基于LabVIEW與單片機的光學檢測平臺

錢 慶 ，王弼陡 ，林 濤 ，王鐘周

（1.中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所 江蘇 蘇州 215163；2.江蘇省醫(yī)療器械檢驗所 江蘇 南京 210000）

光學檢測無論是在工業(yè)應用場合還是醫(yī)學應用場合都扮演著極其重要的角色[1]。本文所述的光學檢測平臺主要運用在生物光學檢測方面。該檢測平臺包括光源、光信號采集部分、信號電路處理部分、單片機部分以及上位機部分。通過了解該平臺的架構(gòu)可以快速的搭建起應用于各種場合的光學檢測試驗平臺。本文所介紹的基于LabVIEW與單片機的光學檢測平臺包括機械裝置、電子電路以及上位機程序，能夠獨立的成為一個儀器，但是由于機械部分會隨著應用場合的變更而產(chǎn)生很大的變化，因此不再詳細描述。本文主要描述該平臺基于單片機的電子電路架構(gòu)以及基于LabVIEW的上位機處理與顯示程序。

1 電子電路部分設計

電子電路部分包括光源部分、信號獲取部分、濾波放大部分、電機驅(qū)動部分以及單片機與PC機通訊部分。該平臺的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 光源部分

圖1 熒光檢測平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

光源部分包括恒流驅(qū)動電路和LED。由于在檢測過程中，要求發(fā)射光的光強度盡可能的保持一致，因此設計了相應的恒流驅(qū)動電路，使通過LED的電流保持基本恒定，從而保證LED發(fā)射光的光強度穩(wěn)定。其中，恒流驅(qū)動電路以恒流二極管NSI45020為核心進行設計。NSI45020的恒定電流為20 mA，但是我們設計LED的驅(qū)動電流為40 mA，因此將兩個NSI45020并聯(lián)，提供20 mA的恒定電流以驅(qū)動LED。TI的模擬開關(guān)芯片TS12A12511串聯(lián)在電路上，控制端連接至單片機某引腳，使單片機能夠控制LED回路的通斷從而控制LED的發(fā)光情況。其電路圖如圖2所示。

圖2 光源部分電路圖Fig.2 The schematic of the light source module

1.2 信號獲取部分

信號獲取部分基于光電二極管設計實現(xiàn)。發(fā)射光經(jīng)被測樣品透射后，采用光電傳感器采集透射光，將透射光的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電壓信號經(jīng)前端放大、濾波、后端放大，將處理好的信息發(fā)送至單片機，利用單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[2-3]。

選擇光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換的傳感器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光電二極管是用于光電轉(zhuǎn)換的基本期間，在結(jié)半導體的耗盡區(qū)吸收光時，會產(chǎn)生光電流。在給定波長下，產(chǎn)生的光電流（Ipd）和入射光功率（P）之比：

光電二極管可以工作在兩種模式下：光導模式（反向偏置）或光伏模式（零偏置）。工作模式的選擇根據(jù)實際應用中速度和可接受暗電流大小來決定。光導模式輸出電流較大但是暗電流也大，且暗電流隨著溫度的變化會產(chǎn)生很大的波動。光伏模式是零偏置的，暗電流小，但是輸出電流相對較小。由于本實驗平臺的精度要求較高，因此選擇暗電流小的光伏模式來盡可能的減小測量誤差。光電二極管信號接收電路如圖3所示。

圖3 光電二極管信號接收電路Fig.3 The receiving circuits of the photodiode

在本系統(tǒng)使用的是單片機C8051F061內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器，所使用的基準電壓為2.5 V，因此在濾波電路之后，信號輸入至單片機之前需添加一級放大電路，盡量將有效信號放大至0～2.5 V之間，以提高測量的精度。

基于上面的電路，可以利用光電二極管和運算放大器來實現(xiàn)檢測所需要的高增益。由于在此電路中，運算放大器的同向輸入端和反向輸入端的電勢相等，因而光電二極管兩端的電勢差為0 V，這樣就最小化了暗電流的可能。同時，此電路實現(xiàn)將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，從而后續(xù)的模擬信號處理電路可以直接對電壓信號進行處理。

1.3 濾波放大部分

濾波電路如圖4所示，所測的光電信號均為低頻信號，因此設計了一種低通濾波器。在實驗中發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)的干擾基本都集中在50 Hz的工頻干擾[4]，因此將低通濾波器的截止頻率設置在30 Hz左右，這樣50 Hz的工頻干擾能夠達到-20 dB，能夠有效降低工頻噪聲。關(guān)于本系統(tǒng)的低通濾波器的參數(shù)可以詳細的使用TI公司的濾波器設計軟件FilterLab來輔助設計。經(jīng)實驗，F(xiàn)ilterLab所輔助設計的濾波器比較準確且實用性能高。

圖4 濾波電路Fig.4 The Filter module

1.4 電機運動部分

圖5 電機驅(qū)動電路Fig.5 The driving circuits of the motor

載物臺通過步進電機來帶動。步進電機的驅(qū)動基于集成步進電機控制芯片THB6128來設計。THB6128是北京海華博遠公司與日本三洋半導體公司、日本東芝半導體公司合作定制的步進電機驅(qū)動芯片，雙全橋MOSFET驅(qū)動；電路高至2.2 A；多種衰減方式可選；內(nèi)置溫度保護及過流保護。下面詳細介紹一下基于THB6128的步進電機驅(qū)動電路設計。

