可以正常通信。当选择了需要测量的端点(仪器自身的温度，环境温度还是样品温度)时，对应的温度传感器开始工作并且温度监测曲线动态地显示。同时，温度值可以存储到数据库以便处理和分析，建立模型时直接参考数据库中的温度值进行温度补偿，减小对近红外光谱的影响。

图5　温度检测系统应用软件界面

测量仪器自身温度时，将命令C告知MicroNIR-1700近红外光谱仪，通过调用函数“FT_Write”向光谱仪发送该命令[11]，此时温度值就会采集到光谱仪缓存里面，等待一个延时，调用函数“FT_Read”就可以获得响应，得到单位为counts的温度值。部分代码如下：

CommandStr:='C'+#13;//命令C

CopyMemory(@FT_Out_Buffer, @CommandStr[1], Length(CommandStr));//放入到缓存

Write_USB_Device_Buffer(length(CommandStr));//将缓存放入到USB中。

sleep(50); //等待一段时间。

Get_USB_Device_QueueStatus;//获取缓存

getDeviceTemp(FT_Q_Bytes);//得到仪器自身温度的结果

测量环境温度时，访问DS18B20需要遵循单总线通信流程，即初始化、ROM命令和函数命令。函数命令内的温度转换命令只适合于匹配了正确的单个DS18B20通信情况下有效。所以在电路中多个DS18B20相连接时，需要使用匹配ROM命令后才能温度转换[12，13]。部分代码如下：

if(SetupDone)then

begin

flag:=TMTouchReset(SHandle);//复位单总线上的数据并返回结果

if ((flag=1) or(flag=2)) then

begin

TMTouchByte(shandle, $55);//匹配ROM命令

query:= TMRom(SHandle, @stateBuf, @romd[NUM]);//设置当前从机的ROM

if( (TMAccess(SHandle,@stateBuf) =1) and (query=1 ))then//选择当前从机

begin

TMTouchByte(SHandle, $44);//温度转换命令

st:=GetTickCount+1000; //等待时间1S

while(GetTickCount

TMValidSession(SHandle);

flagrom:=TMTouchReset(SHandle);//复位

if((flagrom=1) or(flagrom=2)) then

begin

TMTouchByte(shandle, $55);//匹配ROM命令

query:= TMRom(SHandle, @stateBuf, @romd[NUM]);

图6　主程序流程图

if( (TMAccess(SHandle,@stateBuf) =1) and (query=1 ))then

begin

TMTouchByte(SHandle,$BE); //写入命令，读暂存器ram

· · ·//获取温度值

测量样品温度时，单片机采用中断方式与上位机通信，若接收到上位机发送的命令为“S”开始运行；若接收到“T”命令立即停止运行。单片机内部的主程序流程图如图6所示。上位机中利用Delphi提供的SPComm控件实现串口数据发送和接收功能。通过此控件可以设置串口状态及串行通信协议，通信参数设置如下：

comm1.commName:=combobox1.text;//虚拟串口手动选择

comm1.BaudRate:=9600;//波特率

comm1.startcomm;//打开串口

4系统测试

为了验证该仪器温度检测系统的稳定性，在1周时间内，每隔2天测量固定的水温(35℃)，每次测量1min，取其平均值，并且计算测量数据的标准偏差。由于红外温度传感器TN901内部结构已有温度修正功能，并且直接通过SPI方式输出温度值，所以不用测试其稳定性。对数字温度传感器DS18B20设计了专用的电路，需要进行稳定性测试。通过恒温水浴锅将水的实际温度控制在35℃，得到的结果如表2所示。根据试验结果，该传感器的测量温漂在0.04℃左右。

