CN105376298A - 一种可远程控制的荧光光谱测量仪 - Google Patents

Abstract

一种可远程控制的荧光光谱测量仪，包括能够独自运行操作系统的光谱仪、嵌入的网络通信硬件和网络操作应用程序。其中网络通信硬件包括网络控制芯片，网络通信逻辑电平变换器和网络线路插座，网络操作应用程序采用基于TCP/IP的并发C/S模式，网络服务器可以同时处理多个客户端请求。本发明可以远程控制光谱仪的运行、远程检测光谱仪的运行状态、远程维护光谱仪、光谱数据也可远程传输，在光谱测量领域有重要应用。

Description

一种可远程控制的荧光光谱测量仪

技术领域：

本发明属于光谱测量与分析领域。

背景技术：

光谱测量仪是利用物质对光的选择吸收现象进行物质的定性和定量分析的光电式分析仪器。它具有极高的分析灵敏度，成为痕量高分子化合物、生物物质检测的最佳分析手段，在越来越多的领域发挥着巨大的作用。传统光谱仪一般由AD转换模块、电机控制模块、电源模块、串口模块、光源控制模块等组成，随着芯片技术的发展和实际需要的提高，现代的光谱仪又增加了LCD显示模块。但传统光谱仪在需要人直接干预，在应用方面还存在一些限制，如无法在恶劣的环境中实时控制，采集数据无法及时共享，一些用串口作为传输接口的流量限制等。现有的光谱测量仪下位机控制芯片普遍采用单片机、FPGA或DSP。这些控制芯片需要编制专门的底层程序，与外部的接口也需要开发者自己定义，没有通用的规范和协议，给进一步的开发和推广使用带来不便。

发明内容：

本发明的目的是扩展光谱仪的网络通信功能，能够通过网络远程控制光谱测量仪完成原测量仪的所有功能。

本发明给出的荧光光谱测量仪的底层控制芯片采用ARMll，其特征在于该芯片可以运行操作系统，不需要开发者开发最底层的程序。连接在ARMll上的网络通信接口包括网络接口芯片、网络逻辑电平变换器和网络线路物理接口。网络接口芯片实现以太网物理层和介质访问层的功能，包括MAC地址识别、数据帧的组装/拆分与收发、CRC编码校验、输出脉冲成型、接受噪声抑制、超时重传等功能。网络逻辑电平变换器能够耦合信号电平，增强信号，使其传输距离更远，隔离芯片端与外部端，使其抗干扰能力大大增强。网络线路物理接口提供内外信息传输的通道。在远程控制程序中，使用基于TCP的并发式C/S模型。使用TCP协议能够通过序列号和校验和来保证数据传输的可靠性，采用并发式服务器，能够让服务器同一时刻响应多个客户端的要求。

本发明的优点是：光谱仪器加上网络控制结构后，能够使传输流量加大，传输速度更快；能够接收其他主机发来的信息请求，实现远程控制光谱仪的运行，远程检测光谱仪的运行状态、远程维护光谱仪、光谱数据远程传输；能够扩大光谱仪的适用范围，增强光谱仪对环境的适应能力。

附图说明：

图1光谱仪远程控制模型

图2光谱测量仪的硬件连接

图3服务器/客户端编程模型

图4光谱仪端解析数据功能流程图

图5光谱仪端步进电机控制流程图

图6下传以太网通信协议帧数据部分格式定义

图7上传以太网通信协议帧数据部分格式定义

图8控制功能定义

具体实施方式：

下面对按照本发明工作原理实现的具体硬件和软件作具体描述。

由图1可知，可远程控制的光谱仪是在原来光谱仪结构的基础上，嵌入了网络控制结构2。

原光谱仪至少应具有电源模块、电机控制模块、信号采集模块、存储模块和主控制器，并且主控制器采用s3c6410，它具有丰富的资源，能够运行操作系统。嵌入的网络控制结构包括网络芯片DM9000，网络逻辑电平变换器H1101，网络线路物理接口RJ-45，具体的电路连接如图2所示。远程信息通过网线送入RJ-45插座4，然后网络逻辑电平变换器3耦合信号，再经过网络接口芯片2的MAC地址识别、数据帧的组装/拆分与收发、CRC编码校验等，最后送入主控制器1。

