用于海藻现场检测的荧光光谱仪的研究

摘要

近年来，赤潮的频繁发生给海洋生态环境带来了很大的影响，引起人们的广泛关注。对海洋中海藻进行定性定量分析，可以估测海区内生态系统的群落结构和分布状态，有效地监测和预报赤潮。荧光光谱法是海藻种类和浓度分析中常用的一种重要方法，研制可用于海藻现场检测的荧光光谱仪对赤潮监测和预报具有一定的科研价值和现实意义。 本论文针对海藻荧光的特点和实验测量的大量数据，根据海藻现场测量的要求提出了一种用于海藻现场检测的荧光光谱仪的设计方法，研制出原型机并进行了原型机的小型化研究。该海藻荧光光谱仪采用上位机和下位机的结构。下位机由光路和以MCS51单片机为核心的控制电路组成，主要实现激发光源选择控制、分光光栅扫描、光谱数据采集、与上位机进行通信等功能，完成荧光光谱仪的底层控制。在光路设计上，根据识别海藻激发波长的要求，结合现有LED管的采购状况，选用13种发光二极管(LED)作为激发光源，海藻产生的荧光采用切尔尼-特纳(Czemy-Turner)型光栅单色器分光，有效地减小仪器的体积；使用光电倍增管作为光信号探测器，以提高系统的探测灵敏度。在原型机中使用PC机作为上位机，用VB语言编写了控制软件，通过串行口控制下位机的工作流程，实现光谱图线绘制、光谱数据存储等功能。实验结果表明，该仪器基本达到了预期目的。 为了更适合现场检测和野外作业的要求，在原型机的基础上进行了使用ARM嵌入式系统替代PC机的小型化研究。设计了基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统和S3C44BOX处理器的嵌入式开发平台，实现了图形用户界面(GUI)、FAT文件系统、USB通信等功能。 在本设计中主要完成以下工作： 1)搭建了由高亮度LED为激发光源，切尔尼．特纳(Czemy-Tumer)型光栅单色器和光电倍增管组成的光学系统；建立了以MCS51单片机为核心的控制电路，实现光谱数据采集。 2)以PC机作为上位机，使用VB语言编写了上位机控制软件，完成样机制备并进行了整机实验，验证了包括光路在内的总体设计的可行性。 3)设计并实现嵌入式开发平台。引入嵌入式μC/OS-Ⅱ实时操作系统和μC/GUI图形用户界面，分析了μC/GUI图形用户界面的组织结构及其驱动程序的编写方法，并将其移植到S3C44BOX上。 4)详细分析了FAT文件系统，完成了嵌入式系统中对FAT16文件系统的操作，实现了现场测得的大量光谱数据的存储。 5)基于USB设备控制芯片PDIUSBD12实现了嵌入式系统与PC机之间的USB通信功能。与FNT16文件系统相结合，将系统的数据存储器开发为U盘，方便了仪器与PC机之间的数据传输。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2海藻状态监测方法

1.3用于海藻检测的荧光仪器的国内外发展现状

1.4课题研究的目的和意义

1.5本论文的主要研究内容

2海藻荧光测量原理

2.1荧光测量原理

2.1.1分子荧光的产生机理

2.1.2影响荧光强度的因素

2.2荧光法分析海藻的可行性

3系统的硬件设计

3.1系统的光路设计

3.1.1光源

3.1.2前置光路

3.1.3分光系统

3.2系统的电路设计

3.2.1单片机简介

3.2.2光电转换电路

3.2.3 A/D转换电路

3.2.4步进电机控制电路

3.2.5 LED供电电路

3.2.6串行口电平转换

4系统的软件设计及实验结果

4.1上位机与下位机的通信协议

4.2下位机功能描述

4.3上位机功能描述

4.4实验结果

5嵌入式操作系统及图形用户界面(GUI)

5.1 μC/OS-Ⅱ介绍

5.2 μC/OS-ⅡS3C44B0X上的移植

5.2.1 μC/GUI的体系结构

5.2.2 S3C44B0X的LCD控制器介绍

5.2.3μC/GUI在S3C44B0X上的移植

5.2.4μC/GUI与μC/OS-Ⅱ的接口

6 FAT16文件系统的实现

6.1数据Flash的读写

6.2 FAT16文件系统的访问

6.2.1 FAT文件系统的结构

6.2.2保留区(Reserved Region)

6.2.3 FAT区(FAT Region)

6.2.4根目录区(Root Directory Region)

6.2.5数掘区

6.2.6文件系统应用接口

7 USB通信及U盘的实现

7.1 USB通信的基本原理

7.1.1 USB简介

7.1.2 USB的拓扑结构

7.1.3 USB通信流

7.1.4 USB主机

7.1.5 USB设备

7.1.6传输类型

7.1.7数据的传输过程

7.1.8总线枚举过程

7.1.9设备请求

7.1.10描述符

7.2 U盘功能的实现

7.2.1实现U盘功能的原因

7.2.2 USB Mass Storage 协议

7.2.3 Bulk-Only传输协议

7.2.4 UFI命令规范

7.2.5 D12介绍

7.2.6 D12固件程序的开发

8嵌入式上位机的设计

8.1硬件电路设计

8.1.1 S3C44B0X最小系统的构建

8.1.2数据存储Flash接口

8.1.3液晶显示接口

8.1.4通信接口

8.2软件程序设计

结束语

参考文献

硕士期间发表论文

致谢