光尋址型傳感器中光源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光尋址型傳感器中光源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘 要:針對(duì)光尋址型傳感器對(duì)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(tái),研制了可實(shí)現(xiàn)電腦遠(yuǎn)程控制的、具有較好人機(jī)交互界面的光源控制系統(tǒng)。根據(jù)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(tǒng)可對(duì)光源陣列的尋址方式和尋址時(shí)間,以及光源驅(qū)動(dòng)功率、波形、調(diào)制頻率等進(jìn)行自由設(shè)置,與傳統(tǒng)的逐點(diǎn)掃描型尋址方式相比,有助于節(jié)省檢測(cè)時(shí)間、提高系統(tǒng)的靈活性;光源的調(diào)制頻率可在1~80K Hz任意設(shè)置,滿足了光尋址型傳感器對(duì)不同調(diào)制頻率的要求;光源的驅(qū)動(dòng)電壓,可根據(jù)所選光源類型,在1.25~5 V內(nèi)設(shè)置和調(diào)節(jié)。

　　關(guān)鍵詞:光尋址型傳感器光源陣列FPGAVisual Basic

　　中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-9416(2011)03-0018-04

　　1、引言

　　光尋址型傳感器是一種基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)的固態(tài)敏感器件,通過(guò)敏感膜將生化反應(yīng)過(guò)程與半導(dǎo)體光電效應(yīng)相耦合[1],激發(fā)光照射位置與輸出電信號(hào)之間具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,因此易于實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的同時(shí)檢測(cè)。目前這類傳感器在實(shí)現(xiàn)離子[2]、蛋白質(zhì)分子[3]、甚至細(xì)胞[4],等多種物質(zhì)的檢測(cè)中得到了研究,取得了較好的成果。隨著新型半導(dǎo)體功能材料及相關(guān)加工技術(shù)的不斷涌現(xiàn),光電式傳感器向著微型化,集成化,多點(diǎn)及多參數(shù)測(cè)量方面發(fā)展,在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景。

　　由于光尋址型傳感器的輸出信號(hào)與尋址光源具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,通過(guò)控制光照位點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tǒng)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(cè)控系統(tǒng)中,光源控制模塊是傳感器的重要組成部分之一,需滿足傳感器對(duì)光源的調(diào)制頻率、尋址方式和尋址時(shí)間、發(fā)光強(qiáng)度等方面的要求,同時(shí)還需針對(duì)不同光源提供適當(dāng)?shù)尿?qū)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(dāng)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(diào)制頻率;既可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的逐點(diǎn)掃描,也可實(shí)現(xiàn)任意自由尋址;可為不同類型的光源,提供1.25~5 V任意可調(diào)光源驅(qū)動(dòng),并有方波和三角波兩種可選驅(qū)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(xiàn)了對(duì)光源控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互式控制。

　　本文在主板設(shè)計(jì)上采用了基于FPGA(可編程邏輯器件)芯片的設(shè)計(jì)方案,其中的系統(tǒng)功能描述使用了VHDL語(yǔ)言;軟件設(shè)計(jì)上,以Visual Basic為平臺(tái),為硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了交互式光源控制軟件,既可控制光源陣列,也可查詢當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。

　　本系統(tǒng)可滿足光尋址型傳感器對(duì)激發(fā)調(diào)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(xiàn)光尋址型傳感器的儀器化;同時(shí)易于操作,具有較好的用戶友好性。

　　2、控制器主板設(shè)計(jì)

　　本文要實(shí)現(xiàn)的主要功能:(1)光源的尋址方式可調(diào):自動(dòng)尋址和人工尋址;(2)光源的調(diào)制頻率可由用戶指定;(3)光源驅(qū)動(dòng)電壓可按需選擇;(4)整體系統(tǒng)可由電腦控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。針對(duì)以上要求,本文設(shè)計(jì)了光源控制器主板,設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)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(tǒng)功能描述程序,該程序經(jīng)下載口燒錄至FPGA。

