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光尋址型傳感器中光源控制系統的設計與實(shí)現
摘 要:針對光尋址型傳感器對尋址光源的要求,本文以FPGA芯片為核心,采用VHDL作為FPGA開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,以Visual Basic為軟件開(kāi)發(fā)平臺,研制了可實(shí)現電腦遠程控制的、具有較好人機交互界面的光源控制系統。根據傳感器陣列中敏感單元的實(shí)際使用情況,本光源控制系統可對光源陣列的尋址方式和尋址時(shí)間,以及光源驅動(dòng)功率、波形、調制頻率等進(jìn)行自由設置,與傳統的逐點(diǎn)掃描型尋址方式相比,有助于節省檢測時(shí)間、提高系統的靈活性;光源的調制頻率可在1~80K Hz任意設置,滿(mǎn)足了光尋址型傳感器對不同調制頻率的要求;光源的驅動(dòng)電壓,可根據所選光源類(lèi)型,在1.25~5 V內設置和調節。
關(guān)鍵詞:光尋址型傳感器光源陣列FPGAVisual Basic
中圖分類(lèi)號:TP311 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2011)03-0018-04
1、引言
光尋址型傳感器是一種基于半導體光電效應的固態(tài)敏感器件,通過(guò)敏感膜將生化反應過(guò)程與半導體光電效應相耦合[1],激發(fā)光照射位置與輸出電信號之間具有一一對應的關(guān)系,因此易于實(shí)現多種物質(zhì)的同時(shí)檢測。目前這類(lèi)傳感器在實(shí)現離子[2]、蛋白質(zhì)分子[3]、甚至細胞[4],等多種物質(zhì)的檢測中得到了研究,取得了較好的成果。隨著(zhù)新型半導體功能材料及相關(guān)加工技術(shù)的不斷涌現,光電式傳感器向著(zhù)微型化,集成化,多點(diǎn)及多參數測量方面發(fā)展,在生物醫藥等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的發(fā)展應用前景。
由于光尋址型傳感器的輸出信號與尋址光源具有一一對應的關(guān)系,通過(guò)控制光照位點(diǎn),可實(shí)現對傳感器陣列中不同敏感單元尋址,因此在光尋址傳感器系統中,又將光源成為“尋址光源”或“激發(fā)光源”。在光尋址型傳感器測控系統中,光源控制模塊是傳感器的重要組成部分之一,需滿(mǎn)足傳感器對光源的調制頻率、尋址方式和尋址時(shí)間、發(fā)光強度等方面的要求,同時(shí)還需針對不同光源提供適當的驅動(dòng)電壓。其中,陣列化光源因其具有尋址精度高、易于小型化、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn),是當前的發(fā)展方向[6]。為此,本文研發(fā)了光源陣列控制器,可提供1K~80K Hz的調制頻率;既可實(shí)現傳統的逐點(diǎn)掃描,也可實(shí)現任意自由尋址;可為不同類(lèi)型的光源,提供1.25~5 V任意可調光源驅動(dòng),并有方波和三角波兩種可選驅動(dòng)波形;控制器主板可通過(guò)串口或USB與電腦相連,實(shí)現了對光源控制系統的遠程交互式控制。
本文在主板設計上采用了基于FPGA(可編程邏輯器件)芯片的設計方案,其中的系統功能描述使用了VHDL語(yǔ)言;軟件設計上,以Visual Basic為平臺,為硬件系統開(kāi)發(fā)了交互式光源控制軟件,既可控制光源陣列,也可查詢(xún)當前系統狀態(tài)。
本系統可滿(mǎn)足光尋址型傳感器對激發(fā)調制頻率、尋址方式等方面的控制需求;封裝后整體尺寸為13cm×12cm×3cm,便于與傳感器整合,實(shí)現光尋址型傳感器的儀器化;同時(shí)易于操作,具有較好的用戶(hù)友好性。
2、控制器主板設計
本文要實(shí)現的主要功能:(1)光源的尋址方式可調:自動(dòng)尋址和人工尋址;(2)光源的調制頻率可由用戶(hù)指定;(3)光源驅動(dòng)電壓可按需選擇;(4)整體系統可由電腦控制數據的發(fā)送和接收。針對以上要求,本文設計了光源控制器主板,設計框圖如圖1所示。
2.1 硬件設計框圖及說(shuō)明
