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光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现
摘 要:针对光寻址型传感器对寻址光源的要求,本文以FPGA芯片为核心,采用VHDL作为FPGA开发语言,以Visual Basic为软件开发平台,研制了可实现电脑远程控制的、具有较好人机交互界面的光源控制系统。根据传感器阵列中敏感单元的实际使用情况,本光源控制系统可对光源阵列的寻址方式和寻址时间,以及光源驱动功率、波形、调制频率等进行自由设置,与传统的逐点扫描型寻址方式相比,有助于节省检测时间、提高系统的灵活性;光源的调制频率可在1~80K Hz任意设置,满足了光寻址型传感器对不同调制频率的要求;光源的驱动电压,可根据所选光源类型,在1.25~5 V内设置和调节。
关键词:光寻址型传感器光源阵列FPGAVisual Basic
中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0018-04
1、引言
光寻址型传感器是一种基于半导体光电效应的固态敏感器件,通过敏感膜将生化反应过程与半导体光电效应相耦合[1],激发光照射位置与输出电信号之间具有一一对应的关系,因此易于实现多种物质的同时检测。目前这类传感器在实现离子[2]、蛋白质分子[3]、甚至细胞[4],等多种物质的检测中得到了研究,取得了较好的成果。随着新型半导体功能材料及相关加工技术的不断涌现,光电式传感器向着微型化,集成化,多点及多参数测量方面发展,在生物医药等领域有着广阔的发展应用前景。
由于光寻址型传感器的输出信号与寻址光源具有一一对应的关系,通过控制光照位点,可实现对传感器阵列中不同敏感单元寻址,因此在光寻址传感器系统中,又将光源成为“寻址光源”或“激发光源”。在光寻址型传感器测控系统中,光源控制模块是传感器的重要组成部分之一,需满足传感器对光源的调制频率、寻址方式和寻址时间、发光强度等方面的要求,同时还需针对不同光源提供适当的驱动电压。其中,阵列化光源因其具有寻址精度高、易于小型化、便于携带等优点,是当前的发展方向[6]。为此,本文研发了光源阵列控制器,可提供1K~80K Hz的调制频率;既可实现传统的逐点扫描,也可实现任意自由寻址;可为不同类型的光源,提供1.25~5 V任意可调光源驱动,并有方波和三角波两种可选驱动波形;控制器主板可通过串口或USB与电脑相连,实现了对光源控制系统的远程交互式控制。
本文在主板设计上采用了基于FPGA(可编程逻辑器件)芯片的设计方案,其中的系统功能描述使用了VHDL语言;软件设计上,以Visual Basic为平台,为硬件系统开发了交互式光源控制软件,既可控制光源阵列,也可查询当前系统状态。
本系统可满足光寻址型传感器对激发调制频率、寻址方式等方面的控制需求;封装后整体尺寸为13cm×12cm×3cm,便于与传感器整合,实现光寻址型传感器的仪器化;同时易于操作,具有较好的用户友好性。
2、控制器主板设计
本文要实现的主要功能:(1)光源的寻址方式可调:自动寻址和人工寻址;(2)光源的调制频率可由用户指定;(3)光源驱动电压可按需选择;(4)整体系统可由电脑控制数据的发送和接收。针对以上要求,本文设计了光源控制器主板,设计框图如图1所示。
2.1 硬件设计框图及说明
FPGA芯片是控制器主板的核心,采用VHDL语言编写了FPGA的系统功能描述程序,该程序经下载口烧录至FPGA。
电脑对控制器主板下达的指令通过串口模块传输,控制指令主要包括两方面:1)光调制频率、光源所需驱动等控制信息,经串口到达FPGA芯片后,经“数模转换”模块(DAC)和“光源驱动”模块后,转化为光源所需模拟信号,到达光源阵列使其按照以一定的调制频率和强度发光;2)寻址指令,经串口模块达到 FPGA后,选通的地址信息经地址译码对指定光源进行选通操作。
FPGA芯片将系统当前状态,如光调制频率、光源驱动信号、寻址状态以及当前寻址光源等信息,经过串口反馈给电脑。
电平转换模块将外界5 V电压转化为主板中芯片所需正常工作电压,并解决芯片间通讯的电平匹配匹配问题。
2.2 主要芯片的选择
2.2.1 FPGA
根据系统VHDL程序综合结果,整体功能实现需占用五百个逻辑单元,31个I/O口,所以选用了型号为EP1C6Q240C8的FPGA芯片,它具有异步双端口、带寄存器输入口、可选择的带寄存器输出口的存储模块。有2个 PLL (锁相环),含5980个逻辑单元,90k bits 内部RAM,FPGA串行配置芯片含1 M bit Flash ,240个引脚。从资源数量、类型和引脚数量可满足本文的各项要求。
2.2.2 光源驱动及寻址电路
