光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现

光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现

　　摘 要:针对光寻址型传感器对寻址光源的要求,本文以FPGA芯片为核心,采用VHDL作为FPGA开发语言,以Visual Basic为软件开发平台,研制了可实现电脑远程控制的、具有较好人机交互界面的光源控制系统。根据传感器阵列中敏感单元的实际使用情况,本光源控制系统可对光源阵列的寻址方式和寻址时间,以及光源驱动功率、波形、调制频率等进行自由设置,与传统的逐点扫描型寻址方式相比,有助于节省检测时间、提高系统的灵活性;光源的调制频率可在1~80K Hz任意设置,满足了光寻址型传感器对不同调制频率的要求;光源的驱动电压,可根据所选光源类型,在1.25~5 V内设置和调节。

　　关键词:光寻址型传感器光源阵列FPGAVisual Basic

　　中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0018-04

　　1、引言

　　光寻址型传感器是一种基于半导体光电效应的固态敏感器件,通过敏感膜将生化反应过程与半导体光电效应相耦合[1],激发光照射位置与输出电信号之间具有一一对应的关系,因此易于实现多种物质的同时检测。目前这类传感器在实现离子[2]、蛋白质分子[3]、甚至细胞[4],等多种物质的检测中得到了研究,取得了较好的成果。随着新型半导体功能材料及相关加工技术的不断涌现,光电式传感器向着微型化,集成化,多点及多参数测量方面发展,在生物医药等领域有着广阔的发展应用前景。

　　由于光寻址型传感器的输出信号与寻址光源具有一一对应的关系,通过控制光照位点,可实现对传感器阵列中不同敏感单元寻址,因此在光寻址传感器系统中,又将光源成为“寻址光源”或“激发光源”。在光寻址型传感器测控系统中,光源控制模块是传感器的重要组成部分之一,需满足传感器对光源的调制频率、寻址方式和寻址时间、发光强度等方面的要求,同时还需针对不同光源提供适当的驱动电压。其中,阵列化光源因其具有寻址精度高、易于小型化、便于携带等优点,是当前的发展方向[6]。为此,本文研发了光源阵列控制器,可提供1K~80K Hz的调制频率;既可实现传统的逐点扫描,也可实现任意自由寻址;可为不同类型的光源,提供1.25~5 V任意可调光源驱动,并有方波和三角波两种可选驱动波形;控制器主板可通过串口或USB与电脑相连,实现了对光源控制系统的远程交互式控制。

　　本文在主板设计上采用了基于FPGA(可编程逻辑器件)芯片的设计方案,其中的系统功能描述使用了VHDL语言;软件设计上,以Visual Basic为平台,为硬件系统开发了交互式光源控制软件,既可控制光源阵列,也可查询当前系统状态。

　　本系统可满足光寻址型传感器对激发调制频率、寻址方式等方面的控制需求;封装后整体尺寸为13cm×12cm×3cm,便于与传感器整合,实现光寻址型传感器的仪器化;同时易于操作,具有较好的用户友好性。

　　2、控制器主板设计

　　本文要实现的主要功能:(1)光源的寻址方式可调:自动寻址和人工寻址;(2)光源的调制频率可由用户指定;(3)光源驱动电压可按需选择;(4)整体系统可由电脑控制数据的发送和接收。针对以上要求,本文设计了光源控制器主板,设计框图如图1所示。

　　2.1 硬件设计框图及说明

　　FPGA芯片是控制器主板的核心,采用VHDL语言编写了FPGA的系统功能描述程序,该程序经下载口烧录至FPGA。

　　电脑对控制器主板下达的指令通过串口模块传输,控制指令主要包括两方面:1)光调制频率、光源所需驱动等控制信息,经串口到达FPGA芯片后,经“数模转换”模块(DAC)和“光源驱动”模块后,转化为光源所需模拟信号,到达光源阵列使其按照以一定的调制频率和强度发光;2)寻址指令,经串口模块达到 FPGA后,选通的地址信息经地址译码对指定光源进行选通操作。

　　FPGA芯片将系统当前状态,如光调制频率、光源驱动信号、寻址状态以及当前寻址光源等信息,经过串口反馈给电脑。

　　电平转换模块将外界5 V电压转化为主板中芯片所需正常工作电压,并解决芯片间通讯的电平匹配匹配问题。

　　2.2 主要芯片的选择

　　2.2.1 FPGA

　　根据系统VHDL程序综合结果,整体功能实现需占用五百个逻辑单元,31个I/O口,所以选用了型号为EP1C6Q240C8的FPGA芯片,它具有异步双端口、带寄存器输入口、可选择的带寄存器输出口的存储模块。有2个 PLL (锁相环),含5980个逻辑单元,90k bits 内部RAM,FPGA串行配置芯片含1 M bit Flash ,240个引脚。从资源数量、类型和引脚数量可满足本文的各项要求。