　　電腦對(duì)控制器主板下達(dá)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(diào)制頻率、光源所需驅(qū)動(dòng)等控制信息,經(jīng)串口到達(dá)FPGA芯片后,經(jīng)“數(shù)模轉(zhuǎn)換”模塊(DAC)和“光源驅(qū)動(dòng)”模塊后,轉(zhuǎn)化為光源所需模擬信號(hào),到達(dá)光源陣列使其按照以一定的調(diào)制頻率和強(qiáng)度發(fā)光;2)尋址指令,經(jīng)串口模塊達(dá)到 FPGA后,選通的地址信息經(jīng)地址譯碼對(duì)指定光源進(jìn)行選通操作。

　　FPGA芯片將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài),如光調(diào)制頻率、光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)、尋址狀態(tài)以及當(dāng)前尋址光源等信息,經(jīng)過(guò)串口反饋給電腦。

　　電平轉(zhuǎn)換模塊將外界5 V電壓轉(zhuǎn)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(jù)系統(tǒng)VHDL程序綜合結(jié)果,整體功能實(shí)現(xiàn)需占用五百個(gè)邏輯單元,31個(gè)I/O口,所以選用了型號(hào)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(chǔ)模塊。有2個(gè) PLL (鎖相環(huán)),含5980個(gè)邏輯單元,90k bits 內(nèi)部RAM,FPGA串行配置芯片含1 M bit Flash ,240個(gè)引腳。從資源數(shù)量、類型和引腳數(shù)量可滿足本文的各項(xiàng)要求。

　　2.2.2 光源驅(qū)動(dòng)及尋址電路

　　為實(shí)現(xiàn)光源驅(qū)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(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào),本文選用了MAX5480B芯片,并采用MAX6120芯片為其提供1.2V基準(zhǔn)電壓,轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)通過(guò)MAX4330運(yùn)算放大器進(jìn)行放大輸出,作為光源驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓。

　　在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓的激勵(lì)下,光源驅(qū)動(dòng)電路為光源提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在光源驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中,本文使用了電流串聯(lián)負(fù)反饋的設(shè)計(jì)方案[7],如圖2所示。其中,集成運(yùn)放LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)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(yùn)放的基極相連,有助于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流;當(dāng)LM358的同相輸入電壓恒定時(shí),負(fù)反饋電路起到了穩(wěn)定LM358輸出電壓的作用,從而實(shí)現(xiàn)了為光源陣列提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流的作用。

　　為了實(shí)現(xiàn)光尋址功能,需要對(duì)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(dá)FPGA;FPGA將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字地址信號(hào),經(jīng)地址譯碼模塊后,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)對(duì)光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)制,是本文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。電腦發(fā)送的調(diào)制頻率信息,需要經(jīng)過(guò)FPGA芯片中“直接數(shù)字式頻率合成計(jì)(DDS)”模塊的處理后,才能成為光源控制模塊的時(shí)鐘信號(hào),使光源按照指定調(diào)制頻率發(fā)光。同時(shí)電腦傳輸數(shù)據(jù)需要使用串口。因此在晶振的選擇上必須既要滿足DDS模塊的要求,又要滿足串口傳輸數(shù)據(jù)所需9600 Hz通訊要求。

　　根據(jù)光尋址傳感器常用頻率,本系統(tǒng)的光源的調(diào)制頻率范圍被設(shè)置為1K~80K Hz, 本系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)DDS輸出信號(hào)頻率的75分頻,來(lái)獲得所需調(diào)制頻率的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào),因此DDS輸出信號(hào)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通過(guò)串口通知FPGA,經(jīng)DDS處理后轉(zhuǎn)化為DDS輸出信號(hào)ddsout,作為“光源驅(qū)動(dòng)”模塊的時(shí)鐘,對(duì)此動(dòng)態(tài)時(shí)鐘進(jìn)行75分頻,可獲得所需調(diào)制頻率的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如,用戶需要10K Hz的光源驅(qū)動(dòng)信號(hào),FPGA由串口獲得10K Hz的指令信號(hào),DDS將其轉(zhuǎn)化為頻率750K Hz的DDS輸出信號(hào),75分頻后為10KHz。