为实现光源驱动控制及寻址功能,首先需要将FPGA发出的八位功率控制数字信号转化为模拟信号,本文选用了MAX5480B芯片,并采用MAX6120芯片为其提供1.2V基准电压,转换后的模拟电压信号通过MAX4330运算放大器进行放大输出,作为光源驱动电路的输入电压。
在数模转换模块输入电压的激励下,光源驱动电路为光源提供驱动信号。在光源驱动模块的设计中,本文使用了电流串联负反馈的设计方案[7],如图2所示。其中,集成运放LM358内部包括有两个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器,将LM358的1脚输出电压经电阻R1反馈至反相输入端,这就形成了同相比例电路;三极管Q1与运放的基极相连,有助于增强驱动电流;当LM358的同相输入电压恒定时,负反馈电路起到了稳定LM358输出电压的作用,从而实现了为光源阵列提供稳定的驱动电流的作用。
为了实现光寻址功能,需要对光源阵列中指定地址的光源进行选通。电脑发出地址指令,经串口到达FPGA;FPGA将其转化为数字地址信号,经地址译码模块后,实现对指定光源的选通。地址译码模块中,本文采用了SN74CBTLV3251芯片。
2.2.3 晶振的选择
实现对光源驱动信号的调制,是本文设计的难点。电脑发送的调制频率信息,需要经过FPGA芯片中“直接数字式频率合成计(DDS)”模块的处理后,才能成为光源控制模块的时钟信号,使光源按照指定调制频率发光。同时电脑传输数据需要使用串口。因此在晶振的选择上必须既要满足DDS模块的要求,又要满足串口传输数据所需9600 Hz通讯要求。
根据光寻址传感器常用频率,本系统的光源的调制频率范围被设置为1K~80K Hz, 本系统中通过对DDS输出信号频率的75分频,来获得所需调制频率的光源驱动信号,因此DDS输出信号ddsout的频率取为75K~ 6M Hz。在实际工作中,DDS的输出频率值由用户通过串口通知FPGA,经DDS处理后转化为DDS输出信号ddsout,作为“光源驱动”模块的时钟,对此动态时钟进行75分频,可获得所需调制频率的光源驱动信号。例如,用户需要10K Hz的光源驱动信号,FPGA由串口获得10K Hz的指令信号,DDS将其转化为频率750K Hz的DDS输出信号,75分频后为10KHz。
传输数据波特率为9600Hz,由于对传入的信号进行三次接收保证信号正确,所以输入时钟频率至少为28800Hz。本文选择了18M Hz晶振,既可满足RS232的通讯需求,又满足DDS模块最高6M Hz的时钟频率需要。
2.2.4 串行通信接口
根据本设计使用环境要求,通信距离约为15 m,可提供5 V直流电压输入,所以接口协议选取了较为通用的EIA RS-232C 标准(协议),数据传输速率为9600波特。同时,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。我们应用集成电路芯片MAX232芯片实现TTL电平与EIA电平间的转换。
此外,利用USB串口线,串口设计方案还可扩展为USB接口,从而解决了某些电脑未设串口或串口数量不足的问题。
3、软件设计
3.1 FPGA功能描述
FPGA的设计主要包括光源的控制,寻址功能和串口数据的收发三方面。
3.1.1 对光源驱动信号的控制
对光源驱动信号的控制,包括信号的频率和信号的强度两方面。
电脑给出的光源调制频率信息,需经过处理后,才能转化为实际驱动光源的模拟信号的频率。本文采用了DDS原理,实现这一功能。简述如下:通过相位累加的方法,将电脑发送的频率控制字,生成为一个所需频率的正弦信号,再通过一个比较器来把它转化为方波或三角波,这样光源的调制频率便由DDS输出信号决定,从而使“光源驱动”模块获得指定频率的输入电压。系统仿真后的结果如图3所示,其中frequency为频率控制字,ddsout为DDS输出信号,reset为复位信号。图3(a)为80KHz的频率控制字时DDS的输出信号,按照理论设计DDS应输出6MHz信号,仿真结果显示DDS输出信号的周期为165.0ns符合设计要求。图3(b)为29KHz频率控制字时DDS的输出信号,周期为490ns。由于光源驱动信号的频率为DDS输出信号的75分频,因此仿真结果显示设计方案可行。
3.1.2 寻址功能
本文设计了两种寻址模式:逐点扫描、指定地址。电脑发送的寻址信息达到FPGA芯片后,转化为地址信息,经地址译码后对光源阵列中指定地址光源进行选通操作,系统仿真结果如图4所示,其中address_type为地址控制模式,address为地址控制字,qi(i=1,2,3,……)为第i个光源的地址信号,高电平表示该地址被选通。当address_type为低电平时,寻址方式为逐点扫描,光源阵列中光源按地址增加的顺序依次被选通,如图4(a)所示;当address_type为高电平时,按照address控制字中的指定地址选通光源,当address分别为2、9时,分别只有q2和q9为高电平,如图4(b)、(c)所示,分别表