表2　温度传感器DS18B20一周内测量35℃水温稳定性的结果

试验可发现：温度传感器DS18B20试验中两者差值(实际值-实测值)的平均值是0.179℃，标准偏差是0.035℃。

5结束语

在MicroNIR-1700近红外光谱检测系统中添加了3种温度的检测方式：微型光谱仪自身的温度通过内部的温度传感器获得；环境温度采用温度传感器DS18B20检测；样品的温度采用红外温度传感器TN901非接触式检测。动态及时地获取到影响近红外光谱的仪器温度，环境温度和样品温度，可以修正温度对近红外建模的影响，为后续的数据处理和校正模型的建立提供了温度补偿参数，提高了近红外光谱分析的检测精度。系统是在Windows系统下实现的，功能基本完整。为了满足未来的生产实际对小型化、微型化的需要，开发手持式近红外检测仪器，需要进一步开发以平板电脑或者智能手机等移动操作系统的近红外光谱检测平台，同时开发基于安卓操作系统下检测温度的应用软件。

参考文献

[1] Wu P, Siesler H W. The assignment of overtone and combination bands in the near infrared spectrum of polyamide 11[J].Journal of Near Infrared Spectroscopy, 1999, 7(2):65-76.

[2] Hansen W G, Wiedemann S C C, Snieder M. et al. Tolerance of near infrared calibrations to temperature variations; a practical evaluation[J].Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2000, 8(2):125-132.

[3] 常敏,彭丹,徐可欣.温度对生物组织模拟液光学特性影响的研究[J].光学学报,2007,27(6):1080-1083.

[4] 冯帮,陈斌,颜辉.微型近红外光谱仪的软件开发与实验[J].分析仪器,2014,(3):7-12.

[5] 仪器信息网.世界最小体积近红外光谱仪近日面世.http://www.mei.net.cn/yqyb/201304/490735.html.

[6] Maxim Integrated Products.Choosing the Right 1-Wire®Master for Embedded Applications. Reference Schematic 4206, Mar 27, 2008.[EB/OL].http://www. maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/4206.

[7] Maxim Integrated Products.DS18B20 Datasheet.http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf.

[8] Maxim Integrated Products.DS2480B Datasheet.http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS2480B.pdf.

[9] WCH.USB转串口芯片CH340[EB].CH340中文手册.

[10] 燃太.红外模块产品-TN901.http://www.zytemp. com.cn/products/tn901.asp.

[11] FTDI Chip. Software application development.http://www.ftdichip.com/Support/Documents/ProgramGuides/D2XX_Programmer's_Guide(FT_000071).pdf.

[12] Maxim Integrated Products.1-Wire Software Resource Guide Device Description. Application Note 155, Jul 08, 2008. [EB/OL].http://www.maximintegrated. com/en/app-notes/index.mvp/id/155.

[13]刘勇,叶晓慧,苏镇. DS2480B在测控系统中的应用[J].电子测量与仪器学报.2004(增): 725-729.

资助项目：北京市科学技术委员会(D12110400110000，Z121104002812052)

仪器研制与改进

A design for temperature compensation of micro near infrared spectrometric detection system.

QiuLihu1，LuDaoli2，FengBang1，GengDechun1，ChenBin2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang, 212013,China; 2.SchoolofFoodandBiologicalEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

Abstract:The MicroNIR-1700 spectrometer is added with an attachment and an application software to detect the environmental and sample temperature. The attachment consists of the 1-wire digital thermometer DS18B20, an infrared temperature sensor TN901, and other circuits, all of which constitute the temperature compensation system for the spectrometer. The software combines the command set of the MicroNIR-1700 spectrometer to obtain temperature of the device. These three temperature parameters establish the condition of temperature compensation for the mirco near infrared detecting system, which can provide information of temperature compensation for the subsequent model establishment.

Key words：temperature compensation; near infrared spectrum; temperature sensor

收稿日期：2014-11-20

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.001

通讯作者：陈斌，男，江苏大学食品与生物工程学院，教授、博导，E-mail:ncp@ujs.edu.cn。

作者简介：邱丽湖，女，1990出生，硕士研究生，研究方向：测试计量技术及仪器。

基金项目：阵列式半导体激光器件的食品原料品质近红外快速检测方法的研究，国家自然基金项目(31171697)；MEMS近红外光谱仪及应用软件的开发及产业化，2011年度江苏省科技成果转化专项(BA2011112)。