KR101376016B1 - 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치에 관한 것으로, 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치는 적외선 방출기에서 방출되는 스펙트럼 신호를 전기적 신호로 변환한 후에 실시간 적외선 스펙트럼의 데이터를 수집 및 전송하고, 상기 데이터를 외부와 인터페이스(Interface)를 수행하는 적외선 스펙트럼 수집 모듈; 및 상기 적외선 스펙트럼 수집 모듈에서 수집한 적외선 스펙트럼의 데이터를 수신하여 신호 처리함으로써 스펙트럼을 추출하고, 상기 추출된 스펙트럼의 데이터를 디스플레이 및 저장하는 임베디드 분광 모듈을 포함한다.따라서 본 발명은 FPGA 기술과 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초하여 휴대 가능한 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제안함으로써 특정 식품에서 반사 또는 투과되는 적외선 스펙트럼 파형을 효과적으로 추출할 수 있고, 기존의 범용 적외선 스펙트럼 분광기에 비해 비교적 저가이면서 특정 범위의 소용량 및 현장에서 바로 시료를 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, FPGA 기술과 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초하여 휴대 가능한 가시광선과 적외선 분광센서에 의해 식품의 선도 및 유해성을 측정함으로써 특정 식품에서 반사 또는 투과되는 적외선 스펙트럼 파형을 효과적으로 추출할 수 있는 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치에 관한 것이다.
적외선 스펙트럼 분광 기술은 분자의 진동상태의 변화, 에너지 천이 등에 의해서 발생하는 적외선 영역의 흡수 스펙트럼과 반사 스펙트럼을 검출하여 스펙트럼의 파장이나 세기를 해석함으로써 분자의 형상이나 원자 간의 결합력 또는 그것들의 조성 등을 파악할 수 있는 기술이다. 분자의 각 고유 화학 결합은 특정 주파수에 의해 진동된다.
예를 들면, CH2 분자는 전체적으로 스트레칭과 굽힘 동작에 의한 여러 진동이 있다. 이 분자의 진동은 기저상태에서 고에너지 준위로 전이할 때 형성되는 것으로서 주로 C-H, O-H 등의 진동에 의한 스펙트럼은 폭이 좁은 흡수 띠가 많이 나타난다.
이와 같은 적외선 스펙트럼 분광 기술은 탄화 유기물의 구성 테스트에 적합하기 때문에 물질의 비파괴 분석 및 테스트 영역에서 최근 많은 관심을 끌고 있다.
적외선 스펙트럼 분광 기술은 샘플 분석시 샘플을 파손하거나 소모하지 않기 때문에 환경오염을 유발하지 않는 친환경 분석 기술의 전형적인 대표 기술이라고 할 수 있다. 이러한 적외선 스펙트럼 분광 기술은 각 영역에서 광범위하게 사용되고 있는데 농작물 품질 검사, 식품 성분 분석, 약물 재료 분석, 혈액 측정, 석유 화학공업 분석 등의 응용으로 나눌 수 있으며, 친환경 분석 영역에서 활발한 적용 기술로 호평을 받고 있다.
일반적인 적외선 스펙트럼 분광기는 고가, 대용량의 넓은 범위 측정 및 현장에서 바로 시료를 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1106729호는 비교적 저가이면서 특정 범위의 소용량 및 현장에서 바로 시료를 측정할 수 있는 휴대용 비파괴 내부품질 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 가시광선 및 근적외선을 이용하여 측정시료를 투과하는 투과광을 분석하여 측정시료의 당도나 산도, 내부흠집, 갈변 등의 내부품질을 측정하고, 더욱 정확한 예측을 위해 측정시료의 온도를 측정한 후 온도 보정을 할 수 있으며, 동시에 중량을 측정할 수 있는 저렴하고 휴대할 수 있는 휴대용 비파괴 내부품질 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
휴대용 비파괴 내부품질 측정 장치는 가시광선 및 근적외선을 포함하는 빛을 생성하여 측정시료로 조사하는 광원부, 상기 측정시료의 온도를 측정하는 온도측정부, 상기 측정시료를 고정시키는 시료 접시의 하부에 위치한 광파이버를 통해 상기 측정시료를 투과하는 투과광을 수신하여 이에 상응하는 전기적 신호를 출력하는 검출부 및 상기 검출부로부터 출력된 전기적 신호로부터 기 입력된 예측모델에 의거하여 상기 측정시료의 내부품질 예측값을 계산하고, 상기 내부 품질 예측값을 상기 측정시료의 온도를 이용하여 보정하는 연산제어부를 포함할 수 있다.
본 발명은 FPGA 기술과 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초하여 특정 식품에서 반사 또는 투과되는 적외선 스펙트럼 파형을 효과적으로 추출할 수 있는 휴대 가능한 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 범용 적외선 스펙트럼 분광기에 비해 비교적 저가이면서 특정 범위의 소용량 및 현장에서 바로 시료를 측정할 수 있는 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제공할 수 있다.
