近红外光谱仪串口指令解析

概述

谱研互联近红外光谱模组和光谱仪支持通过 USB 虚拟串口（HID）进行底层指令通信。掌握串口指令协议，可以在不使用 SDK 的情况下直接与设备交互，适用于嵌入式系统开发、自定义上位机开发等场景。本文介绍串口通信的数据帧结构、校验机制以及常用操作指令。

一、数据帧结构

每条指令由固定格式的数据帧（Packet）组成，帧结构如下：

示例帧（配置扫描参数）：

41 42 43 44         ← start bytes
5D 00 00 00         ← checksum
C0                  ← flag
00                  ← sequence byte
1E 00               ← length = 30
18 02               ← command (NNO_CMD_CONFIG_SCAN)
04 04 02 00 ...     ← data（28 bytes）
44 43 42 41         ← trailer bytes

二、校验和计算

校验和用于验证数据传输的完整性。计算方式为：对从 flag 到 data 末尾的所有字节求和（不含 start bytes 和 trailer bytes），取低 4 字节。接收方收到数据后重新计算校验和并与帧中的 checksum 字段比对，不一致则说明传输错误。

三、常用操作指令

3.1 配置扫描参数（NNO_CMD_CONFIG_SCAN）

指令码：0x18 0x02

配置光谱仪的扫描参数，包括积分时间、增益、扫描模式等。发送后设备返回相同的指令帧表示确认。

发送帧示例：

41 42 43 44 5D 00 00 00 C0 00 1E 00 18 02
[28 bytes 配置数据]
44 43 42 41

3.2 执行扫描（NNO_CMD_PERFORM_SCAN）

指令码：0x16 0x02

触发一次光谱扫描。该指令无 data 字段（length = 2）。

发送帧：

41 42 43 44 DA 00 00 00 C0 00 02 00 16 02 44 43 42 41

返回帧：设备返回扫描数据包，data 中包含波长、强度等信息。

3.3 获取扫描状态（NNO_CMD_SCAN_GET_STATUS）

指令码：0x19 0x02

查询扫描是否完成。返回的 data payload：

发送帧：

41 42 43 44 DD 00 00 00 C0 00 02 00 19 02 44 43 42 41

3.4 获取返回数据长度（NNO_CMD_FILE_GET_READSIZE）

指令码：0x2D 0x00

读取本次扫描返回的数据包总长度（bytes），用于后续分片读取。

3.5 获取扫描数据（NNO_CMD_FILE_GET_DATA）

指令码：0x2E 0x00

读取完整的扫描数据包。返回的 data 中包含以下信息：

四、扫描数据的读取流程

完整的扫描与数据读取流程如下：

1. 发送 CONFIG_SCAN       → 配置扫描参数
2. 发送 PERFORM_SCAN      → 触发扫描
3. 轮询 GET_STATUS        → 等待扫描完成（data[0] == 0x01）
4. 发送 GET_READSIZE      → 获取数据包长度
5. 发送 GET_DATA          → 读取完整数据包
6. 解析 wavelength[] 和 intensity[] → 获取光谱数据

五、积分时间与像素宽度的换算

积分时间（exposure time）

积分时间的 index 从 0 开始，与真实时间的对应关系：

像素宽度（width_px）

以 DMD 像素（px）为单位计算图案宽度。对于标准波长光机（900–1700 nm）：

$$1\text{ px} \approx 1.1709\text{ nm} = \frac{800\text{ nm}}{854\text{ px} \times 80\%}$$

对于扩展波长光机（1350–2150 nm / 1600–2400 nm），1 px ≈ 1 nm。

六、常见问题

结构体对齐

在 C/C++ 开发中解析数据包时，需注意结构体的字节对齐问题。以下结构体因包含不同大小的成员（uint8_t、uint16_t、char[ ]），编译器可能自动插入填充字节导致解析偏移：

struct ScanConfig {
    uint8_t  scan_type;
    uint16_t scanConfigIndex;      // 可能在 offset 2 而非 offset 1
    char     serial_number[8];
    char     config_name[40];
    uint16_t num_repeats;
    uint8_t  num_sections;
};

解决方案：使用 #pragma pack(1) 或 __attribute__((packed)) 强制按 1 字节对齐，或逐字段手动解析偏移位置，不依赖 sizeof 计算。

本文由谱研互联整理编写