网卡驱动是我们能够使用网卡的基础，因为DM9000芯片的良好性能及它的广泛使用，因此在大多数操作系统内核中都有DM9000驱动的编写。因此我们无需从头开始编写驱动，只需在操作系统中配置即可。荧光光谱仪所使用的操作系统内核为linux-2.6.39。配置步骤如下：

1)使用命令makemenuconfig，打开操作系统内核配置窗口。

2)在[DeviceDrivers]子菜单中选择：

[*]Networkdevicesupport--->

在[DeviceDrivers]|[Networkdevicesupport]中选择：

[*]Ethernet(10or100Mbit)---〉

在[DeviceDrivers]|[Networkdevicesupport]|[Ethernet(10or100Mbit)]中选择：

<*>DM9000support

对于一个网络设备，仅仅有网卡驱动是不够的。信息在网络上传输，需要网络子系统的支持。Linux内核为用户提供了完善而强大的网络功能。网络子系统的各部分，内核中均已包括，我们只需按照自己的需要配置。网络子系统的配置按照以下步骤进行：

1)使用命令makemenuconfig，打开配置窗口。

2)在配置主菜单中选中：

[*]Networkingsupport---->

进入[Networkingsupport]|[Networkingoptions]子菜单，选择以下三个选项：

<*>Packetsocket

<*>Unixdomainsockets

[*]TCP/IPnetworking

伴随着[TCP/IPnetworking]被选中，下面这些选项会自动被选择。

[*]IP：multicasting

[*]IP：kernellevelautoconfiguration

[*]IP：DHCPsupport

[*]IP：BOOTPsupport

<*>IP：IPsectransportmode(NEW)

<*>IP：IPsectunnelmode(NEW)

<*>IP：IPsecBEETmode(NEW)

<*>INET：socketmonitoringinterface(NEW)

在远程控制程序中，使用基于TCP的并发式C/S模型。光谱仪内置程序的编程模型如图3所示。流程为：a创建一个socket；b将该socket与本机地址/端口号捆绑；c在监听端口上监听客户机的连接请求；d当accept捕捉到一个连接请求时，就建立连接线路并返回一个新的通信文件描述符；e父进程创建一个子进程，父进程关闭通信文件描述符并继续监听端口上其他客户机的连接请求；f子进程通过通信文件描述符与客户机进行通信，通信结束后终止子进程并关闭通信文件描述符。

当客户端和光谱仪通讯时，首先connect()建立连接，然后客户端按照通讯协议通过send()向光谱仪发送数据时，光谱仪通过recv()接收数据。当接收到数据时，光谱仪提取传数据中的控制量类型，判断控制类型是属于光电倍增管电压控制，电机控制，信号采集还是模拟信号处理，然后转入相应的控制；如果以上控制类型都不是，就上客户端返回输入错误的提示，具体流程如图4所示。如果收到的数据类型是对步进电机控制，光谱仪提取数据域中的电机控制部分，然后分析是对哪一个步进电机进行控制，判断出要控制的步进电机后，再对步进电机的功能进行判断，是控制它的复位、扫描、还是检查，功能完成后，向客户端返回功能完成的状态；如果以上都不是，则向客户端返回输入错误的提示，具体流程如图5所示。

图6、图7和图8是光谱仪和远程端相互传送数据的通讯协议。由图中可知通信协议帧主要包括以下几个域：帧起始域、控制量类型域/数据类型域、数据域、校验码等。控制量类型/数据类型、电机号采用BCD码，采用BCD码的优点是编码直观，易于理解；其他帧域采用16进制编码。通信协议是对远程客户端和光谱仪之间相互通信过程及数据格式进行约束的标准和规范，通信双方必须严格按照规定的协议进行数据交换，才能保证通信顺畅。

Claims (2)

1.一种可远程控制的荧光光谱测量仪器，包括主控制器和远程客户端，其特征在于，还包括嵌入的网络控制结构实现网络通信；所述的网络控制结构包括网络接口芯片、网络逻辑电平变换器、网络线路物理接口；采集到的远程信息经网络逻辑电平变换器耦合信号，再经过网络接口芯片的MAC地址识别、数据帧的组装/拆分与收发、CRC编码校验，最后送入主控制器。

2.根据权利要求1所述荧光光谱测量仪器，其特征在于其中的网络通信使用基于TCP协议的并发式C/S模式。