그리고, 본 발명은 적외선 스펙트럼 수집 모듈에서 전송되는 적외선 스펙트럼의 신호를 신호 처리하여 스펙트럼 곡선으로 디스플레이할 수 있는 임베디드 분광 모듈을 ARM을 이용한 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초로 설계하고, 각각의 하드웨어와 소프트웨어로 구분하여 구현함으로써 설계와 디버그가 편리해질 수 있는 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제공할 수 있다.
실시예들 중에서, 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치는 적외선 방출기에서 방출되는 스펙트럼 신호를 전기적 신호로 변환한 후에 실시간 적외선 스펙트럼의 데이터를 수집 및 전송하고, 상기 데이터를 외부와 인터페이스(Interface)를 수행하는 적외선 스펙트럼 수집 모듈; 및 상기 적외선 스펙트럼 수집 모듈에서 수집한 적외선 스펙트럼의 데이터를 수신하여 신호 처리함으로써 스펙트럼을 추출하고, 상기 추출된 스펙트럼의 데이터를 디스플레이 및 저장하는 임베디드 분광 모듈을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 적외선 스펙트럼 수집 모듈은, 고정적인 방사 파장을 가지는 적외선을 방출하는 적외선 방출기; 특정 영역의 파장의 적외선을 수집하고 광전신호를 출력하는 적외선 검출기; 상기 적외선 검출기로부터 광전신호를 수신하여 디지털 신호로 변환 출력하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호를 수신하여 적외선 스펙트럼의 데이터를 저장하고, 특정한 데이터 발송 즉시 현재의 데이터를 소거하여 지속적으로 데이터를 수집하는 FIFO 버퍼; 시스템 전원이 인가되면 펄스 신호를 출력하여 상기 적외선 방출기 및 적외선 검출기를 동작시키고, 상기 아날로그/디지털 변환기 및 FIFO 버퍼에 동작 클록을 제공하는 FPGA(Field Programmable Gate Array); 및 상기 FPGA와 버스 인터페이스를 수행하여 상기 적외선 스펙트럼의 데이터를 저장하고, 상기 적외선 스펙트럼의 데이터를 상기 임베디드 분광 모듈에 전송하는 제어유닛(controller Unit)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 임베디드 분광 모듈은, ARM(Advanced RISC Machine)을 사용하여 임베디드 메인보드를 설계하고, 상기 임베디드 메인 보드는 CPU, 메모리 직렬 포트, 외부 저장장치의 인터페이스, 네트워크 인터페이스, 오디오 인터페이스 및 LCD와 터치스크린 인터페이스를 포함할 수 있다.
본 발명은 FPGA 기술과 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초하여 휴대 가능한 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제안함으로써 특정 식품에서 반사 또는 투과되는 적외선 스펙트럼 파형을 효과적으로 추출할 수 있다.
따라서, 본 발명은 기존의 범용 적외선 스펙트럼 분광기에 비해 비교적 저가이면서 특정 범위의 소용량 및 현장에서 바로 시료를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 적외선 스펙트럼 수집 모듈에서 전송되는 적외선 스펙트럼의 신호를 신호 처리하여 스펙트럼 곡선으로 디스플레이할 수 있는 임베디드 분광 모듈을 ARM을 이용한 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초로 설계하고, 각각의 하드웨어와 소프트웨어로 구분하여 구현함으로써 설계와 디버그가 편리해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2는 도 1의 적외선 스펙트럼 수집 모듈을 설명하는 블록도이다.
도 3은 적외선(IR) 클록의 파형도이다.
도 4는 도 2의 적외선 검출기의 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 적외선 검출기의 제어를 위한 타이밍도이다.
도 6은 도 4의 적외선 검출기의 클록 파형도이다.
도 7은 도 2의 아날로그/디지털 변환기의 핀 배열을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7의 아날로그/디지털 변환기의 동작 순서를 설명하는 클록 파형도이다.
도 9는 도 2의 FIFO 버퍼를 설명하는 블록도이다.
도 10은 도 2의 제어 유닛의 버스 인터페이스를 설명하는 회로도이다.
도 11은 제어 유닛의 USART를 설명하는 회로도이다.
도 12는 도 1의 임베디드 분광 모듈을 설명하는 블록도이다.
도 13은 도 12의 임베디드 분광 모듈의 임베디드 메인 보드 인터페이스를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 적외선 스펙트럼 수집 모듈을 설명하는 블록도이다.
도 3은 적외선(IR) 클록의 파형도이다.
도 4는 도 2의 적외선 검출기의 회로를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 적외선 검출기의 제어를 위한 타이밍도이다.
도 6은 도 4의 적외선 검출기의 클록 파형도이다.
도 7은 도 2의 아날로그/디지털 변환기의 핀 배열을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7의 아날로그/디지털 변환기의 동작 순서를 설명하는 클록 파형도이다.
도 9는 도 2의 FIFO 버퍼를 설명하는 블록도이다.
도 10은 도 2의 제어 유닛의 버스 인터페이스를 설명하는 회로도이다.
도 11은 제어 유닛의 USART를 설명하는 회로도이다.
도 12는 도 1의 임베디드 분광 모듈을 설명하는 블록도이다.