　　2.2.2 光源驱动及寻址电路

　　为实现光源驱动控制及寻址功能,首先需要将FPGA发出的八位功率控制数字信号转化为模拟信号,本文选用了MAX5480B芯片,并采用MAX6120芯片为其提供1.2V基准电压,转换后的模拟电压信号通过MAX4330运算放大器进行放大输出,作为光源驱动电路的输入电压。

　　在数模转换模块输入电压的激励下,光源驱动电路为光源提供驱动信号。在光源驱动模块的设计中,本文使用了电流串联负反馈的设计方案[7],如图2所示。其中,集成运放LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器,将LM358的1脚输出电压经电阻R1反馈至反相输入端,这就形成了同相比例电路;三极管Q1与运放的基极相连,有助于增强驱动电流;当LM358的同相输入电压恒定时,负反馈电路起到了稳定LM358输出电压的作用,从而实现了为光源阵列提供稳定的驱动电流的作用。

　　为了实现光寻址功能,需要对光源阵列中指定地址的光源进行选通。电脑发出地址指令,经串口到达FPGA;FPGA将其转化为数字地址信号,经地址译码模块后,实现对指定光源的选通。地址译码模块中,本文采用了SN74CBTLV3251芯片。

　　2.2.3 晶振的选择

　　实现对光源驱动信号的调制,是本文设计的难点。电脑发送的调制频率信息,需要经过FPGA芯片中“直接数字式频率合成计(DDS)”模块的处理后,才能成为光源控制模块的时钟信号,使光源按照指定调制频率发光。同时电脑传输数据需要使用串口。因此在晶振的选择上必须既要满足DDS模块的要求,又要满足串口传输数据所需9600 Hz通讯要求。

　　根据光寻址传感器常用频率,本系统的光源的调制频率范围被设置为1K~80K Hz, 本系统中通过对DDS输出信号频率的75分频,来获得所需调制频率的光源驱动信号,因此DDS输出信号ddsout的频率取为75K~ 6M Hz。在实际工作中,DDS的输出频率值由用户通过串口通知FPGA,经DDS处理后转化为DDS输出信号ddsout,作为“光源驱动”模块的时钟,对此动态时钟进行75分频,可获得所需调制频率的光源驱动信号。例如,用户需要10K Hz的光源驱动信号,FPGA由串口获得10K Hz的指令信号,DDS将其转化为频率750K Hz的DDS输出信号,75分频后为10KHz。

　　传输数据波特率为9600Hz,由于对传入的信号进行三次接收保证信号正确,所以输入时钟频率至少为28800Hz。本文选择了18M Hz晶振,既可满足RS232的通讯需求,又满足DDS模块最高6M Hz的时钟频率需要。

　　2.2.4 串行通信接口

　　根据本设计使用环境要求,通信距离约为15 m,可提供5 V直流电压输入,所以接口协议选取了较为通用的EIA RS-232C 标准(协议),数据传输速率为9600波特。同时,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。我们应用集成电路芯片MAX232芯片实现TTL电平与EIA电平间的转换。

　　此外,利用USB串口线,串口设计方案还可扩展为USB接口,从而解决了某些电脑未设串口或串口数量不足的问题。

　　3、软件设计

　　3.1 FPGA功能描述

　　FPGA的设计主要包括光源的控制,寻址功能和串口数据的收发三方面。

　　3.1.1 对光源驱动信号的控制

　　对光源驱动信号的控制,包括信号的频率和信号的强度两方面。

　　电脑给出的光源调制频率信息,需经过处理后,才能转化为实际驱动光源的模拟信号的频率。本文采用了DDS原理,实现这一功能。简述如下:通过相位累加的方法,将电脑发送的频率控制字,生成为一个所需频率的正弦信号,再通过一个比较器来把它转化为方波或三角波,这样光源的调制频率便由DDS输出信号决定,从而使“光源驱动”模块获得指定频率的输入电压。系统仿真后的结果如图3所示,其中frequency为频率控制字,ddsout为DDS输出信号,reset为复位信号。图3(a)为80KHz的频率控制字时DDS的输出信号,按照理论设计DDS应输出6MHz信号,仿真结果显示DDS输出信号的周期为165.0ns符合设计要求。图3(b)为29KHz频率控制字时DDS的输出信号,周期为490ns。由于光源驱动信号的频率为DDS输出信号的75分频,因此仿真结果显示设计方案可行。

　　3.1.2 寻址功能

　　本文设计了两种寻址模式:逐点扫描、指定地址。电脑发送的寻址信息达到FPGA芯片后,转化为地址信息,经地址译码后对光源阵列中指定地址光源进行选通操作,系统仿真结果如图4所示,其中address_type为地址控制模式,address为地址控制字,qi(i=1,2,3,……)为第i个光源的地址信号,高电平表示该地址被选通。当address_type为低电平时,寻址方式为逐点扫描,光源阵列中光源按地址增加的顺序依次被选通,如图4(a) 所示;当address_type为高电平时,按照address控制字中的指定地址选通光源,当address分别为2、9时,分别只有q2和q9为高电平,如图4(b)、(c)所示,分别表明只有2号地址和9号地址的光源被选通。对寻址功能的仿真结果显示,寻址功能的设计方案可行。

