一種基于dsPIC30F6014A單片機(jī)的熒光測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

武志翔，王吉松，李建超，鄧 琥

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng) 621010)

熒光分析是直接測(cè)定物質(zhì)的次級(jí)光發(fā)射，所以較吸收光譜分析有較高的靈敏度和較好的選擇性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等科學(xué)研究和生產(chǎn)領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)熒光儀器與裝置的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)做了相應(yīng)的研究。金海龍等實(shí)現(xiàn)了對(duì)海藻葉綠素a濃度在線測(cè)量的便攜式光纖熒光測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[2]；司馬偉昌等構(gòu)建了一種新的浮游植物分類檢測(cè)的多波長(zhǎng)LED陣列光源葉綠素?zé)晒馓綔y(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了分類的檢測(cè)[3]；邱健等采用紫外熒光法測(cè)量了二氧化硫的含量,并做了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[4]；高明等設(shè)計(jì)了基于熒光與C8051F020單片機(jī)的水中油檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水中含油類污染物的檢測(cè)[5]。

本文主要研究了一個(gè)基于dsPIC30F6014A單片機(jī)控制的熒光測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熒光信號(hào)的探測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換及采集等，并能靈活地進(jìn)行配置，可實(shí)現(xiàn)熒光類物質(zhì)的快速測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作流程

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由主控單元、光路單元和光電檢測(cè)單元等部分組成。測(cè)量系統(tǒng)在主控單元的有效時(shí)序控制下，協(xié)調(diào)光路單元及樣品單元等，實(shí)現(xiàn)催熒光信號(hào)的激發(fā)、捕捉、轉(zhuǎn)換、采集和顯示等環(huán)節(jié)。本文所涉及的熒光測(cè)量系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主控單元是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，是核心部件。系統(tǒng)主控單元包括微處理器、E2PROM、鍵盤(pán)、7段數(shù)碼管、時(shí)鐘電路和串口通信等。本系統(tǒng)采用dsPIC30F6014A型單片機(jī)作為微控制器，它是一款16位單片機(jī)，在數(shù)據(jù)處理方面表現(xiàn)出色，其具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

系統(tǒng)的光路單元由脈沖氙燈作為激發(fā)光源，通過(guò)由透鏡和濾光片組成的可控激發(fā)分光模塊(A)，一部分激發(fā)光經(jīng)光束分離器分離作為參考光經(jīng)由光電二極管構(gòu)成的參考光探測(cè)模塊探測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控光源的穩(wěn)定性，以減小光源不穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)的影響;另外一部分光激發(fā)材料是石英的流動(dòng)樣品池，所產(chǎn)生的熒光信號(hào)經(jīng)由透鏡、濾光片組成的可控發(fā)射分光模塊(B)進(jìn)行分光，后經(jīng)H6780型光電倍增管探測(cè)。

光電探測(cè)模塊，主要由光電倍增管、光電二極管和信號(hào)處理模塊組成，完成熒光信號(hào)的捕捉、轉(zhuǎn)換和采集。另外，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中也考慮到了溫度監(jiān)控模塊、鍵盤(pán)輸入接口和顯示模塊等組件，以便完成系統(tǒng)其他功能。

表1 dsPIC30F6014A參數(shù)表

1.2 dsPIC30F6014A單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

dsPIC30F6014A是基于改進(jìn)型哈佛架構(gòu)的高性能的RISC單片機(jī)，提供了多達(dá)41個(gè)中斷源、5個(gè)16 bit定時(shí)器、16 bit捕捉輸入模塊，方便實(shí)現(xiàn)同步外觸發(fā)功能；內(nèi)含4 096B的E2PROM,方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；同時(shí)擁有兩個(gè)可尋址的、具備FIFO緩沖器的UART模塊，便于與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。dsPIC30F6014A單片機(jī)的主要引腳分配如表2所示。

表2 dsPIC30F6014A單片機(jī)引腳分配表

1.3 熒光信號(hào)處理模塊電路設(shè)計(jì)

總控單元通過(guò)同步控制模塊產(chǎn)生脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)脈沖激發(fā)樣品，由于采用的是脈沖氙燈，所產(chǎn)生熒光信號(hào)是脈沖式的，對(duì)熒光信號(hào)的處理時(shí)基于脈沖式。對(duì)信號(hào)的處理有兩種方案，第一種方案是取出每一個(gè)熒光脈沖信號(hào)的峰值，進(jìn)行采樣保持，然后經(jīng)過(guò)A/D模塊采樣，經(jīng)dsPIC30F6014A進(jìn)行存儲(chǔ)及顯示；第二種方案是對(duì)熒光脈沖信號(hào)進(jìn)行門(mén)積分處理，對(duì)峰值附近位置的熒光脈沖信號(hào)進(jìn)行積分，通過(guò)采樣積分的方式對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行采樣,后經(jīng)dsPIC60F6014A進(jìn)行存儲(chǔ)顯示。本文采取采樣積分的方式對(duì)熒光采樣信號(hào)進(jìn)行處理,具體電路圖如圖2所示。