도 13은 도 12의 임베디드 분광 모듈의 임베디드 메인 보드 인터페이스를 설명하는 도면이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치(100)는 적외선 스펙트럼 수집 모듈(110) 및 임베디드 분광 모듈(120)을 포함한다.
적외선 스펙트럼 수집 모듈(110)은 적외선 방출기(111)로부터 방출되는 적외선 스펙트럼 신호를 전기적 신호로 변환한 후에 실시간 적외선 스펙트럼의 데이터를 수집 및 전송한다. 적외선 스펙트럼 수집 모듈(110)은 FPGA 기술을 응용하고 하드웨어 서술 언어 VHDL을 사용하여 회로 설계한다.
임베디드 분광 모듈(120)은 ARM 프로세서(121)에 기초하여 적외선 스펙트럼 수집 모듈(110)에서 수집한 적외선 스펙트럼의 데이터를 수신하여 신호 처리한 후에 적외선 스펙트럼의 데이터를 디스플레이 및 저장한다.
도 2는 도 1의 적외선 스펙트럼 수집 모듈을 설명하는 블록도이고, 도 3은 적외선(IR) 클록의 파형도이며, 도 4는 도 2의 적외선 검출기의 회로를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 적외선 검출기의 제어를 위한 타이밍도이며, 도 6은 도 4의 적외선 검출기의 클록 파형도이다.
도 2를 참조하면, 적외선 스펙트럼 수집 모듈(110)은 적외선 방출기(111), 적외선 검출기(112), 아날로그/디지털 변환기(113), FIFO 버퍼(114), FPGA(115) 및 제어유닛(116)을 포함한다.
적외선 방출기(111)는 고정적인 방사 파장의 적외선을 방출한다. 이때, 적외선은 일종의 전자파의 일종으로 전자파 스펙트럼 중에서 파장이 0.76㎛부터 400㎛인 부분이며, 보이지 않는 광선이다.
본 발명에 적용되는 적외선 방출기(111)는 방사율(Emissivity)이 높고, 2-14㎛의 고정적인 방사 파장이 있으며, 고속의 전자 변조가 가능하며, 에너지 소모율이 낮고, 소형이다.
적외선 방출기(111)는 도 3에 도시된 바와 같이 IR_light 타임 클록으로 켜기와 끄기를 제어하는데, IR_light가 높은 전원 레벨일 때 켜지고 IR_light의 전원 레벨이 낮을 때 꺼진다.
도 4 내지 도 6에서, 적외선 검출기(112)는 라인 센서(Line Sensor)로서 6㎛-12㎛파장의 적외선을 수집하고 광전신호를 출력한다. 적외선 검출기(112)는 적외선 방출기(111)의 방사 파장이 2-14㎛이므로 해당되는 파장을 접수할 수 있는 센서이므로 다소 범위가 좁다.
FPGA(115)의 VHDL언어 프로그래밍을 통해 외부 인터페이스와 적외선 검출기(112)의 제어를 위한 타이밍을 구현하고, 방사 파장과 방사율은 도 5에 도시된 바와 같은 관계가 존재하고, 라인 센서의 반응파장의 범위는 6-12㎛이므로, 백그라운드 스펙트럼은 파장이 6-12㎛와 일치할 것이라고 추측할 수 있다.
다시 도 2를 설명하면, 아날로그/디지털 변환기(113)는 적외선 검출기(112)로부터 광전신호를 수신하여 디지털 신호로 변환 출력한다.
컴퓨터 제어에 의한 물리 화학적 계측 시스템, 실시간 데이터 수집 분야와 스마트기기를 이용한 외부 센서 입력 등의 설계 과정에서 적합한 아날로그/디지털 변환기의 선택은 응용시스템 설계에 있어서 중요한 문제이다.
아날로그/디지털 변환기(113)는 정확도가 계측의 신뢰성에 영향을 주고, 변환속도가 응용시스템의 신호 실시간 수집 성능요구에 부합해야 하며, 기준전압이 외부 입력 크기를 결정한다.
아날로그/디지털 변환기(113)의 입력요구는 입력신호 범위, 극성(polarity) 및 신호의 드라이브 능력(drive capability)을 제공하고, 출력요구는 비트수가 적외선 스펙트럼의 광세기 측정 관련 지표에 직접적인 영향을 미친다.
예를 들면, 생화학 분석기의 중국 국가 계량 규격은 생화학 분석기의 흡광표준을 규정했다. 아-질산나트늄을 표준 용액으로 하고 파장이 340㎚인 곳에서 측정하고 미광(stray light)이 1%보다 작게 한다. 만약 영향을 미치는 요소가 단순히 미광(stray light)이라고 하고 미광이 1%라 하면 8비트 아날로그/디지털 변환기(113)를 사용할 경우에 미광의 시뮬레이션 값은 256 × 1% = 2.56이다. 정량화하면 3이고 흡광 계산식은 수학식 1과 같다.
만약 12비트의 아날로그/디지털 변환기(113)를 사용하면 미광 계산 값은 4096 × 1% = 4.096이고, 정량화한 수치는 4이며, 흡광값 계산식은 수학 식2와 같다.
