基于拉曼光谱技术的实时检测系统硬件平台设计

2021-01-03许志涛李悦任延宇许志钦

中国新通信 2021年20期

许志涛李悦任延宇许志钦

【摘要】搭建了一套基于拉曼光谱技术的白酒在线实时检测系统硬件平台，主要包括中控系统、光谱数据采集系统、光谱数据处理系统、光谱数据判读系统、显示系统等5个模块。

【关键词】拉曼光谱技术检测系统平台设计

引言：

中国白酒一般由小麦、高粱、大米或代用原料等经蒸煮、发酵、蒸馏、贮存、窖藏、勾兑而成，酿造过程主要包括开始、中间和后期三个阶段。一般采用“掐头去尾”的方式摘取中间阶段的蒸馏酒，去掉开始阶段的头酒和后期阶段的尾酒，目前摘酒工作主要依靠工艺师的人工经验进行判断来完成。

酿酒工艺师摘酒经验来源依据主要为看酒花、闻酒味和品酒味，即靠工艺师的主观对酒进行检测。白酒成分较为复杂，除乙醇和水等主要成分外，还包括乙酸乙酯、乙酸异戊酯、丁酸乙酯、庚酸乙酯、辛酸乙酯以及异丁醇、异戊醇等微量香味物质。这些微量物质的香味决定了酒的风味特点。所谓的白酒酒香都是复合香。有些成份虽香味不大，但有溶解其它香气成份的定香作用。

拉曼是一种光散射技术，激光光源的高强度入射光被分子散射时，有极小一部分散射光的波长与入射光不同，其波长的改变由测试样品的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射，波长的变化称为拉曼位移。化学结构不同，拉曼位移不同，物质含量不同，对应拉曼位移处的散射光强度不同，即拉曼光谱图随样品中物质化学结构及其含量的变化而变化。

白酒的拉曼光谱图随白酒酒精度及其微量物质的变化而变化。白酒蒸馏过程中，随着时间的推移，蒸馏出的液体酒精度和微量物质的含量均会发生变化，其对应的拉曼光谱图也会产生变化。另外，拉曼光谱检测对检测物质无破坏。鉴于此，白酒在线检测可采用拉曼光谱检测技术，本文主要研究基于拉曼光谱技术的实时检测系统硬件平台设计。

一、检测系统硬件平台

对于白酒在线检测系统而言，其输入为酿造生产线上的白酒，输出为采样样品的检测及判别结果。即，检测系统目的是对酿造生产线上的白酒进行采样，依据拉曼散射原理对样品进行检测，并对检测数据进行处理和判读，识别出样品所处酿造出酒阶段，然后把该判别结果上传给酿造生产线，由生产线的控制系统去对此时酿造生产线上的白酒进行相应阶段的采摘处理。

硬件平台是检测算法实现的基础，其整体架构主要包括中控系统、光谱数据采集系统、光谱数据处理系统、光谱数据判读系统、显示系统等，如图2所示。

其工作原理为：中控系统发送指令给光谱数据采集系统，对白酒进行采样和检测，完成后，采集系统发送完成信号给中控系统，同时将所采集的数据传送给光谱数据处理系统和显示系统;中控系统发送指令给光谱数据处理系统，数据处理系统接收数据，并对数据进行处理，结束后发送完成信号给中控系统，同时将所处理的数据发送给光谱数据判读系统和显示系统;中控系统发送指令给判读系统对数据进行接收和判读，结束后，判读系统发送完成信号给中控系统和显示系统;中控系统发送完成信号和判读结果给生产线控制系统。

1.1 光谱数据处理系统

光谱数据的处理主要包括拟合、扣基线等，形成最终的光谱数据。

光谱数据处理系统选用FPGA + DSP的架构。中控系统首先发送数据接收控制指令给数据处理系统接收拉曼光谱仪所采集到的光谱数据;接收完畢后，对光谱数据进行拟合、扣基线等处理;处理完数据后，处理系统发送完毕信号给中控系统，并将处理好的光谱数据发送给光谱数据判读系统和显示系统。

为了减小误差，需要对同一样品进行多次测试，然后采用数学方法对多次采样所得数据进行处理。

1.2光谱数据判读系统

光谱数据判读系统主要采用检测算法对处理后的光谱数据进行分析，判断出所测样品所处的蒸馏阶段。

光谱数据判读系统选用FPGA + DSP的架构，并将识酒算法移植入硬件平台。中控系统首先发送数据接收控制指令给光谱数据判读系统接收处理后的光谱数据;接收完毕后，对光谱数据进行判读;结束后，判读系统发送完毕信号和判读结果给中控系统，同时将判读结果发送给显示系统。

1.3 显示系统

显示系统显示的内容包括拉曼光谱仪检测获取的原始光谱数据、处理后的光谱数据以及判读结果等，同时还控制拉曼光谱仪的参数设置。

显示系统载体采用PC机，操作系统采用windows，显示软件在原拉曼光谱仪厂家所提供软件基础上进行改造。

1.4中控系统

中控系统芯片主要采用FPGA，对光谱数据采集、光谱数据处理、光谱数据判读等外围系统进行控制协调。外围系统的控制部分可与中控系统共用同一个FPGA。