熒光信號(hào)經(jīng)光電倍增管光電轉(zhuǎn)換為微弱電流信號(hào)；再經(jīng)運(yùn)算放大器U1轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；接著,經(jīng)由電阻 R1、運(yùn)算放大器U2、電容C和R2構(gòu)成的采樣積分模塊以及門(mén)控信號(hào) 1（gate1），對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行積分處理；然后經(jīng)由運(yùn)算放大器U3構(gòu)成的反相放大器調(diào)整電壓到可測(cè)量的OUT信號(hào)（0 V～5 V），后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換，將采集結(jié)果送入總控單元進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示；在下次測(cè)量之前，通過(guò)門(mén)控信號(hào)2（gate2）對(duì)積分電容進(jìn)行放電,以便于下次測(cè)量,單次測(cè)量結(jié)束。系統(tǒng)時(shí)序圖如圖3所示。

在光譜信號(hào)探測(cè)中,由于光電信息本身的性能所致，使得探測(cè)的信息較弱，要從中獲得有用的信息，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)前置放大器和其他信號(hào)處理電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用精密放大器AD795對(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行前置放大；由于采用觸發(fā)脈沖對(duì)脈沖氙燈進(jìn)行觸發(fā)，所形成的熒光信號(hào)都是脈沖式的，不能直接進(jìn)入系統(tǒng)主控模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集，系統(tǒng)采用了門(mén)控電路，對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行采樣積分，然后進(jìn)入系統(tǒng)主控模塊的數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行采集；所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，最終獲得被測(cè)樣本的熒光強(qiáng)度值。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Microchip的MPLAB IDE v8.80版本的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出功能穩(wěn)定、操作方便、易于學(xué)習(xí)的污水石油污染物在線熒光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制軟件。軟件的基本功能主要包括兩個(gè)方面：(1)控制整個(gè)系統(tǒng)各部分正常工作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能;(2)數(shù)據(jù)的分析處理、存儲(chǔ)與顯示。

本文系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)方法,便于功能的擴(kuò)展,程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。在以dsPIC306014A型單片機(jī)為核心的總控單元上，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)完成以下主要功能，如圖4所示。

圖4 總控單元在系統(tǒng)中的主要功能

如前文所言，總控單元在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)十分重要的位置，其具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1)氙燈觸發(fā)驅(qū)動(dòng)：XE_LAMP_DRIVER.c

主控單元產(chǎn)生脈沖氙燈觸發(fā)脈沖，提供一個(gè)脈寬＞5μs、頻率＜100Hz的驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)脈沖氙燈的穩(wěn)定工作。

(2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：STEP_MOTOR_DRIVER.c

由dsPIC30F6014A微控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)濾光片片盤(pán)來(lái)選擇合適的濾光片，從而實(shí)現(xiàn)濾光片的選擇，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分光模塊的可控。

(3)信號(hào)處理單元驅(qū)動(dòng)：SIGNAL_SEQUENCE_DRIVER.c

主要編程實(shí)現(xiàn)門(mén)控電路的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換、捕捉和采集等。

(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊驅(qū)動(dòng)EEPROM_DRIVER.c

實(shí)現(xiàn)微控制器數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，測(cè)試結(jié)果存在片內(nèi)的EEPROM內(nèi)，可以通過(guò)上位機(jī)命令控制EEPROM的讀和寫(xiě)。

(5)數(shù)據(jù)傳輸模塊驅(qū)動(dòng)UART_DRIVER.c

實(shí)現(xiàn)微控制器與上位機(jī)的通信，將測(cè)量結(jié)果傳送給上位機(jī)顯示，并實(shí)現(xiàn)PC及發(fā)送指令對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制。

測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入主控程序后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，后進(jìn)行功能鍵掃描;接著，選擇工作模式，工作模式包括正常測(cè)量、標(biāo)定、設(shè)置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸4種；單次測(cè)量結(jié)束后，等待下一次功能選擇。系統(tǒng)主控程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

本文選用核黃素作為測(cè)試樣本，用二次蒸餾水溶解核黃素，配置100mg/L的樣本母液，然后逐級(jí)至0.1mg/L、1mg/L、10mg/L 3個(gè)濃度。打開(kāi)測(cè)量裝置電源，選擇設(shè)置功能，調(diào)用核黃素工作曲線；設(shè)置激發(fā)分光模塊A為 460 nm,發(fā)射分光模塊 B為 520 nm[6]；后選擇測(cè)量功能，測(cè)試獲得熒光強(qiáng)度。其測(cè)量結(jié)果如表3所示，經(jīng)分析其穩(wěn)定性可達(dá)99.1%～99.7%。

表3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)

本文設(shè)計(jì)了一種基于dsPIC30F6014A單片機(jī)的熒光測(cè)量裝置，采用脈沖氙燈作為激發(fā)光源，光電倍增管作為光電探測(cè)器。可根據(jù)不同熒光物質(zhì)的熒光特性，通過(guò)可控激發(fā)分光模塊靈活選擇激發(fā)波長(zhǎng)，通過(guò)可控發(fā)射分光模塊選擇發(fā)射波長(zhǎng)，并選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)曲線，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)量。經(jīng)測(cè)試,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熒光測(cè)量裝置穩(wěn)定性可達(dá)99.1%～99.7%，滿足測(cè)量要求。本裝置具有可以靈活配置、測(cè)量快速和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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