　　3.1.3 串口通讯

　　串口模块的目的是实现FPGA和电脑的双向通讯,即:接收电脑指令,并将其传达给FPGA;将FPGA反馈给电脑的当前系统状态,发送给电脑。

　　(1)接收功能:接收子模块接收判断电脑发送的控制字,当收到起始位“0”时开始接受8位的控制指令,直至收到停止位“1”是结束接收,将指令送至寄存模块进行分类寄存,并发出相应控制指令至FPGA中指定功能模块,启动FPGA读取操作。

　　(2)发送功能:FPGA将当前状态输送给保存在串口模块的发送寄存器中,待电脑发出查询指令,串口模块将指定寄存器中内容发送给电脑。

　　3.2 光源控制器控制软件

　　配合光源控制器主板,本文以Visual Basic为基础编写了光源控制器的软件平台。通过这一平台,用户向控制器主板发送控制指令,并查询和现实系统当前运行状态。系统控制界面如图5所示,界面分为5个区域,分别为:

　　(1)“串口设置区”,完成端口设置后,可点击“串口测试”按钮,测试当前端口选择及设置是否正常。

　　(2)“光源驱动设置”区,用户可在此为光源驱动选择所需波形和驱动功率,并设置调制频率的大小;

　　(3)“寻址方式设置”区,是光寻址型传感器的要求。根据实际使用需求,可进行“逐点扫描”或“指定寻址”。当传感器阵列中所有敏感单元全部使用时,可选择“逐点扫描”,此时系统根据地址设置,从1~9逐点选通该地址所对应的光源;若只使用部分敏感单元,可选择“指定寻址”模式,根据需要点击所需地址标号,即可实现对指定地址光源的选通。光源选通时间,可由用户在“寻址时间”栏中设置。

　　(4)“系统功能”区,是用户想控制器发送指令的按钮区域。当完成对串口、光源驱动和寻址方式的设置,点击“启动”按钮,系统根据用户设置向光源控制器发送指令。其它功能包括:“系统复位”,为控制器的软件复位按钮,点击此按钮后,光源全部亮起;“清空缓冲”用于清空接收缓冲区内容;“保存设置”用于将当前设置保存至数据库中,以备传感器检测系统调用。

　　(5)“系统状态”,系统每隔0.5s查询以此系统当前状态,包括:当前寻址光源的地址、调制频率、发光强度等方面的信息。

　　4、结果

　　4.1 控制器主板

　　控制器主板及封装后照片如图6(a)、(b)所示。主板尺寸11.5 cm×12cm,采用了双层制版。为满足不同类型光源的要求,控制器顶端设有可调电阻,用于调节光源驱动信号的额定电压,可满足额定电压在1.25~5V间光源的驱动需求。

　　由于光寻址型传感器具有阵列的结构,阵列设计又具有很强的灵活性,为使本文提出光源控制器具有更大的灵活性,在主板上设有预留扩展槽,可将光源阵列扩充至30×30的阵列结构,满足对900个敏感单元的寻址需求。目前,本文完成的设计可控制3×3光源阵列。

　　4.2 光源驱动信号

　　图7为,当用户通过软件控制平台,发出调制频率和发光强度的控制指令后,光源驱动信号的波形图。其中(a)为控制界面发出2KHz调制频率、100%额定功率、方波的控制指令后,示波器采集到的信号;(b)为控制界面发出5KHz、50%额定功率、三角波的指令,示波器采集到的信号。由图7可见,本控制系统实现了,通过系统软件平台对光源驱动信号的控制。

　　4.3 寻址功能

　　图8为系统指定地址为2、7时,先后拍摄到的光源阵列照片。视频形式的支持材料中将提供“逐点扫描”模式、寻址时间为0.24 s时,采集到的视频文件。可见,本文的光源控制系统,实现了指定寻址和逐点扫描,两种工作模式。

　　5、结语

　　本文开发了基于FPGA的光源阵列控制器及其软件控制平台,该系统实现了对光源阵列驱动方式(包括驱动波形、功率、频率)和寻址方式的控制,可满足光寻址型传感器对寻址光源强度、调制频率、逐点或指定选通的要求。其中调制频率可在1K~80K Hz内设置为任意整数,光源强度设有4个档位。此外,为满足不同类型光源的要求,控制器中光源驱动信号的额定电压可在1.25~5 V之间任意设置。

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　　本文受到南开大学本科生创新科研计划(No.8-132)、国家自然科学基金(No.60602002)、天津市应用基础研究(NO.08JCZDJC21700)项目资助

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