基于USB2.0的單色光源外圍電路設(shè)計(jì)

1．引言

自20世紀(jì)70年代第一次觀察到室溫下溶液中單個(gè)分子發(fā)光的現(xiàn)象以來(lái)，單個(gè)分子或少許分子的熒光顯微檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視^[1]。圖1是典型的胞內(nèi)鈣離子濃度熒光顯微檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)紊ぐl(fā)光源系統(tǒng)、光學(xué)耦合系統(tǒng)、熒光顯微鏡、微弱熒光檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等。其原理如下：?jiǎn)紊ぐl(fā)光源在計(jì)算機(jī)控制下發(fā)出所需要的單色激發(fā)光，經(jīng)光纖和耦合系統(tǒng)被引入熒光顯微鏡，并聚焦到樣本平面，激發(fā)細(xì)胞中的熒光探針發(fā)出熒光，微弱熒光檢測(cè)系統(tǒng)（包括電荷耦合器件CCD和光電倍增管PMT）采集并記錄熒光信號(hào)，最后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在熒光顯微、熒光強(qiáng)度檢測(cè)、熒光成像等熒光檢測(cè)系統(tǒng)中單色激發(fā)光源是其中重要的組成部分。單色激發(fā)光源既可以和熒光顯微鏡組成單細(xì)胞熒光顯微系統(tǒng)使用，也可單獨(dú)使用在其他需要激發(fā)熒光的場(chǎng)合。這種通用性很強(qiáng)的單色激發(fā)光源一般由氙燈、高壓?jiǎn)?dòng)和恒流供電電源、控制電路和閃耀光柵等一系列精密的光學(xué)元件組成。氙燈的發(fā)光光譜接近于太陽(yáng)光譜，光譜連續(xù)，適合作為單色光源的激發(fā)光源，但是氙燈點(diǎn)火時(shí)瞬時(shí)功率較大，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)發(fā)熱量也較大，會(huì)對(duì)單色光源中其他的電子部件產(chǎn)生一定的影響。目前，國(guó)外研制的應(yīng)用于熒光檢測(cè)和成像系統(tǒng)的單色光源均具有較為完善的監(jiān)控和保護(hù)功能^[2]。在研究國(guó)外公開(kāi)的產(chǎn)品資料的前提下，我們?cè)趪?guó)內(nèi)率先自行研制開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單色激發(fā)光源系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)總體介紹

外圍電路系統(tǒng)如圖2所示，由PC機(jī)的光學(xué)掃描應(yīng)用程序和以Cypress公司的USB2.0接口芯片EZ-USB FX2 CY7C68013（以下簡(jiǎn)稱FX2）為核心處理器的硬件電路系統(tǒng)組成。

溫度監(jiān)測(cè)電路配合FX2對(duì)氙燈光源室的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由FX2控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵掃描定位器的控制功能，有機(jī)發(fā)光顯示器（Organic Light Emitting Display，OLED）組成的顯示接口電路作為人機(jī)界面的顯示，光感應(yīng)電路用于監(jiān)測(cè)氙燈的工作狀態(tài)，繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路配合FX2實(shí)現(xiàn)單色激發(fā)光源的各部分電路按照預(yù)定程序加電。

       圖1 熒光測(cè)鈣系統(tǒng)的原理圖            

  圖2 外圍電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖            

3、硬件設(shè)計(jì)原理與方案

3.1核心處理器EZUSB FX2的性能簡(jiǎn)介

核心處理器采用Cypress公司的EZUSB FX2。EZUSB FX2是一款滿足USB2.0協(xié)議同時(shí)兼容USB1.1傳輸協(xié)議的功能強(qiáng)大的接口芯片。它是在一個(gè)增強(qiáng)型的8051單片機(jī)內(nèi)核的基礎(chǔ)上，集成了一個(gè)串行接口引擎(SIE)，和一系列的端點(diǎn)（Endpoint）。這些端點(diǎn)既可以被增強(qiáng)型的8051訪問(wèn)也可以被串行接口引擎訪問(wèn)。從增強(qiáng)型8051的角度來(lái)看這些端點(diǎn)都可以看作其外部的擴(kuò)展緩沖區(qū)。串行接口引擎用以完成對(duì)USB協(xié)議的封包和解包，同時(shí)屏蔽了底層信號(hào)的電器特性。為了縮短USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，Cypress公司為USB設(shè)計(jì)者提供了EZUSB系列的固件程序框架，本系統(tǒng)中的FX2固件均在這個(gè)固件程序框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫(xiě)^[3]。