通過單片機發(fā)送脈沖來驅(qū)動THB6128產(chǎn)生電流激勵電機運動。 單片機控制 THB6128 的ENABLE、CW、M1、M2、M3引腳。其中，ENABLE用來控制電機的啟停，低電平時輸出強制關(guān)斷，高電平時時能驅(qū)動器。CW來控制電機運轉(zhuǎn)的方向，低電平時電機正轉(zhuǎn)，高電平時，電機反轉(zhuǎn)。單片機通過M1、M2、M3控制 THB6128的細分數(shù)，從 1到 1/128，具體可查詢芯片說明書。

該電機驅(qū)動芯片可設置3種衰減方式，即慢衰減模式、快衰減模式和混合式衰減模式。其中，混合式衰減模式中，80%為慢衰減，20%為快衰減。在本設計中，通過電位器R11來調(diào)節(jié)輸入到THB6128的FDT引腳的電壓，來控制衰減方式。FDT電壓低于0.8 V時，定為快衰減方式；介于1.1 V與3.1 V之間時，為混合式衰減方式；大于3.5 V時，為慢衰減方式。

VREF為電流設定端，調(diào)整這個引腳的電壓可以設定驅(qū)動電流值。可通過下面的這個公式來計算驅(qū)動電流值。

其中，Io為驅(qū)動電流值，Rs為NFA （B）端外接的檢測電阻，如圖中所示的R13和R14。

THB6128具備斬波頻率設定功能，斬波頻率由OSC1引腳連接的電容決定，即由圖中的電容C6決定。具體的由下面的公式來設定：

THB6128為防止電源或?qū)Φ囟搪穼е缕鋼p壞的情況，內(nèi)置了短路保護電路，使輸出置于待機狀態(tài)。檢測出輸出短路狀態(tài)時，短路檢出電路動作，關(guān)斷一次輸出。此后，延遲一段時間之后再次輸出，如果輸出仍然短路，則將輸出固定于待機模式。

1.5 單片機與PC機通訊部分

為了隨時將所測的數(shù)據(jù)上傳給PC機進行后續(xù)處理，單片機通過RS232與上位機串口相連。僅連接DB9的2（RXD）、3（TXD）、5（GND）即可正常工作。由于本部分較簡單，不再詳述。

2 軟件部分

2.1 單片機控制程序C語言

單片機主要負責光電信號采集、數(shù)據(jù)的預處理、電機的運動控制等。圖6為基本的流程圖，基本包含各控制和處理環(huán)節(jié)。具體的工作流程視不同的實驗類型而各有不同。在此不再詳述。

2.2 上位機程序LabVIEW G語言

上位機程序用來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的后期處理以及人機交互界面等?？紤]到程序的易修改性，采用LabVIEW進行程序設計。LabVIEW是NI研制開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境，通過圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形勢。LabVIEW相對其他高級語言比較容易，能夠在短時間內(nèi)達到理解并修改程序代碼的水平[5-8]。

圖6 單片機控制程序流程圖Fig.6 Flow chart of the program

上位機程序能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：①控制檢測的動作，即載物臺位置初始化、檢測開始、檢測結(jié)束操作等。②能夠保存所有采樣數(shù)據(jù)，指定文件保存位置，所采用的文件格式為txt格式。③能夠計算檢測曲線的包絡面積與包絡面積差值。利用虛擬儀器技術(shù)的分層模塊化思想，將各功能分解成一系列子Vi來實現(xiàn)。系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 上位機程序結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of the PCprogram

串口處理模塊調(diào)用LabVIEW的VISA Vi來快速實現(xiàn)串口收發(fā)功能。數(shù)據(jù)處理模塊完成對串口接收數(shù)據(jù)的處理，將char型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位整數(shù)型數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析和整理。運動控制模塊在LabVIEW內(nèi)實現(xiàn)邏輯判定，通過串口發(fā)送運動命令給單片機，從而由單片機直接控制電機運動。原始數(shù)據(jù)保存模塊將收到的數(shù)據(jù)保存到指定位置的txt文檔中，如果指定的txt文檔不存在，則新建該名稱的txt文檔。圖標顯示模塊，顯示當前檢測到的熒光強度值，繪制出變化曲線，并且能夠計算出實驗人員通過游標所確定的兩位置的曲線包絡面積。

3 結(jié)束語

本文設計的基于LabVIEW與單片機的熒光實驗平臺能夠發(fā)射小功率激光，激發(fā)被檢測物質(zhì)發(fā)出熒光，同時檢測熒光的強度，通過對熒光強度的計算來檢測樣品中相關(guān)成分。具備較高的柔性，能夠滿足多種檢測應用。對光檢測部分的設計進行了大量的工作，消除了大部分的噪聲干擾，能夠大大提高了檢測精度。采用了新型的電機驅(qū)動芯片，提高了電機運行的穩(wěn)定性，間接提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精度。采用LabVIEW進行上位機的程序設計，使相關(guān)人員能夠?qū)υ撓到y(tǒng)進行專用的二次開發(fā)，柔性高。本文所設計的熒光檢測平臺已經(jīng)在本部門的生物檢測實驗室進行了大量的試驗，并逐步成為常用的實驗室設備。

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