[수학식 1] 및 [수학식 2]에 나타나 있듯이, 동일한 미광 수준 하에 서로 다른 아날로그/디지털 변환기(113)을 사용했을 때 계산한 흡광 수치는 차이가 크다. 높은 해상도의 아날로그/디지털 변환기(113)를 사용하여 스펙트럼을 설계하는 것은 하이엔드 제품을 개발하는 하나의 추세라고 할 수 있다.
그러나, 가격을 고려하여 12비트의 아날로그/디지털 변환기(113)를 사용하면, 12비트 8개 입력채널이 있고, 견본 추출 속도가 빠르고(약 100 k/s), 변조율이 낮으며, 저 전력 소모, 입력범위의 변화가 원활한 특징이 있다.
도 7은 도 2의 아날로그/디지털 변환기의 핀 배열을 설명하는 도면이고, 도 8은 도 7의 아날로그/디지털 변환기의 동작 순서를 설명하는 클록 파형도이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 아날로그/디지털 변환기(113)의 핀들 중에서 CH0-CH7은 8개 신호입력 채널, VDD는 칩 전원 공급 입력, VREF는 외부 기준전압 입력부분, AGND는 아날로그 접지，CLK는 클록 입력부분，Dout은 아날로그/디지털 변환한 디지털 결과를 직렬 출력하는 부분，Ｄin은 선택한 시리얼(serial) 데이터 입력 부분，CS/SHDN은 CS (Chip Selection)/turn-off 컨트롤 부분，DGND은 디지털 접지이다.
아날로그/디지털 변환기(113)는 FPGA(115)와 인터페이스를 하여 데이터를 수집하고, FPGA(115)에서 아날로그/디지털 변환기(113)를 선택한 후 A/D의 입력범위에 근거하여 A/D의 기준전압을 확정한다.
다시 도 2를 설명하면, FIF0 버퍼(114)는 아날로그/디지털 변환기(113)로부터 디지털 신호를 수신하여 적외선 스펙트럼의 데이터를 저장하고, 특정한 데이터를 제어 유닛(116)으로 발송 즉시 현재의 데이터를 소거하여 지속적으로 데이터를 수집하도록 한다.
FIF0 버퍼(114)는 아날로그/디지털 변환기(113)의 데이터 추출속도와 제어유닛(116)에서 데이터 입력 속도차이가 크므로, 작업 효율을 높이고 데이터 손실을 방지하기 위해 소용량의 FIFO를 설계하여 데이터 추출 속도와 입력 속도를 인터페이스 한다.
일반적으로 비동기 FIFO 버퍼(114)는 서로 다른 클록 시스템 사이에서 최대의 속도로 편리하게 실시간 데이터를 전송할 수 있어 네트워크 인터페이스, 영상처리 등 다방면에서 비동기 FIFO 버퍼가 널리 사용되고 있다.
비동기 FIFO 버퍼(114)는 2개의 상호 독립적인 클록 범위에서 데이터가 하나의 시간에서 FIFO 버퍼에 입력하고 다른 시간에서 FIFO 버퍼의 데이터를 읽는 내는 것을 말한다.
FPGA(115)는 FIFO 버퍼(114)의 데이터의 읽기와 쓰기의 시간 제어, 데이터 리셋 등을 제어한다.
도 9는 도 2의 FIFO 버퍼를 설명하는 블록도이다.
도 9를 참조하면, FIFO 버퍼(114)의 wr_req 단자는 writing clock, data[15:0] 단자는 데이터 입력, rd_clk 단자는 read clock, q[15:0] 단자는 데이터 출력, wrfull 단자는 FIFO full 상태, rdempty 단자는 FIFO empty 상태, aclr 단자는 clear FIFO를 각각 의미한다.
다시 도 2를 설명하면, FPGA(115)는 적외선 방출기(111), 적외선 검출기(112), 아날로그/디지털 변환기(113)에 클록 신호를 제공하고, FIFO 버퍼(114)의 입력을 제어한다.
이러한, FPGA(115)는 PAL, GAL, PLD 등 프로그래밍 가능한 부품에서 한 단계 발전한 디바이스로서, 전용 집적회로(ASIC）중 집적도가 제일 높은 디바이스 중의 하나이다. 사용자는 FPGA 내부의 로직 모듈과 I/O 모듈에 대해 VHDL 코드로 로직을 새로 배치하여 사용자의 응용 로직을 실현할 수 있다. 또한, 반복 구현이 가능한 프로그래밍에 의해 시스템을 다시 구성할 수 있는 특성이 있어 하드웨어의 기능을 소프트웨어처럼 프로그램으로 작성하여 수정할 수 있다.
FPGA(115)는 커스텀(Custom) 칩 영역의 단점을 해결했을 뿐만 아니라 고정된 특수 응용 영역을 포함하여 자유로운 설계가 가능하다는 장점을 가진다. FPGA 를 사용하여 디지털 회로를 개발함으로써 설계시간을 대폭 줄이고 PCB 면적을 축소시킬 수 있으며 시스템의 안정성을 제고할 수 있다. 따라서 FPGA(115)은 특수 응용 역역에서 시스템 융합성과 안정성을 제고하는데 있어서 최적 선택 중의 하나라고 할 수 있다.
