非接触检测紫外信号典型电路设计

郭振山，邢伟霞，曹朝龙，郑 岩

(吉林省建研科技有限责任公司，吉林 长春 130000)

1 引 言

非接触测量中，需要检测紫外信号，检测电路是分析与处理的重要应用基础。本文基于高性能数字信号处理器和优化的融合算法，采用光谱信号采集与传输技术，设计了紫外信号检测典型电路。

2 系统总体结构及工作原理

该系统总体上包括紫外信号采集、紫外信号处理、紫外信号分析、数据输出等部分[1]，主要由探测器、信号放大电路、光源稳定电路、A/D转换、探测器负高压电路、解调电路等组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

基于ST公司的高性能单片机和优化的信号处理算法来实现结构，该处理系统具有紫外信号的采集、降噪、分析和传输功能。被探测信号通过镜头进入光路系统后，光束经过处理后输出模拟视频信号，模拟视频信号经A/D转换后，通过OSP进行降噪、配准、融合、JPEG压缩处理，最后通过单片机的EMAC端口将紫外信号发送到客户端实时监控。

3 探测头的选择

通过试验测试各种探头性能，各系列探头主要参数如图2所示。部分探头实物及性能见图3、图4，经过比对、分析，本项目选择滨松9533传感器作为探测头。

图2 各系列探头主要参数

图3 滨松9454(左)和9533(右)实物

图4 探头性能图

4 处理板设计

ST公司的STM32F103VET6数字信号处理器,CPU主频72MHz、闪存1MB，具有CAN和USB全速接口。STM32系列ARM Cortex-M3 32位闪存微控制器低功率、 低电压， 并具有实时功能[2]。基于STM32F103VET6设计驱动电路和控制板，通过对比选择性能优的器件进行电路设计，对整体电路采用软件进行电路仿真。通过仿真结果分析，对电路进行优化设计，最终确定电路方案。驱动电路原理如图5所示。

由于STM32F103VET6内部集成有滤波器,因此只需对紫外信号进行解调即可[3]。驱动器实物和信号处理电路原理图见图6、图7。

图6 驱动器实物图

图7 信号处理电路原理图

5 多元线性回归校正紫外光谱信号

偏最小二乘法(PLS)：在PCR中，只对光谱阵X进行分解，消除无用的噪声信息。强度阵Y含有的无用信息，也同样处理，且在分解光谱阵X时应考虑强度阵Y的影响。基于此提出多元回归方法[4]。

PLS首先对光谱阵X和强度阵Y进行分解，其模型为：

X=TPT+E

Y=UQT+F

式中，T和U分别为X和Y矩阵的差分矩阵；P和Q分别为X和Y矩阵的载荷矩阵；E和F分别为X和Y的PLS拟合残差矩阵。

PLS的第二步是将T和U作线性回归：

U=TB

B=(TTT)-1TTY

首先根据P求出光谱阵X未知，然后由下式得到预测值：

Y=TBQ

在实际PLS算法中，PLS把X和Y矩阵的分解同时进行，并且将Y的信息引入到X矩阵分解过程中，使得X主成分直接与Y关联，这就克服了PCR只对X进行分解的缺点[5]。

数据处理实时性设计，软件系统采用C#语言开发，采用分层式松耦合架构，着重考虑系统的实时性并兼顾设计的清晰性及可扩展性。对于采集到的数据，进行多线程并行处理，结合硬件指令加速(AVX指令集)，可在0.1s内完成指标的计算，保证计算的实时性。将算法封装到单片机里，完成的控制板如图8所示。

图8 控制板实物

6 结 论

主控处理器的软件平台对采集得到的光谱数据进行回归统计分析，给出各个波长所对应的定标系数。本系统选用低噪声、低漂移的电子学器件，采取锁相、计算机数据处理等手段提高了系统的信噪比，使得电子学系统具有高灵敏度、低噪声、高可靠性的特点[6]。

本技术在细化测量波段的同时，将光信号探测器阵列后整合有USB接口，使得整个系统集合可直接插接至后续的信号放大装置及模拟-数字转换的光谱数据处理装置，以解决光学系统的紫外信号采集、紫外信号处理、紫外信号分析、数据输出，更有利于系统的模块化和实用化。