一种嵌入式大量数据处理技术的研究*

钟震宇 卢杏坚 曹永军

1 引言

随着自动化技术的发展，嵌入式系统广泛应用于监控等方面，如对电场致聚合物的响应特性测试、石材切割装备的自动控制、光学镀膜过程监控。对于这些应用，往往会存在大容量数据采集与运算的问题，如复合光路膜厚监控系统中的宽光谱扫描波长范围为 400nm～800nm，波长分辨率为 1nm，采集扫描速度为12次/秒（积分时间为70ms），测量扫描速度为2次/秒，透射率测量精度为 0.1%，主波长控制精度为 1%[1]。考虑到抗噪的要求，需要采用平均值滤波法，系统除了每秒数千次的加减运算外，还有近千次的乘除运算，这对系统而言资源开销太大。考虑到运算速度等因素，以往通常采用 PC-BASED的构架方式，但随着MCU的性能越来越强大，已具有能够完成这些运算的能力，加上其在工业应用上更具良好的实时性和稳定性，嵌入式系统有逐步取代PC-BASED构架方式的趋势[2]。本文以复合光路膜厚监控仪为例，探讨嵌入式大量数据采集与处理技术。

2 系统组成

光学镀膜制备中控制膜层厚度的主要方法有目视法、石英晶体振荡法、单波长极值法、宽光谱扫描法。几种方法各有利弊，在不同的场合下各有所长。随着对光学薄膜复杂性和精度要求的不断提高，单一的控制方法已经无法满足需要。目前国产镀膜设备普遍用单波长极值法监控膜层厚度，光学镀膜工艺操作仍然依靠经验，难以满足监控镀制高性能复杂膜系光学薄膜的要求。开发嵌入式复合光路膜厚监控仪，实现基于宽光谱扫描法的实时宽光谱膜厚监控系统和基于单波长极值法的光学膜厚监控系统的兼容使用，采用宽光谱扫描、评价函数、单波长极值等多种方法综合监控光学膜厚，实时监控镀膜过程，有利于提高镀膜质量，提高膜厚监控的准确性。

图1是复合光路膜厚监控仪系统结构示意图，其中MKG-5光学膜厚控制仪进行单波长极值法膜厚监控，USB2000光纤光谱仪进行光谱采集。由于光谱采集处理周期约为 83ms，系统担负的任务繁重，可能会影响系统的实时性。因此，系统考虑双嵌入式系统的构架，从芯片专门负责光谱采集和处理的事宜；主芯片主要负责对单波长极值法膜厚监控采集的数据（采集处理周期为0.5s）和从芯片处理后的数据进行评价判断、显示和控制。

图1 复合光路膜厚监控仪系统结构图

这种构架优点在于：① 系统判别与控制的实时性和可靠性能够得到保障；② 结构清晰，程序简单；③ 系统源丰富，便于扩展功能。

3 信号采集与处理

实现膜厚监控的自动化，首先应将被测信号或反映被测信号的信息量输入计算机，由计算机对采集的信号实施相应的处理，并根据条件做出适当的反馈。

3.1 平均值滤波[3]

宽光谱扫描法就是通过将各层的实测光谱曲线与各层的理论光谱曲线进行对比分析，通过调整镀膜过程让实测光谱曲线逐步逼近理论光谱曲线。宽光谱扫描波长范围为400nm～800nm，波长分辨率为1nm，这就意味着在83ms内要求400次计算。而镀膜过程中，信号变化比较缓慢，采样频率相对而言比较高，这样信号在某个时间段内的变化值可以看作是一个静态的过程，考虑到测量周期是1秒2次，也就是说理想状态下有6组数据做平均值，对于第t个波长分辨率而言，有：

其中tV是指1个测量周期内第t个波长分辨率的采样平均值，]800,400[∈t。

3.2 区域平均值比较法

通过平均值滤波可以有效地抑制噪声干扰和随机误差，但同时由于增加了除法，运算量将更大。为了减少运算量，尤其是除法带来的运算量，可以适当地将分辨率调整到5nm的离散间隔，这样除法量将从400次降至80次。

① 重构实测光谱曲线

首先对6组测量的数据累加，得到：

将相邻的5个测量点的累加值相加后进行平均值计算，得到：

其中]79,0[∈i，i t 5400+= 。

② 重构理论光谱曲线，取相邻的5个测量点的平均值

③ 通过比较分析重构后的理论光谱曲线与实测光谱曲线各点的值来实现宽光谱膜厚的监控，重构后的理论光谱曲线计算好后存储在从芯片中，可通过查表法查询比较。

4 应用实例

在国产 LDSX-800低压反应离子镀膜机上做测试，表1是取波长范围为400nm到439nm的40个点的平均值。表2是分辨率为5nm的实测数据与重构实测数据的对比。从数据可以看出：重构后的实测光谱曲线较5nm的实测数据更能反映1nm的曲线的变化。证明了重构后的实测光谱曲线不是简单的降低了分辨精度，实质上是将每5nm区域内的数据变化趋势集中反应出来，这样既保证了细节的真实性，同时也减少了运算量，为嵌入式系统处理大数据提供了有效的解决方案。

表1 一组分辨率为1nm的平均值滤波后的原始数据

表2 分辨率为5nm的实测数据与区域平均值的对比

5 结论

嵌入式系统在处理大容量数据时，应根据具体需求采取相应对策。本文以复合光路膜厚监控仪为例，从系统组成、数据处理等方面进行研究，取得了较好的效果，并在电场致聚合物的响应特性测试、石材切割装备的自动控制中得到了应用。

① 针对宽光谱扫描法系统资源开销大的问题，采用双嵌入式系统结构，从芯片主要负责宽光谱的数据采集、滤波处理与评估判断，确保了主芯片有足够的资源保证系统稳定可靠地运行；

② 采用平均值滤波法有效地抑制了数据传输中的噪声干扰和随机误差，提高了系统控制的精度；

③ 采用区域平均值比较法，通过重构理论光谱曲线与实测光谱曲线，大幅减少了运算量。由于不是简单的降低了分辨精度，而是将每段区域内的数据变化趋势集中反应出来，使其更加真实地体现出变化趋势，有利于系统精准控制。

[1] 任豪,王巧彬,罗宇强,李康业.复合光路光学镀膜宽光谱膜厚监控系统[J].激光与光电子学进展,2010(053101):1-5.

[2] 喻焰,鲍娟,李海光.嵌入式大容量数据采集系统设计[J].微计算机信息,2007(23):26-28.

[3] 刘雄英,黄光周,于继荣.实时光学薄膜膜厚监控系统研究[J].真空科学与技术学报,2005(25).306-308.