　　傳輸數(shù)據(jù)波特率為9600Hz,由于對(duì)傳入的信號(hào)進(jìn)行三次接收保證信號(hào)正確,所以輸入時(shí)鐘頻率至少為28800Hz。本文選擇了18M Hz晶振,既可滿足RS232的通訊需求,又滿足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(jù)本設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)(協(xié)議),數(shù)據(jù)傳輸速率為9600波特。同時(shí),為了能夠同計(jì)算機(jī)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(yīng)用集成電路芯片MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與EIA電平間的轉(zhuǎn)換。

　　此外,利用USB串口線,串口設(shè)計(jì)方案還可擴(kuò)展為USB接口,從而解決了某些電腦未設(shè)串口或串口數(shù)量不足的問(wèn)題。

　　3、軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 FPGA功能描述

　　FPGA的設(shè)計(jì)主要包括光源的控制,尋址功能和串口數(shù)據(jù)的收發(fā)三方面。

　　3.1.1 對(duì)光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制

　　對(duì)光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制,包括信號(hào)的頻率和信號(hào)的強(qiáng)度兩方面。

　　電腦給出的光源調(diào)制頻率信息,需經(jīng)過(guò)處理后,才能轉(zhuǎn)化為實(shí)際驅(qū)動(dòng)光源的模擬信號(hào)的頻率。本文采用了DDS原理,實(shí)現(xiàn)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(hào),再通過(guò)一個(gè)比較器來(lái)把它轉(zhuǎn)化為方波或三角波,這樣光源的調(diào)制頻率便由DDS輸出信號(hào)決定,從而使“光源驅(qū)動(dòng)”模塊獲得指定頻率的輸入電壓。系統(tǒng)仿真后的結(jié)果如圖3所示,其中frequency為頻率控制字,ddsout為DDS輸出信號(hào),reset為復(fù)位信號(hào)。圖3(a)為80KHz的頻率控制字時(shí)DDS的輸出信號(hào),按照理論設(shè)計(jì)DDS應(yīng)輸出6MHz信號(hào),仿真結(jié)果顯示DDS輸出信號(hào)的周期為165.0ns符合設(shè)計(jì)要求。圖3(b)為29KHz頻率控制字時(shí)DDS的輸出信號(hào),周期為490ns。由于光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為DDS輸出信號(hào)的75分頻,因此仿真結(jié)果顯示設(shè)計(jì)方案可行。

　　3.1.2 尋址功能

　　本文設(shè)計(jì)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(dá)到FPGA芯片后,轉(zhuǎn)化為地址信息,經(jīng)地址譯碼后對(duì)光源陣列中指定地址光源進(jìn)行選通操作,系統(tǒng)仿真結(jié)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(hào),高電平表示該地址被選通。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(hào)地址和9號(hào)地址的光源被選通。對(duì)尋址功能的仿真結(jié)果顯示,尋址功能的設(shè)計(jì)方案可行。

　　3.1.3 串口通訊

　　串口模塊的目的是實(shí)現(xiàn)FPGA和電腦的雙向通訊,即:接收電腦指令,并將其傳達(dá)給FPGA;將FPGA反饋給電腦的當(dāng)前系統(tǒng)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(dāng)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(jié)束接收,將指令送至寄存模塊進(jìn)行分類寄存,并發(fā)出相應(yīng)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(dāng)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)出查詢指令,串口模塊將指定寄存器中內(nèi)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(chǔ)編寫(xiě)了光源控制器的軟件平臺(tái)。通過(guò)這一平臺(tái),用戶向控制器主板發(fā)送控制指令,并查詢和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)控制界面如圖5所示,界面分為5個(gè)區(qū)域,分別為:

　　(1)“串口設(shè)置區(qū)”,完成端口設(shè)置后,可點(diǎn)擊“串口測(cè)試”按鈕,測(cè)試當(dāng)前端口選擇及設(shè)置是否正常。

　　(2)“光源驅(qū)動(dòng)設(shè)置”區(qū),用戶可在此為光源驅(qū)動(dòng)選擇所需波形和驅(qū)動(dòng)功率,并設(shè)置調(diào)制頻率的大小;

　　(3)“尋址方式設(shè)置”區(qū),是光尋址型傳感器的要求。根據(jù)實(shí)際使用需求,可進(jìn)行“逐點(diǎn)掃描”或“指定尋址”。當(dāng)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(tǒng)根據(jù)地址設(shè)置,從1~9逐點(diǎn)選通該地址所對(duì)應(yīng)的光源;若只使用部分敏感單元,可選擇“指定尋址”模式,根據(jù)需要點(diǎn)擊所需地址標(biāo)號(hào),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定地址光源的選通。光源選通時(shí)間,可由用戶在“尋址時(shí)間”欄中設(shè)置。

　　(4)“系統(tǒng)功能”區(qū),是用戶想控制器發(fā)送指令的按鈕區(qū)域。當(dāng)完成對(duì)串口、光源驅(qū)動(dòng)和尋址方式的設(shè)置,點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕,系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置向光源控制器發(fā)送指令。其它功能包括:“系統(tǒng)復(fù)位”,為控制器的軟件復(fù)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(qū)內(nèi)容;“保存設(shè)置”用于將當(dāng)前設(shè)置保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中,以備傳感器檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)用。

　　(5)“系統(tǒng)狀態(tài)”,系統(tǒng)每隔0.5s查詢以此系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài),包括:當(dāng)前尋址光源的地址、調(diào)制頻率、發(fā)光強(qiáng)度等方面的信息。

　　4、結(jié)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。為滿足不同類型光源的要求,控制器頂端設(shè)有可調(diào)電阻,用于調(diào)節(jié)光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的額定電壓,可滿足額定電壓在1.25~5V間光源的驅(qū)動(dòng)需求。

　　由于光尋址型傳感器具有陣列的結(jié)構(gòu),陣列設(shè)計(jì)又具有很強(qiáng)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(shè)有預(yù)留擴(kuò)展槽,可將光源陣列擴(kuò)充至30×30的陣列結(jié)構(gòu),滿足對(duì)900個(gè)敏感單元的尋址需求。目前,本文完成的設(shè)計(jì)可控制3×3光源陣列。

　　4.2 光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)

　　圖7為,當(dāng)用戶通過(guò)軟件控制平臺(tái),發(fā)出調(diào)制頻率和發(fā)光強(qiáng)度的控制指令后,光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形圖。其中(a)為控制界面發(fā)出2KHz調(diào)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(hào);(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(hào)。由圖7可見(jiàn),本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了,通過(guò)系統(tǒng)軟件平臺(tái)對(duì)光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制。

　　4.3 尋址功能

　　圖8為系統(tǒng)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(tǒng),實(shí)現(xiàn)了指定尋址和逐點(diǎn)掃描,兩種工作模式。

　　5、結(jié)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(tái),該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)光源陣列驅(qū)動(dòng)方式(包括驅(qū)動(dòng)波形、功率、頻率)和尋址方式的控制,可滿足光尋址型傳感器對(duì)尋址光源強(qiáng)度、調(diào)制頻率、逐點(diǎn)或指定選通的要求。其中調(diào)制頻率可在1K~80K Hz內(nèi)設(shè)置為任意整數(shù),光源強(qiáng)度設(shè)有4個(gè)檔位。此外,為滿足不同類型光源的要求,控制器中光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)的額定電壓可在1.25~5 V之間任意設(shè)置。

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　　本文受到南開(kāi)大學(xué)本科生創(chuàng)新科研計(jì)劃(No.8-132)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.60602002)、天津市應(yīng)用基礎(chǔ)研究(NO.08JCZDJC21700)項(xiàng)目資助

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