原位海水葉綠素a含量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

吳 寧 曹 煊 褚東志馬 然 吳丙偉 張穎穎 張述偉 張 穎

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實驗室1，山東 青島 266001；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

原位海水葉綠素a含量檢測系統(tǒng)的設(shè)計

吳 寧2曹 煊1褚東志2馬 然2吳丙偉2張穎穎1張述偉1張 穎1

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實驗室1，山東 青島 266001；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

為了檢測LED激發(fā)海水浮游植物體內(nèi)的葉綠素a所發(fā)出的痕量熒光信號，實現(xiàn)海水葉綠素a含量檢測，預(yù)防赤潮等災(zāi)害，設(shè)計了基于STM32單片機(jī)和FPGA的數(shù)字鎖相放大器。FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)正交矢量數(shù)字鎖相放大和LED光源調(diào)制驅(qū)動信號DDS的產(chǎn)生；STM32單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償以及通信接口等功能。試驗證明，該方案不僅能在自然環(huán)境下完成海水葉綠素a的實時檢測，且具有較高的測量精度?；谠摲桨傅脑缓Ｋ~綠素a傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單便攜、精度高、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

葉綠素a 熒光信號 LED 傳感器 數(shù)字鎖相放大器 實時檢測

0 引言

海水葉綠素a濃度直接反映了浮游植物的活躍度和生物量，因此葉綠素a濃度檢測已經(jīng)成為評價海洋水質(zhì)營養(yǎng)化和預(yù)測赤潮災(zāi)害的最重要參數(shù)[1-3]。目前，在線檢測海水葉綠素a濃度最有效的方法是熒光檢測法，通過中心波長為470 nm的LED激發(fā)浮游植物體內(nèi)葉綠素a發(fā)出熒光信號，通過測量熒光信號,間接跟蹤水體營養(yǎng)化程度的變化。但激發(fā)出的熒光信號為痕量信號，易受到環(huán)境光等背景光影響而淹沒在強(qiáng)噪聲背景下，因此采用傳統(tǒng)模擬、放大、濾波等檢測方法檢測該類信號非常困難[4-5]。為了提取和測量強(qiáng)噪聲背景下的痕量熒光信號，提出了一種數(shù)字正交鎖相放大(digital lock-in amplifier，DLIA)檢測技術(shù)。該方法基于互相關(guān)原理，使輸入待測的微弱周期信號與頻率相同的參考信號在相關(guān)器中實現(xiàn)互相關(guān)，從而有效地檢測出深埋在大量非相關(guān)噪聲中的痕量熒光信號,完成葉綠素a的檢測。該方法顯著提高了測量信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度，彌補(bǔ)了模擬器件存在的溫度漂移、噪聲大等缺點(diǎn)[6]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)主要由中心波長為460 nm、作為激發(fā)光源(窄角15°)的高亮度藍(lán)光LED、S2386- 44K型光電接收器、正交矢量數(shù)字鎖相放大器以及作為溫度補(bǔ)償?shù)腄S18B20溫度傳感器組成。為了實現(xiàn)高精度、低成本、模塊化葉綠素a檢測儀器，整個系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。系統(tǒng)是以STM32和FPGA為核心的檢測系統(tǒng)。

圖1 檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle of detection system

1.1 FPGA模塊設(shè)計

系統(tǒng)中的FPGA模塊主要包括直接頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)、相敏檢波(phase sensitive detection,PSD)和IIR低通數(shù)字濾波(infinite impulse response filter,IIR)。DDS信號發(fā)生單元采用基于查表法和CORDIC算法相結(jié)合的原理設(shè)計完成，利用較少的硬件資源和存儲資料實現(xiàn)較高精度和較低延時的1 kHz調(diào)制正余弦信號的產(chǎn)生，以避除外界背景雜光的影響[7-8]。除此之外,DDS單元也為PSD提供了正交參考信號。PSD主要由乘法器組成，它對同頻率的被測信號和參考信號進(jìn)行乘法運(yùn)算,得到和頻與差頻信號。和頻信號經(jīng)過IIR低通濾波器以后，可以濾出所有頻率高于截止頻率的信號，差頻信號為直流信號。為了提高系統(tǒng)的存儲容量和運(yùn)算速度，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA Cyclone II器件，它具有豐富的運(yùn)算單元和RAM存儲單元，適合實時性信號處理。

1.2 鎖相放大器檢測原理

如圖1所示，假設(shè)輸入被測信號Y為Y=s1(t)+n(t)，由DDS信號發(fā)生單元產(chǎn)生的正交參考信號f1=s2(t)、f2=s3(t)，假設(shè)s1(t)=Asin(2πft+φ)、s2(t)=sin(2πft)、s3(t)=cos(2πft)。由于被測信號Y與參考信號f1、f2的頻率相同，則有：

Yf1(t)=Asin(2πft+φ)sin(2πft)+

(1)

Yf2(t)= Asin(2πft+φ)cos(2πft)+

(2)

