基于拉曼光譜技術的實時檢測系統硬件平臺設計

許志濤 李悅 任延宇 許志欽

【摘要】? ? 搭建了一套基于拉曼光譜技術的白酒在線實時檢測系統硬件平臺，主要包括中控系統、光譜數據采集系統、光譜數據處理系統、光譜數據判讀系統、顯示系統等5個模塊。

【關鍵詞】? ? 拉曼光譜技術? ? 檢測系統? ? 平臺設計

引言：

中國白酒一般由小麥、高粱、大米或代用原料等經蒸煮、發酵、蒸餾、貯存、窖藏、勾兌而成，釀造過程主要包括開始、中間和后期三個階段。一般采用“掐頭去尾”的方式摘取中間階段的蒸餾酒，去掉開始階段的頭酒和后期階段的尾酒，目前摘酒工作主要依靠工藝師的人工經驗進行判斷來完成。

釀酒工藝師摘酒經驗來源依據主要為看酒花、聞酒味和品酒味，即靠工藝師的主觀對酒進行檢測。白酒成分較為復雜，除乙醇和水等主要成分外，還包括乙酸乙酯、乙酸異戊酯、丁酸乙酯、庚酸乙酯、辛酸乙酯以及異丁醇、異戊醇等微量香味物質。這些微量物質的香味決定了酒的風味特點。所謂的白酒酒香都是復合香。有些成份雖香味不大，但有溶解其它香氣成份的定香作用。

拉曼是一種光散射技術，激光光源的高強度入射光被分子散射時，有極小一部分散射光的波長與入射光不同，其波長的改變由測試樣品的化學結構所決定，這部分散射光稱為拉曼散射，波長的變化稱為拉曼位移。化學結構不同，拉曼位移不同，物質含量不同，對應拉曼位移處的散射光強度不同，即拉曼光譜圖隨樣品中物質化學結構及其含量的變化而變化。

白酒的拉曼光譜圖隨白酒酒精度及其微量物質的變化而變化。白酒蒸餾過程中，隨著時間的推移，蒸餾出的液體酒精度和微量物質的含量均會發生變化，其對應的拉曼光譜圖也會產生變化。另外，拉曼光譜檢測對檢測物質無破壞。鑒于此，白酒在線檢測可采用拉曼光譜檢測技術，本文主要研究基于拉曼光譜技術的實時檢測系統硬件平臺設計。

一、檢測系統硬件平臺

對于白酒在線檢測系統而言，其輸入為釀造生產線上的白酒，輸出為采樣樣品的檢測及判別結果。即，檢測系統目的是對釀造生產線上的白酒進行采樣，依據拉曼散射原理對樣品進行檢測，并對檢測數據進行處理和判讀，識別出樣品所處釀造出酒階段，然后把該判別結果上傳給釀造生產線，由生產線的控制系統去對此時釀造生產線上的白酒進行相應階段的采摘處理。

硬件平臺是檢測算法實現的基礎，其整體架構主要包括中控系統、光譜數據采集系統、光譜數據處理系統、光譜數據判讀系統、顯示系統等，如圖2所示。

其工作原理為：中控系統發送指令給光譜數據采集系統，對白酒進行采樣和檢測，完成后，采集系統發送完成信號給中控系統，同時將所采集的數據傳送給光譜數據處理系統和顯示系統;中控系統發送指令給光譜數據處理系統，數據處理系統接收數據，并對數據進行處理，結束后發送完成信號給中控系統，同時將所處理的數據發送給光譜數據判讀系統和顯示系統;中控系統發送指令給判讀系統對數據進行接收和判讀，結束后，判讀系統發送完成信號給中控系統和顯示系統;中控系統發送完成信號和判讀結果給生產線控制系統。

1.1 光譜數據處理系統

光譜數據的處理主要包括擬合、扣基線等，形成最終的光譜數據。

光譜數據處理系統選用FPGA + DSP的架構。中控系統首先發送數據接收控制指令給數據處理系統接收拉曼光譜儀所采集到的光譜數據;接收完畢后，對光譜數據進行擬合、扣基線等處理;處理完數據后，處理系統發送完畢信號給中控系統，并將處理好的光譜數據發送給光譜數據判讀系統和顯示系統。

為了減小誤差，需要對同一樣品進行多次測試，然后采用數學方法對多次采樣所得數據進行處理。

1.2光譜數據判讀系統

光譜數據判讀系統主要采用檢測算法對處理后的光譜數據進行分析，判斷出所測樣品所處的蒸餾階段。

光譜數據判讀系統選用FPGA + DSP的架構，并將識酒算法移植入硬件平臺。中控系統首先發送數據接收控制指令給光譜數據判讀系統接收處理后的光譜數據;接收完畢后，對光譜數據進行判讀;結束后，判讀系統發送完畢信號和判讀結果給中控系統，同時將判讀結果發送給顯示系統。

1.3 顯示系統

顯示系統顯示的內容包括拉曼光譜儀檢測獲取的原始光譜數據、處理后的光譜數據以及判讀結果等，同時還控制拉曼光譜儀的參數設置。

顯示系統載體采用PC機，操作系統采用windows，顯示軟件在原拉曼光譜儀廠家所提供軟件基礎上進行改造。

1.4中控系統

中控系統芯片主要采用FPGA，對光譜數據采集、光譜數據處理、光譜數據判讀等外圍系統進行控制協調。外圍系統的控制部分可與中控系統共用同一個FPGA。

參? 考? 文? 獻

[1] 相里加雄， 翟旭龍， 趙向東等. 淺議白酒蒸餾技術與白酒品質的關系[J]， 釀酒， 2017，（2）

[2] 黃亞東. 對濃香型大曲白酒蒸餾智能化技術的分析[J]， 山東工業技術， 2018，（16）

[3] 楊旭寧. 基于拉曼光譜技術的白酒酒精度檢測平臺的研究[D]. 寧夏大學， 2019