基于STM32植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永凱， 王曉冬， 周 航， 趙建平， 王 成

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100089；2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100089；3. 曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165)

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基于STM32植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張永凱1,3， 王曉冬1,2， 周 航1,2， 趙建平3， 王 成1,2

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100089；2. 國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100089；3. 曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165)

溶液中無(wú)機(jī)鹽離子的定向流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電壓信號(hào)可以計(jì)算離子的濃度、植物根系吸收離子的速度，進(jìn)而獲取植物的生理信息；對(duì)植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用STM32F103ZET6作為主控芯片，利用極低偏置電流放大芯片和高共模抑制比差分放大芯片，給出了信號(hào)放大、濾波處理和數(shù)據(jù)采集電路，對(duì)系統(tǒng)噪聲來(lái)源進(jìn)行分析，提出了降低噪聲的方法，并通過(guò)STM32進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)的檢測(cè)，得到了離子在溶液中的流速。

離子流信號(hào)；檢測(cè)系統(tǒng)；STM32F103ZET6；信號(hào)放大；A/D轉(zhuǎn)換

0 引言

目前國(guó)內(nèi)離子流信號(hào)檢測(cè)技術(shù)大多應(yīng)用在動(dòng)物學(xué)領(lǐng)域，植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)的檢測(cè)研究相對(duì)較少。由于植物吸收離子產(chǎn)生的電壓極其微弱，只有幾十微伏到幾百微伏，難以直接檢測(cè)，需要特定的玻璃管電極把檢測(cè)到的動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行放大與處理。但微弱信號(hào)的檢測(cè)和信號(hào)放大與處理存在一定困難，如運(yùn)算放大器的零漂、噪聲、外接干擾等，都將嚴(yán)重地影響著信號(hào)的保真與提取[1]。實(shí)現(xiàn)離子流信號(hào)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的處理是信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

生物的電活動(dòng)是重要的生命現(xiàn)象，與細(xì)胞跨膜離子運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)[2]，基于Fick第一定律首次采用在胞外微小距離空間移動(dòng)離子選擇性微電極的方式，無(wú)損地得到了生物組織的Ca2+離子流速信息[3]。植物動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)檢測(cè)是把植物根系放置在裝有特定離子溶液的培養(yǎng)皿中，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)獲取植物根系附近微小距離的微弱電壓，從而得到離子的流速信息。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

文中重點(diǎn)介紹了檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，從元件選取、噪聲的抑制和電源設(shè)計(jì)入手。信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感器過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)信號(hào)調(diào)理的隔離、放大、濾波等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性及性能得到極大地改善[4]。采用多級(jí)放大電路把電壓信號(hào)放大，共對(duì)信號(hào)放大1000倍。由于對(duì)微弱信號(hào)的獲取和幅值測(cè)量很難實(shí)現(xiàn)，因此先對(duì)該信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大再進(jìn)行相應(yīng)的處理[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個(gè)前置放大器共參比電極，兩個(gè)檢測(cè)電極分別測(cè)量與參比電極形成的電壓，通過(guò)差分放大和處理得到兩個(gè)檢測(cè)電極之間的電壓，從而計(jì)算離子的流速。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 放大電路設(shè)計(jì)

放大器的噪聲是無(wú)法避免的，引入的噪聲會(huì)經(jīng)過(guò)后續(xù)放大進(jìn)一步污染離子流信號(hào)，因此前置放大器的選擇與設(shè)計(jì)尤為重要，它起到輸入隔離、放大作用。微弱信號(hào)檢測(cè)的首要問(wèn)題就是盡量降低放大器本身的噪聲，防止在放大信號(hào)的過(guò)程中使信噪比惡化[6]。

AD549是一款極低偏置電流運(yùn)算放大器芯片，輸入偏置電壓和輸入偏置電壓溫度漂移均通過(guò)激光調(diào)整，共模阻抗高達(dá)1015Ω，具有極小的失調(diào)電壓和噪聲。為保證前置放大器的高輸入阻抗，采用同相比例運(yùn)算放大電路，兩個(gè)前置放大器設(shè)計(jì)相同，圖2所示的是其中的一路放大器，由AD549組成，增益為1+R2/R1，實(shí)現(xiàn)10倍的放大。由于每一級(jí)放大器的輸出阻抗和下級(jí)放大器的輸入阻抗及分布電容的存在，會(huì)引起放大電路的自激振蕩，為了消除自激振蕩帶來(lái)的不穩(wěn)定性，在電阻R3上并聯(lián)一個(gè)電容，保證電路穩(wěn)定工作。