從式(1)和式(2)可以看出，由于輸入信號和參考信號的頻率相同，經(jīng)過積化和差公式后得到一個和頻信號和一個差頻信號，其中和頻信號為高頻信號，差頻信號為直流信號。經(jīng)過窄帶低通濾波之后(其中截止頻率fc≤f),就可以濾除高頻，得到如式(3)和式(4)所示的同相輸出M和正交輸出N。通過STM32運(yùn)算單元的處理，可以得到待測有用信號Y的幅值A(chǔ)和相位φ[8-11]。

(3)

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32是本系統(tǒng)的主控部分，主要完成數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償和通信。其中STM32的數(shù)據(jù)中斷程序流程圖如圖2所示。

圖2 STM32中斷程序流程圖Fig.2 Flowchart of the interrupt routine in STM32

經(jīng)過鎖相放大器輸出的數(shù)據(jù)會觸發(fā)STM32的外部中斷，從而使STM32讀取鎖相放大器數(shù)據(jù)并對連續(xù)采樣得到的100個數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，以抑制干擾。然后將得到的數(shù)據(jù)通過標(biāo)定的葉綠素a與熒光強(qiáng)度的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為葉綠素a的濃度值，并通過溫度補(bǔ)償算法對得到的結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到正確結(jié)果，最后通過USB或者RS- 485將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

1.4 LED驅(qū)動電路設(shè)計

圖3 LED驅(qū)動電路原理圖Fig.3 The principle of LED drive circuit

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 電路系統(tǒng)噪聲性能測試

為了驗證電路的性能，將輸入端用小電阻與地短接，實測10組數(shù)據(jù)輸出，結(jié)果如表1所示。

表1 電路輸出噪聲Tab.1 Output noises of the circuit

2.2 對比試驗

基于上述原理所制成的葉綠素a檢測儀在經(jīng)過實驗室環(huán)境標(biāo)定之后，分別對不同濃度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液與美國YSI葉綠素a測試儀進(jìn)行了對比測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 比對試驗Tab.2 The inter-comparison tests

從表2可以看出,該儀器表現(xiàn)出良好的性能，反映了葉綠素a濃度與熒光的良好的線性關(guān)系。同時，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)最低檢出限0.1 μg/L，與美國YSI葉綠素a測試儀基本具有相同的測量精度。此外，該儀器還具有低噪聲、低功耗、低漂移以及高靈敏度等特點(diǎn)。

3 結(jié)束語

系統(tǒng)以葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)檢測原理為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)原理實現(xiàn)了痕量熒光信號的檢測。基于數(shù)字正交鎖相放大器原理設(shè)計完成的傳感器，經(jīng)過試驗證明，該儀器不僅能夠?qū)崟r檢測海水中葉綠素a，并且具有諧波抑制能力強(qiáng)、無直流漂移、功耗低、便攜化、精度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)的反應(yīng)強(qiáng)度與葉綠素a濃度具有很好的線性關(guān)系，能夠?qū)崟r、連續(xù)地反映海水中葉綠素a濃度的變化趨勢，可與國外傳感器媲美。同時該儀器可以作為水質(zhì)傳感器，用于水質(zhì)多參數(shù)浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)平臺實現(xiàn)實時檢測，也可用于海水濁度參數(shù)的檢測。

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[11]吳明華，鄭剛，江斌，等.一種新的應(yīng)用于鎖相放大器的數(shù)字相關(guān)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2010，18(12)：2824-2827.

Design of the In-situ Detection System for the Content of Chlorophyll-a in Seawater

To detect the trace amount of fluorescence signals emitted from chlorophyll-a inside hytoplankton in seawater under LED excitation for implementing detection of chlorophyll-a in seawater, and protecting red tide and other disasters, the digital lock-in amplifier has been designed based on STM32 single chip computer and FPGA. The orthogonal vector lock-in amplifier and generation of the LED light source modulation driving signal DDS are realized by FPGA; while the functions of data processing, temperature compensation and communication are accomplished by STM32. The results of experiments indicate that design scheme can detect chlorophyll-a in seawater in real time under natural environment, and offer higher measurement accuracy. The in-situ seawater chlorophyll-a sensor based on this scheme features simple structure and easy to carry, high accuracy, high stability, and strong anti-interference capability, and possesses wide applicable prospects.

Chlorophyll-a Fluorescent signal LED Sensor Digital lock-in amplifier(DLIA) Real-time detection

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：41206076)；

國際合作基金資助項目(編號：2013DFR90220)；

青島市基礎(chǔ)研究基金資助項目(編號：13-1-4-160-jch)。

吳寧(1987-)，男，2013年畢業(yè)于北京化工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級工程師；主要從事海洋儀器儀表研發(fā)、微弱信號檢測與處理、智能控制的研究。

TH13

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506020

海洋公益性行業(yè)專項科研經(jīng)費(fèi)項目(編號：201005025)；

修改稿收到日期：2014-12-24。