FPGA(115)는 저비용, 고밀도, 임베디드 멀티플라이어, 선택 가능한 입출력 레지스터, I/O 표준, 고속 외부 메모리 인터페이스, 단일한 VCCIO 혹은 VREF기능과 I/O, I/O 전압표준은 1.5v, 1.8v，3.3v 인터페이스, 레벨 클록 네트워크 402.5㎒의 성능, JTAG 배치 방식을 제공할 수 있다.
제어 유닛(116)은 AVR( Alf(Bogen) Vergard(Wollen) Risc) 구조를 기초로 한 8비트, 저전력 소비 CMOS 마이크로 프로세서인 ATmega128을 사용할 수 있다. 제어 유닛(116)은 특화된 명령군 및 단주기 명령군의 수행시간 때문에 데이터 처리 효율(throughput rate)이 1MIPS/㎒까지 될 수 있어 시스템의 기능과 처리 속도 간 존재하는 단점을 감소할 수 있다.
제어 유닛(116)은 FIFO 버퍼(114)에서 보낸 데이터를 수신한 후에 임베디드 분광 모듈(120)로 보내고, 주로 외부 저장장치의 인터페이스와 비동기 직렬 통신에 의거한다. 제어유닛(116)의 인터페이스는 단순히 포트(PORT) 인터페이스가 아니라 FPGA(115)에 의한 버스(BUS) 인터페이스를 함으로써 포트 인터페이스보다 높은 효율의 데이터를 전송할 수 있다.
도 10은 도 2의 제어 유닛의 버스 인터페이스를 설명하는 회로도이고, 도 11은 제어 유닛의 USART를 설명하는 회로도이다.
도 10 및 도 11을 참고하면, 제어 유닛(116)의 외부 기억 장치 인터페이스는 3개 레지스터가 관여하고 있으며 그 중 MCU는 레지스터 MCUCR을 제어하고, 외부 기억장치는 레지스터 A-XMCRA, B-XMCRB를 제어한다. SRAM(114)는 FPGA(115) 내부의 기억장치인 FIFO 버퍼(114)이고, FIFO 버퍼(114)의 데이터는 IR_CLK에 의해 동기 된다.
시스템에 전원을 인가한 후 FPGA 클록의 펄스 신호 의해 데이터는 아날로그/디지털 변환기(113)를 거쳐 변환된 후 FIFO 버퍼(114)에 도달한다. FIFO 버퍼(114)는 데이터를 수집하고 제어 유닛(116)에 보낸다. FIFO 버퍼(114)의 저장 공간이 풀(FULL) 되는 것을 방지하기 위해 데이터가 발송된 즉시 이번의 데이터를 지워버려 지속적으로 데이터 수집이 가능하게 한다. 제어유닛(116) 제어와 FPGA(115) 제어로 계산된 적외선 방출기(111)의 IR_light 타임 클록으로 켜기와 끄기를 제어한다. 적외선 방출기(111)의 켜기와 끄기의 두 데이터 차이의 데이터를 USART(Universal Synchronous and Asynchronous serial and Transmitter)(116a)를 거쳐 임베디드 분광 모듈(120)에 보낸다. USART(116a)는 제어유닛(116)의 동기와 비동기 직렬 통신부이다.
제어 유닛(116)의 버스 인터페이스는 하기한 바와 같다.
① AD7:0 ：하위 주소 8비트 선과 데이터 8비트
② A15:8 ：상위 주소 8 비트 선
③ ALE ：주소 래치(Latch) 가능
④ RD ：데이터 읽기
⑤ WD ：데이터 쓰기
도 12는 도 1의 임베디드 분광 모듈을 설명하는 블록도이다.
도 12를 참고하면, 임베디드 분광 모듈(120)은 ARM(Advanced RISC Machine) 프로세서(121)을 사용하여 임베디드 메인보드를 설계하는데, 임베디드 메인 보드는 CPU, 메모리 직렬 포트, 외부 저장장치의 인터페이스, 네트워크 인터페이스, 오디오 인터페이스 및 LCD와 터치스크린 인터페이스를 포함한다.
또한, 임베디드 분광 모듈(120)은 NFS(Network File System)을 통해 사용자 명령 및 소프트웨어를 전달하는 호스트 PC(Host PC)와 연결된다.
적외선 스펙트럼의 임베디드 분광 모듈(120)에 적합한 임베디드 프로세서를 선택하는 것은 시스템의 안정성과 가격 대비 성능을 효과적으로 제고할 수 있을 뿐만 아니라 개발 난이도를 다운시킬 수 있다.
임베디드 분광 모듈(120)은 ARM11을 사용하여 임베디드 메인보드를 설계하고 FPGA(115)와 ATmega128의 제어유닛(116)에서 수신된 데이터를 스펙트럼으로 처리한다. 이때, ARM11의 프로세서(121)는 고성능, 저비용, 저 전력소모라는 특징이 있고, 임베디드 프로세서 군의 하나로서 고성능, 저가, 저 전력소모의 RISC 프로세서로서 많은 제품군이 있다.