FPGA芯片是控制器主板的核心,采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)了FPGA的系統功能描述程序,該程序經(jīng)下載口燒錄至FPGA。
電腦對控制器主板下達的指令通過(guò)串口模塊傳輸,控制指令主要包括兩方面:1)光調制頻率、光源所需驅動(dòng)等控制信息,經(jīng)串口到達FPGA芯片后,經(jīng)“數模轉換”模塊(DAC)和“光源驅動(dòng)”模塊后,轉化為光源所需模擬信號,到達光源陣列使其按照以一定的調制頻率和強度發(fā)光;2)尋址指令,經(jīng)串口模塊達到 FPGA后,選通的地址信息經(jīng)地址譯碼對指定光源進(jìn)行選通操作。
FPGA芯片將系統當前狀態(tài),如光調制頻率、光源驅動(dòng)信號、尋址狀態(tài)以及當前尋址光源等信息,經(jīng)過(guò)串口反饋給電腦。
電平轉換模塊將外界5 V電壓轉化為主板中芯片所需正常工作電壓,并解決芯片間通訊的電平匹配匹配問(wèn)題。
2.2 主要芯片的選擇
2.2.1 FPGA
根據系統VHDL程序綜合結果,整體功能實(shí)現需占用五百個(gè)邏輯單元,31個(gè)I/O口,所以選用了型號為EP1C6Q240C8的FPGA芯片,它具有異步雙端口、帶寄存器輸入口、可選擇的帶寄存器輸出口的存儲模塊。有2個(gè) PLL (鎖相環(huán)),含5980個(gè)邏輯單元,90k bits 內部RAM,FPGA串行配置芯片含1 M bit Flash ,240個(gè)引腳。從資源數量、類(lèi)型和引腳數量可滿(mǎn)足本文的各項要求。
2.2.2 光源驅動(dòng)及尋址電路
為實(shí)現光源驅動(dòng)控制及尋址功能,首先需要將FPGA發(fā)出的八位功率控制數字信號轉化為模擬信號,本文選用了MAX5480B芯片,并采用MAX6120芯片為其提供1.2V基準電壓,轉換后的模擬電壓信號通過(guò)MAX4330運算放大器進(jìn)行放大輸出,作為光源驅動(dòng)電路的輸入電壓。
在數模轉換模塊輸入電壓的激勵下,光源驅動(dòng)電路為光源提供驅動(dòng)信號。在光源驅動(dòng)模塊的設計中,本文使用了電流串聯(lián)負反饋的設計方案[7],如圖2所示。其中,集成運放LM358內部包括有兩個(gè)獨立的、高增益的、內部頻率補償的運算放大器,將LM358的1腳輸出電壓經(jīng)電阻R1反饋至反相輸入端,這就形成了同相比例電路;三極管Q1與運放的基極相連,有助于增強驅動(dòng)電流;當LM358的同相輸入電壓恒定時(shí),負反饋電路起到了穩定LM358輸出電壓的作用,從而實(shí)現了為光源陣列提供穩定的驅動(dòng)電流的作用。
為了實(shí)現光尋址功能,需要對光源陣列中指定地址的光源進(jìn)行選通。電腦發(fā)出地址指令,經(jīng)串口到達FPGA;FPGA將其轉化為數字地址信號,經(jīng)地址譯碼模塊后,實(shí)現對指定光源的選通。地址譯碼模塊中,本文采用了SN74CBTLV3251芯片。
2.2.3 晶振的選擇
實(shí)現對光源驅動(dòng)信號的調制,是本文設計的難點(diǎn)。電腦發(fā)送的調制頻率信息,需要經(jīng)過(guò)FPGA芯片中“直接數字式頻率合成計(DDS)”模塊的處理后,才能成為光源控制模塊的時(shí)鐘信號,使光源按照指定調制頻率發(fā)光。同時(shí)電腦傳輸數據需要使用串口。因此在晶振的選擇上必須既要滿(mǎn)足DDS模塊的要求,又要滿(mǎn)足串口傳輸數據所需9600 Hz通訊要求。
根據光尋址傳感器常用頻率,本系統的光源的調制頻率范圍被設置為1K~80K Hz, 本系統中通過(guò)對DDS輸出信號頻率的75分頻,來(lái)獲得所需調制頻率的光源驅動(dòng)信號,因此DDS輸出信號ddsout的頻率取為75K~ 6M Hz。在實(shí)際工作中,DDS的輸出頻率值由用戶(hù)通過(guò)串口通知FPGA,經(jīng)DDS處理后轉化為DDS輸出信號ddsout,作為“光源驅動(dòng)”模塊的時(shí)鐘,對此動(dòng)態(tài)時(shí)鐘進(jìn)行75分頻,可獲得所需調制頻率的光源驅動(dòng)信號。例如,用戶(hù)需要10K Hz的光源驅動(dòng)信號,FPGA由串口獲得10K Hz的指令信號,DDS將其轉化為頻率750K Hz的DDS輸出信號,75分頻后為10KHz。