圖2 前置放大器原理圖

差分放大器的選擇應(yīng)具有較小的偏置電壓、零點(diǎn)漂移、高輸入阻抗和共模抑制比等。INA101HP是Burr-Brown公司的一款超高精密儀器放大芯片，它主要用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、低電平信號(hào)放大，該器件在一塊芯片上集成了3個(gè)精密運(yùn)算放大器和經(jīng)激光微調(diào)的金屬膜電阻[7]。INA101HP輸入阻抗達(dá)到1010Ω，溫度漂移小，失調(diào)電壓最大為25 μV，低非線性低噪聲，具有高共模抑制比，因此選擇此芯片作為本設(shè)計(jì)的差分放大器。

兩個(gè)前置放大器輸出的信號(hào)分別連接差分放大器的同相輸入端和反相輸入端，增益檢測(cè)端與增益設(shè)置端短接，用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，如圖3所示，增益由電位器R7的阻值決定，根據(jù)芯片手冊(cè)調(diào)節(jié)電位器為4.44 k Ω實(shí)現(xiàn)10倍差分放大。

圖3 差分放大器原理圖

2.2 濾波電路設(shè)計(jì)

植物吸收離子信號(hào)為頻率較低的微弱信號(hào)[8]，為了準(zhǔn)確、穩(wěn)定的采集信號(hào)，本文進(jìn)行了低通有源濾波電路的設(shè)計(jì)。運(yùn)算放大器的高輸入阻抗能避免給驅(qū)動(dòng)帶來(lái)過(guò)度的負(fù)載效應(yīng)[9]。本文采用Sallen-key二階有源低通濾波器，這是一種信號(hào)處理中常用的有源濾波電路[10]，是帶負(fù)反饋的同相放大器。濾波電路主要由運(yùn)算放大器芯片OPA121和兩個(gè)電容兩個(gè)電阻構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 濾波電路原理圖

Sallen-Key低通濾波器的截止頻率為：

(1)

式中，f為濾波器截止頻率，根據(jù)圖4的電路可實(shí)現(xiàn)112.54 Hz的低通濾波處理。反饋增益由電阻R11、R12提供，實(shí)現(xiàn)了10倍放大。

2.3 A/D采集設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單元的主要作用是將傳感器得到的模擬信號(hào)通過(guò)一定的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)[11]。本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司32位增強(qiáng)型微控制器STM32F103ZET6作為核心控制器，STM32具有片上資源豐富、功耗低、高性能等優(yōu)點(diǎn)，最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，64 K的SRAM，內(nèi)部自帶的ADC，減少了硬件成本。STM32F103微控制器內(nèi)部有2個(gè)12位的ADC，可測(cè)量16個(gè)外部信號(hào)源，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或者間斷模式執(zhí)行，最大轉(zhuǎn)換速度為1 μs，足以勝任低頻采樣工作。

電壓信號(hào)由STM32的PC0端口采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘由8 MHz晶振提供外部時(shí)鐘，STM32的VREF+引腳是模擬參考正極，作為ADC采樣的參考電壓，并決定ADC分辨率；VREF-是模擬參考負(fù)極，與模擬地相連。ADC的分辨率為

(2)

式中，LSB為最低有效位，VREF+為模擬參考正極。由公式2可知，ADC的分辨率為0.806 mV。電路如圖5所示，BOOT0管腳接地，選擇用戶閃存存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式，SWDIO與SWCLK是調(diào)試端口，數(shù)據(jù)端SWDIO由上拉電阻拉高。PA9與PA10是通用同步異步收發(fā)器，用于和PC通信。

圖5 STM32最小系統(tǒng)原理圖

2.4 電源設(shè)計(jì)

放大器與A/D轉(zhuǎn)換器需要穩(wěn)定的電壓源，由于電源中有紋波和噪聲存在，會(huì)對(duì)離子流信號(hào)產(chǎn)生不利影響，為了減小電源引入的紋波與噪聲，本設(shè)計(jì)對(duì)常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源、線性電源和電池電源進(jìn)行了紋波檢測(cè)，選用紋波最小電池作為電源。

如圖6所示，放大器的供電采用兩塊15 V電池作為電源，把一塊電池的負(fù)極與另一塊電池的正極連到一起作為地端，然后通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片LM78L12與LM79L12把電壓轉(zhuǎn)換為+12V和-12V，在壓降芯片前后放置鉭電容用于濾波，減小噪聲在電路中影響。

STM32的供電由+12V電壓通過(guò)壓降芯片HT7533轉(zhuǎn)換為3.3 V。為了把數(shù)字電源和模擬電源分開(kāi)，提供一個(gè)穩(wěn)定的模擬參考電壓，提高A/D轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì)把STM32的模擬電源進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)，使用線性穩(wěn)壓源芯片GM1117-3.3把電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，如圖6所示。