임베디드 분광 모듈(120)의 ARM 프로세서(121)의 특징과 타입은 하기한 바와 같다.
① CPU코어
ARM7：소형, 고속, 저 전력소비, 통합형 RISC 코어로서 이동통신에 사용되고 있다.
ARM7TMDI： ARM 회사에서 사용자에게 제일 많이 권한을 부여한 제품 중의 하나로서 ARM와 Thumb을 채용하여 메모리 용량과 시스템 비용이 감소했다.
AEM9TDMI： 5단계 채널화 ＡRM9 코어를 사용하고 동시에 Thumb 채용, 테스트 용이 및 Harvard구조를 가진다.
② 시스템확장
Thumb：16비트 명령군을 사용하여 32비트의 RISC 성능을 제공한다. 16비트 명령군을 사용함으로써 메모리 저장 공간이 작아도 되는 장점을 가진다.
③ 임베디드 ICE 디버그
ICE의 CPU 코어 디버그 기술과 유사하게 타겟보드의 원형을 설계 할 수 잇고 시스템 칩의 디버그를 용의하게 한다.
④ 마이크로 프로세서
ARM710 시리즈: ARM710, ARM710T, ARM720T를 가지며 저가, 저 전력소비 및 일반적인 시스템 마이크로프로세서로서 높은 캐시, 쓰기 캐시(Write cache)와 JTAG가 있다.
Strong ARM： 고성능일 뿐만 아니라 동시에 일반적인 응용 수요를 만족시킬 수 있는 마이크로프로세서 기술로서 DEC와 연합하여 연구 제작한 것이고 후에 Intel에게 권한을 부여했다.
현재 ARM 프로세서(121)는 Intel, IBM, SAMSUNG 등 총 30여개 반도체회사와 하드웨어 기술 사용권 계약을 체결했고 ARM 마이크로프로세서는 광범위하게 도입 및 응용되고 있다.
ARM 마이크로프로세서는 수십 가지의 코어 구조가 있고 다양한 내부 기능 배치조합이 있어 선택할 때 여러 가지 어려움이 있다. 칩 성능과 시스템 수요 및 실제상황을 고려하여 적당한 코어 구조를 선택하여 메인보드로 설계한다.
본 발명에 적용될 수 있는 ARM 마이크로프로세서 중에서 S3C6410는 저 전력소모, 높은 가격대 성능비 등의 특징이 요구되는 핸드폰과 임베디드 응용 시스템에 RSIC 프로세서로 사용된다. 2.5G 및 3G통신 서비스에 우월한 하드웨어 성능을 제공해 준다. 64/32BIT 내부 데이터 구조를 사용하고 AXI, AHB, APB인터페이스를 제공한다. 또한 강력한 하드웨어 가속장치가 요구되는 영상처리, 오디오 처리, 2D가속, 디스플레이 처리와 축소 기능 등을 가지고 있다.
S3C6410의 MFC(MULTI-FORMAT VIDEO CODEC)는 MPEG4/H.263/H.264 코딩 및 디코딩, VC1 디코딩을 지원한다. 이 하드웨어 코딩 및 디코딩 장치는 실시간 영상회의 및 NTSC와 PAL식의 TV출력을 지원한다. 내부에 가장 최신의 3D가속기를 채용하여 OpenGL ES 1.1/2.0, D3DM API를 지지하고 4M TRIANGLES/S의 3D가속을 실현할 수 있다.
S3C6410는 효과적인 외부 저장장치의 인터페이스를 포함하는데 이 인터페이스는 하이엔드 통신 서비스 중인 데이터 대역폭 요구를 만족시킬 수 있다. 인터페이스는 DRAM와 FLASH/ROM/DRAM포트로 나눌 수 있다. DRAM포트는 배치를 통해 Mobile DDR, DDR, Mobile SDRAM, SDRAM을 지원할 수 있다. FLASH/ROM/DRAM포트는 NOR-Flash，NAND-Flash，ONENAND，CF，ROM 등 유형의 외부 저장장치를 지원한다.
그리고, S3C6410은 전체적인 시스템의 비용을 낮추고 전체적인 기능 제고를 위하여 많은 하드웨어 외부 장치가 포함된다. 즉 CAMERA 인터페이스, TFT 24-Bit 트루 컬러 LCD 컨트롤러，시스템 관리 엘리먼트(스위치 등), 4채널의 UART，32채널의 DMA，4채널의 타이머，GPIO，I2S모선，USB HOST，고속 USB OTG，SD HOST와 고속 MMC카드 인터페이스 및 내부의 PLL 클럭 발생기이다.
임베디드 분광 모듈(120)은 S3C6410을 CPU로 사용하여 성능이 안정적이고 칩의 정도가 높고 확산성이 강하며 가격대비 성능이 높은 임베디드 메인 보드로 구현될 수 있다. 이는 GPS，PDA，MID，DMB，스마트폰, 핸드 설비, 태블릿 PC와 미디어 플레이어 등 소비형 전자용품 및 산업영역에서 사용되고 있다.