傳輸數據波特率為9600Hz,由于對傳入的信號進(jìn)行三次接收保證信號正確,所以輸入時(shí)鐘頻率至少為28800Hz。本文選擇了18M Hz晶振,既可滿(mǎn)足RS232的通訊需求,又滿(mǎn)足DDS模塊最高6M Hz的時(shí)鐘頻率需要。
2.2.4 串行通信接口
根據本設計使用環(huán)境要求,通信距離約為15 m,可提供5 V直流電壓輸入,所以接口協(xié)議選取了較為通用的EIA RS-232C 標準(協(xié)議),數據傳輸速率為9600波特。同時(shí),為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接,必須在RS-232C 與TTL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。我們應用集成電路芯片MAX232芯片實(shí)現TTL電平與EIA電平間的轉換。
此外,利用USB串口線(xiàn),串口設計方案還可擴展為USB接口,從而解決了某些電腦未設串口或串口數量不足的問(wèn)題。
3、軟件設計
3.1 FPGA功能描述
FPGA的設計主要包括光源的控制,尋址功能和串口數據的收發(fā)三方面。
3.1.1 對光源驅動(dòng)信號的控制
對光源驅動(dòng)信號的控制,包括信號的頻率和信號的強度兩方面。
電腦給出的光源調制頻率信息,需經(jīng)過(guò)處理后,才能轉化為實(shí)際驅動(dòng)光源的模擬信號的頻率。本文采用了DDS原理,實(shí)現這一功能。簡(jiǎn)述如下:通過(guò)相位累加的方法,將電腦發(fā)送的頻率控制字,生成為一個(gè)所需頻率的正弦信號,再通過(guò)一個(gè)比較器來(lái)把它轉化為方波或三角波,這樣光源的調制頻率便由DDS輸出信號決定,從而使“光源驅動(dòng)”模塊獲得指定頻率的輸入電壓。系統仿真后的結果如圖3所示,其中frequency為頻率控制字,ddsout為DDS輸出信號,reset為復位信號。圖3(a)為80KHz的頻率控制字時(shí)DDS的輸出信號,按照理論設計DDS應輸出6MHz信號,仿真結果顯示DDS輸出信號的周期為165.0ns符合設計要求。圖3(b)為29KHz頻率控制字時(shí)DDS的輸出信號,周期為490ns。由于光源驅動(dòng)信號的頻率為DDS輸出信號的75分頻,因此仿真結果顯示設計方案可行。
3.1.2 尋址功能
本文設計了兩種尋址模式:逐點(diǎn)掃描、指定地址。電腦發(fā)送的尋址信息達到FPGA芯片后,轉化為地址信息,經(jīng)地址譯碼后對光源陣列中指定地址光源進(jìn)行選通操作,系統仿真結果如圖4所示,其中address_type為地址控制模式,address為地址控制字,qi(i=1,2,3,……)為第i個(gè)光源的地址信號,高電平表示該地址被選通。當address_type為低電平時(shí),尋址方式為逐點(diǎn)掃描,光源陣列中光源按地址增加的順序依次被選通,如圖4(a) 所示;當address_type為高電平時(shí),按照address控制字中的指定地址選通光源,當address分別為2、9時(shí),分別只有q2和q9為高電平,如圖4(b)、(c)所示,分別表明只有2號地址和9號地址的光源被選通。對尋址功能的仿真結果顯示,尋址功能的設計方案可行。
3.1.3 串口通訊
串口模塊的目的是實(shí)現FPGA和電腦的雙向通訊,即:接收電腦指令,并將其傳達給FPGA;將FPGA反饋給電腦的當前系統狀態(tài),發(fā)送給電腦。
(1)接收功能:接收子模塊接收判斷電腦發(fā)送的控制字,當收到起始位“0”時(shí)開(kāi)始接受8位的控制指令,直至收到停止位“1”是結束接收,將指令送至寄存模塊進(jìn)行分類(lèi)寄存,并發(fā)出相應控制指令至FPGA中指定功能模塊,啟動(dòng)FPGA讀取操作。
(2)發(fā)送功能:FPGA將當前狀態(tài)輸送給保存在串口模塊的發(fā)送寄存器中,待電腦發(fā)出查詢(xún)指令,串口模塊將指定寄存器中內容發(fā)送給電腦。
3.2 光源控制器控制軟件