圖6 電源電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

STM32作為的核心控制器，控制A/D轉(zhuǎn)換，并使用DMA的方式把ADC采集的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)采用Keil MDK編程軟件，程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，為縮短開(kāi)發(fā)周期提高編程效率，軟件程序采用STM32自帶的庫(kù)源碼，把ST庫(kù)源碼加載到工程文件中，通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行初始化配置。

先初始化GPIO口，實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)控制。然后對(duì)ADC1進(jìn)行配置：采用獨(dú)立、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式采集一個(gè)通道數(shù)據(jù)，禁止多通道掃描模式，使用軟件中斷模式，對(duì)ADC進(jìn)行校準(zhǔn)并使能A/D轉(zhuǎn)換功能。為了節(jié)省CPU資源提高數(shù)據(jù)傳輸速率，采用DMA功能把采集的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街付拇嫫魃?，通過(guò)配置DMA1控制器使ADC1數(shù)據(jù)寄存器作為來(lái)源，內(nèi)存地址作為目的地，寄存器基地址不變，數(shù)據(jù)寬度為16位，采用循環(huán)模式傳輸并使能DMA功能，ADC1采集的數(shù)據(jù)就會(huì)不間斷傳輸?shù)経SART1的數(shù)據(jù)寄存器。最后配置USART1模塊，重定向C庫(kù)函數(shù)printf到USART1，通過(guò)調(diào)用printf函數(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

4 測(cè)試與結(jié)論

通過(guò)檢測(cè)電壓信號(hào)直接計(jì)算離子流速無(wú)法保證準(zhǔn)確的放大倍數(shù)，為了準(zhǔn)確檢測(cè)動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)離子流速的精準(zhǔn)計(jì)算，本文進(jìn)行放大倍數(shù) 的測(cè)定，使用鋰電池作為信號(hào)源，通過(guò)高精電阻與電位器分壓，產(chǎn)生兩個(gè)電壓信號(hào)，模擬兩個(gè)前置放大器的輸出，然后接到差分放大器兩個(gè)輸入端進(jìn)行放大處理。一共采集了12組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集20次，然后求出均值，如表1所示。

表1 測(cè)試信號(hào)數(shù)據(jù)

V1、V2是電池產(chǎn)生的電壓，V3是V1與V2的實(shí)際的差值，V4是信號(hào)放大后系統(tǒng)檢測(cè)的電壓除以放大倍數(shù)。V4與測(cè)量的電壓差V3進(jìn)行對(duì)比作差，可以得到系統(tǒng)檢測(cè)的與實(shí)際測(cè)量值最大的誤差是0.8 mV，此值也是STM32的ADC能檢測(cè)到的最小的分辯率，因此，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確放大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)離子流信號(hào)的檢測(cè)，電路設(shè)計(jì)上相對(duì)精簡(jiǎn)，從而減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，選擇高性能的芯片降低系統(tǒng)的噪聲并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高采集的準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)的信號(hào)會(huì)在環(huán)境噪聲與系統(tǒng)噪聲的影響下進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)夾雜著各種噪聲，噪聲對(duì)計(jì)算離子流速產(chǎn)生影響，影響有多大需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比評(píng)測(cè)，如何對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的抗干擾性進(jìn)行對(duì)比評(píng)測(cè)，仍是一個(gè)需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

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Design of Plant Dynamic Ion Current Signal Detection System Based on STM32

Zhang Yongkai1,3， Wang Xiaodong1,2， Zhou Hang1,2， Zhao Jianping3， Wang Cheng1,2

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100089, China；2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100089, China；3. College of Physical and Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)

Inorganic ions in solution directional flow can produce a weak voltage signal, by detecting the voltage signal, the ion concentration and the velocity of the ion uptake by plant roots can be calculated, then get the plant physiological information. The design of signal detection system for plant dynamic ion current, using STM32F103ZET6 as main control chip, using low offset current amplifier and high common mode rejection ratio difference amplifier. gives a signal amplifying, filtering processing and data acquisition circuit, discuss the source of noise and noise reduction method, use STM32 microcontroller for A/D conversion and transfer data to the host computer. The design realized the detection of the signal of the ion flow in the plant, and got the flow velocity of the ion in the solution.

ion current signal；detection system；STM32F103ZET6；signal amplifying；A/D conversion

2015-08-24；

2015-10-26。

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)(2011YQ080052)；北京市農(nóng)林科學(xué)院青年科研基金(QNJJ201533)。

張永凱(1989-)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事電路與系統(tǒng)方向的研究。

王 成(1970-)，男，北京人，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)智能控制和生物儀器方向的研究。

1671-4598(2016)03-0145-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.040

TP311

A