예를 들어, 임베디드 메인 보드는 CPU가 S3C6410로서 주요 클록주파수 533/666MHz이고, 코어는 ARM1176JZF-S, 외부 저장장치 메모리는128MB Mobile DDR NOR, Flash는 1MB, NAND Flash는 1GB, 직렬 포트, 네트워크 인터페이스, USB 인터페이스, 오디오 인터페이스, 저장 인터페이스 및 LCD와 터치스크린 인터페이스를 포함하여 하드웨어 자원을 구성할 수 있다.
이때, 직렬포트는 1개 9라인 직렬포트, 1개 5라인 직렬포트는 2.0mm핀으로 CPU의 4개 UART의 신호, 네트워크 인터페이스는 1개 10M이더넷 단자, USB 인터페이스는 1개 USB1.1 HOST인터페이스, 1개 USB 2.0 OTG 인터페이스, USB2.0인터페이스의 WLAN 모듈을 선택할 수 있고 이 모듈은 IEEE 802.11b/g표준을 지지하며, 모듈의 데이터 전송 속도는 최고로 54Mbps까지 도달할 수 있고 네트워크 상황에 근거하여 자동으로 네트워크를 선택할 수 있다.
오디오 인터페이스는 1개 AC97오디오 인터페이스，1개 스테레오 가청 주파수 출력 인터페이스는 이어폰 혹은 음향기를 연결 가능, 보드에 스피커가 달려 녹음 지원 가능, 기계에 딸린 마이크는 직접 녹음 가능, 또 다른 마이크 인터페이스는 마이크를 연결 가능하다.
저장 인터페이스는 1개 SD카드 인터페이스, 최대 8GB지원,2.0mm contact pin은 8-bit의 SD/MMC인터페이스이고, LCD와 터치스크린 인터페이스는 1개 50칩 LCD 터페이스는 LCD 컨트롤러, 흑백, 4급 그레이 레벨, 16급 그레이 레벨, 256색, 4096색 STN-LCD, TFT 컬러를 지원한다.
도 13은 도 12의 임베디드 분광 모듈의 임베디드 메인 보드 인터페이스를 설명하는 도면이다.
도 13을 참조하면, 호스트 PC(130)는 윈도우(Windows) 시스템이며 식품의 신선도 및 유해 측정에 필요한 각종 소프트웨어를 NFS를 통하여 임베디드 분광 모듈(120)에 전달된다.
NFS(Network File System)는 임베디드 분광 모듈(120)의 네트워크 인터페이스를 통해 호스트 PC(130)의 LAN과 연결되어 있고, 임베디드 분광 모듈(120)의 명령은 호스트 PC(130)의 명령(Command) 창에서 전달한다. 사용자 명령은 호스트 PC(130)의 Com0의 직렬포트와 임베디드 메인 보드의 Com0에 연결된다.
한편, FPGA(115)의 FIFO 버퍼(114)로부터 수집된 적외선 스펙트럼의 데이터는 FPGA(115)와 버스 인터페이스 된 제어유닛(116)에 저장되고, 이 적외선 스펙트럼의 데이터는 임베디드 분광 모듈(120)에 전달되어 스펙트럼을 추출한다. 이때 사용된 인터페이스는 제어 유닛(116)의 직렬 포트이고 임베디드 분광 모듈(120)에서는 Com1과 연결되어 있다. 제어 유닛(116)으로부터 받은 적외선 스펙트럼의 데이터는 임베디드 분광 모듈(120)의 이미지 버퍼(120a)에 저장되어 LCD(122)에 그래픽으로 표시되어 진다.
이와 같이, 본 발명은 시스템에 전원을 인가하면 FPGA(115)에서 아날로그/디지털 변환기(113) 및 FIFO 버퍼(114)를 초기화하고 작업 상태에 진입하고, FPGA(115)가 펄스 신호를 내보내면 적외선 방출기(111)와 적외선 검출기(112)가 작동하는 동시에 아날로그/디지털 변환기(113)와 FIFO 버퍼(114)에 동작 클록을 제공한다.
적외선 방출기(111)는 특정 식품에 적외선을 방출하고, 적외선 검출기(112)는 특정 식품에서 반사 또는 투과되는 스펙트럼을 검출하여 아날로그/디지털 변환기(113)에 광전신호를 출력하며, 아날로그/디지털 변환기(113)는 12비트의 디지털 신호로 변환한다.
FIFO 버퍼(114)는 FPGA(115)가 보낸 쓰기 펄스 하에 12비트의 디지털 신호를 수신 및 저장하고, FIFO 버퍼(114)에 저장된 데이터는 제어유닛(116)을 통해 임베디드 분광 모듈(120)에 전송된다.
임베디드 분광 모듈(120)은 제어유닛(116)을 통해 수신한 데이터를 처리하여 최종적으로 LCD(122)에 스펙트럼 곡선을 디스플레이한다.