配合光源控制器主板,本文以Visual Basic為基礎編寫(xiě)了光源控制器的軟件平臺。通過(guò)這一平臺,用戶(hù)向控制器主板發(fā)送控制指令,并查詢(xún)和現實(shí)系統當前運行狀態(tài)。系統控制界面如圖5所示,界面分為5個(gè)區域,分別為:
(1)“串口設置區”,完成端口設置后,可點(diǎn)擊“串口測試”按鈕,測試當前端口選擇及設置是否正常。
(2)“光源驅動(dòng)設置”區,用戶(hù)可在此為光源驅動(dòng)選擇所需波形和驅動(dòng)功率,并設置調制頻率的大小;
(3)“尋址方式設置”區,是光尋址型傳感器的要求。根據實(shí)際使用需求,可進(jìn)行“逐點(diǎn)掃描”或“指定尋址”。當傳感器陣列中所有敏感單元全部使用時(shí),可選擇“逐點(diǎn)掃描”,此時(shí)系統根據地址設置,從1~9逐點(diǎn)選通該地址所對應的光源;若只使用部分敏感單元,可選擇“指定尋址”模式,根據需要點(diǎn)擊所需地址標號,即可實(shí)現對指定地址光源的選通。光源選通時(shí)間,可由用戶(hù)在“尋址時(shí)間”欄中設置。
(4)“系統功能”區,是用戶(hù)想控制器發(fā)送指令的按鈕區域。當完成對串口、光源驅動(dòng)和尋址方式的設置,點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕,系統根據用戶(hù)設置向光源控制器發(fā)送指令。其它功能包括:“系統復位”,為控制器的軟件復位按鈕,點(diǎn)擊此按鈕后,光源全部亮起;“清空緩沖”用于清空接收緩沖區內容;“保存設置”用于將當前設置保存至數據庫中,以備傳感器檢測系統調用。
(5)“系統狀態(tài)”,系統每隔0.5s查詢(xún)以此系統當前狀態(tài),包括:當前尋址光源的地址、調制頻率、發(fā)光強度等方面的信息。
4、結果
4.1 控制器主板
控制器主板及封裝后照片如圖6(a)、(b)所示。主板尺寸11.5 cm×12cm,采用了雙層制版。為滿(mǎn)足不同類(lèi)型光源的要求,控制器頂端設有可調電阻,用于調節光源驅動(dòng)信號的額定電壓,可滿(mǎn)足額定電壓在1.25~5V間光源的驅動(dòng)需求。
由于光尋址型傳感器具有陣列的結構,陣列設計又具有很強的靈活性,為使本文提出光源控制器具有更大的靈活性,在主板上設有預留擴展槽,可將光源陣列擴充至30×30的陣列結構,滿(mǎn)足對900個(gè)敏感單元的尋址需求。目前,本文完成的設計可控制3×3光源陣列。
4.2 光源驅動(dòng)信號
圖7為,當用戶(hù)通過(guò)軟件控制平臺,發(fā)出調制頻率和發(fā)光強度的控制指令后,光源驅動(dòng)信號的波形圖。其中(a)為控制界面發(fā)出2KHz調制頻率、100%額定功率、方波的控制指令后,示波器采集到的信號;(b)為控制界面發(fā)出5KHz、50%額定功率、三角波的指令,示波器采集到的信號。由圖7可見(jiàn),本控制系統實(shí)現了,通過(guò)系統軟件平臺對光源驅動(dòng)信號的控制。
4.3 尋址功能
圖8為系統指定地址為2、7時(shí),先后拍攝到的光源陣列照片。視頻形式的支持材料中將提供“逐點(diǎn)掃描”模式、尋址時(shí)間為0.24 s時(shí),采集到的視頻文件�？梢�(jiàn),本文的光源控制系統,實(shí)現了指定尋址和逐點(diǎn)掃描,兩種工作模式。
5、結語(yǔ)
本文開(kāi)發(fā)了基于FPGA的光源陣列控制器及其軟件控制平臺,該系統實(shí)現了對光源陣列驅動(dòng)方式(包括驅動(dòng)波形、功率、頻率)和尋址方式的控制,可滿(mǎn)足光尋址型傳感器對尋址光源強度、調制頻率、逐點(diǎn)或指定選通的要求。其中調制頻率可在1K~80K Hz內設置為任意整數,光源強度設有4個(gè)檔位。此外,為滿(mǎn)足不同類(lèi)型光源的要求,控制器中光源驅動(dòng)信號的額定電壓可在1.25~5 V之間任意設置。
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本文受到南開(kāi)大學(xué)本科生創(chuàng )新科研計劃(No.8-132)、國家自然科學(xué)基金(No.60602002)、天津市應用基礎研究(NO.08JCZDJC21700)項目資助
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