이때, 호스트 PC(130)는 투과 스펙트럼 또는 반사 스펙트럼을 모델링하여 기준 시료 데이터를 구축하고, NFS를 통해 임베디드 분광 모듈(120)로 기준 시료 데이터를 제공할 수 있다. 임베디드 분광 모듈(120)은 LCD(122)에 디스플레이된 스펙트럼 곡선과 기준 시료 데이터를 비교하여 식품의 선도와 유해 정도를 손쉽게 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 FPGA 기술과 임베디드 리눅스에 의한 휴대 가능한 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치를 제안함으로써 적외선 스펙트럼 파형을 효과적으로 추출할 수 있다.
본 발명은 기존의 범용 적외선 스펙트럼 분광기이 고가, 대용량의 넓은 측정범위 및 현장에서 바로 시료를 측정하기 어려운 분광기의 사양에 비해 비교적 저가이면서 특정 범위의 소용량 및 현장에서 바로 시료를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 ARM을 이용한 임베디드 리눅스 운영 체제를 기초로 가시광선과 적외선 분광 센서를 이용한 적외선 스펙트럼 수집 모듈 및 임베디드 분광 모듈을 설계하고, 각각의 하드웨어와 소프트웨어로 구분하여 구현함으로써 설계와 디버그가 편리해질 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 출원의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 적외선 스펙트럼 수집 모듈 111 : 적외선 방출기
112 : 적외선 검출기 113 : 아날로그/디지털 변환기
114 : FIFO 버퍼 115 : FPGA
116 : 제어유닛 120 : 임베디드 분광 모듈
121 : ARM 프로세서 122 : LCD
123 : USB
112 : 적외선 검출기 113 : 아날로그/디지털 변환기
114 : FIFO 버퍼 115 : FPGA
116 : 제어유닛 120 : 임베디드 분광 모듈
121 : ARM 프로세서 122 : LCD
123 : USB
Claims (3)
- 적외선 방출기에서 방출되는 스펙트럼 신호를 전기적 신호로 변환한 후에 실시간 적외선 스펙트럼의 데이터를 수집 및 전송하고, 상기 데이터를 외부와 인터페이스(Interface)를 수행하는 적외선 스펙트럼 수집 모듈; 및
상기 적외선 스펙트럼 수집 모듈에서 수집한 적외선 스펙트럼의 데이터를 수신하여 신호 처리함으로써 스펙트럼을 추출하고, 상기 추출된 스펙트럼의 데이터를 디스플레이 및 저장하는 임베디드 분광 모듈을 포함하고,
상기 적외선 스펙트럼 수집 모듈은,
고정적인 방사 파장을 가지는 적외선을 방출하는 적외선 방출기;
특정 영역의 파장의 적외선을 수집하고 광전신호를 출력하는 적외선 검출기;
상기 적외선 검출기로부터 광전신호를 수신하여 디지털 신호로 변환 출력하는 아날로그/디지털 변환기;
상기 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호를 수신하여 적외선 스펙트럼의 데이터를 저장하고, 특정한 데이터 발송 즉시 현재의 데이터를 소거하여 지속적으로 데이터를 수집하는 FIFO 버퍼;
시스템 전원이 인가되면 펄스 신호를 출력하여 상기 적외선 방출기 및 적외선 검출기를 동작시키고, 상기 아날로그/디지털 변환기 및 FIFO 버퍼에 동작 클록을 제공하는 FPGA(Field Programmable Gate Array); 및
상기 FPGA와 버스 인터페이스를 수행하여 상기 적외선 스펙트럼의 데이터를 저장하고, 상기 적외선 스펙트럼의 데이터를 상기 임베디드 분광 모듈에 전송하는 제어유닛(Controller Unit)을 포함하는 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 임베디드 분광 모듈은,
ARM(Advanced RISC Machine)을 사용하여 임베디드 메인보드를 설계하고, 상기 임베디드 메인 보드는 CPU, 메모리 직렬 포트, 외부 저장장치의 인터페이스, 네트워크 인터페이스, 오디오 인터페이스 및 LCD와 터치스크린 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120057083A KR101376016B1 (ko) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120057083A KR101376016B1 (ko) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20130133949A KR20130133949A (ko) | 2013-12-10 |
| KR101376016B1 true KR101376016B1 (ko) | 2014-03-20 |
Family
ID=49981649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120057083A KR101376016B1 (ko) | 2012-05-30 | 2012-05-30 | 가시광선과 적외선 분광센서에 의한 식품의 선도 및 유해성 측정 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101376016B1 (ko) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20160134250A (ko) * | 2015-05-15 | 2016-11-23 | 피도연 | 식품의 상태 측정기 및 이를 이용한 식품의 상태 측정 시스템 |
| KR102500593B1 (ko) | 2021-09-13 | 2023-02-16 | 동의대학교 산학협력단 | 머신 러닝 기반 식품 상태 감지 시스템 및 방법 |
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| KR102525937B1 (ko) * | 2018-03-20 | 2023-04-28 | 삼성전자주식회사 | 복수의 광원을 포함하는 전자 장치 |
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-
2012
- 2012-05-30 KR KR1020120057083A patent/KR101376016B1/ko not_active IP Right Cessation
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