3.2光柵控制模式選擇和定位器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.2.1光柵定位器驅(qū)動(dòng)模式選擇電路設(shè)計(jì)

閃耀光柵及其定位器是單色光源系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在單色光源的設(shè)計(jì)中我們選用了美國(guó)CTI公司的光柵定位器（Mirror Positioning System）。為方便用戶對(duì)單色激發(fā)光源控制并提高單色光源控制系統(tǒng)的智能程度。在單色光源控制系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)了三種光柵定位器控制方式：（1）數(shù)據(jù)采集器控制方式，即利用熒光顯微檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集器輸出的模擬電壓來(lái)控制光柵定位器。（2）手控板控制方式，通過(guò)配備給用戶的手控板可以直接控制光柵定位器輸出用戶指定波長(zhǎng)的單色光。（3）USB接口控制方式，用戶直接通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB接口運(yùn)用本系統(tǒng)中光學(xué)掃描應(yīng)用程序，控制光柵定位器輸出實(shí)驗(yàn)所需的單色光。該部分電路原理如圖3所示。FX2控制低阻抗的模擬開(kāi)關(guān)DG409實(shí)現(xiàn)控制模式的選擇，在數(shù)據(jù)采集器控制模式下，F(xiàn)X2控制模擬開(kāi)關(guān)將控制通道切向數(shù)據(jù)采集器模擬量接口，在手控板和USB控制模式下FX2將模擬開(kāi)關(guān)切向DAC輸出信號(hào)端。LF347組成跟隨電路提高光柵定位器控制信號(hào)的負(fù)載能力。

3.2.2基于USB2.0傳輸協(xié)議的光柵定位器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

       利用USB協(xié)議的“熱拔插”的優(yōu)點(diǎn)，方便用戶對(duì)單色激發(fā)光源的操作，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于USB2.0傳輸協(xié)議的光柵定位器控制電路，該部分的電路原理如圖3所示。AD5322為12位精度、單電源供電、輸出緩沖為軌－軌的串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)X2與PC機(jī)以USB2.0協(xié)議中中斷優(yōu)先級(jí)較高的控制傳輸方式通訊，接收PC機(jī)發(fā)送的波長(zhǎng)掃描數(shù)據(jù)。FX2內(nèi)集成的增強(qiáng)型8051單片機(jī)將波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到相對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，再由8051內(nèi)核的輸出至AD5322。這樣上位機(jī)發(fā)送的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成為相對(duì)應(yīng)的模擬電壓（0V~+5V）。由于CTI的光柵定位器的輸入電壓范圍為（－10V~+10V）。因此，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓還必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路由運(yùn)算放大器LF347組成，調(diào)理電路中輸出和輸入的關(guān)系為：V_o=4V_i－10。調(diào)理后的輸出電壓即為光柵定位器所需的電壓，由DAC_OUT信號(hào)接口輸出至DG409進(jìn)行選擇。

圖3 光柵定位器控制模式切換電路        

 圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號(hào)調(diào)理電路

3.3單色光源工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)

3.3.1溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

       為保證單色光源長(zhǎng)時(shí)程工作的安全性，必須對(duì)單色光源系統(tǒng)中氙燈室的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其溫度監(jiān)測(cè)的誤差應(yīng)保證在 ºC范圍內(nèi)。在單色光源穩(wěn)定工作時(shí)，氙燈室的溫度可能超過(guò)150ºC，因此，我們選擇了溫度探測(cè)范圍大（-100～630°C）的Pt100作為溫度傳感器，進(jìn)而結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7109采用比率法四線制電阻的溫度測(cè)量方案^[4]（如圖5）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7109為12位的雙線性積分A/D轉(zhuǎn)換器，其具有兩個(gè)差分輸入端REFIN+、REFIN-和兩個(gè)參考電壓輸入端INHI、INLO。ICL7109的數(shù)據(jù)和狀態(tài)輸出端口B1~B12、STATUS、POL、OR可與FX2直接進(jìn)行連接，COMMAND等ICL7109的控制端口則通過(guò)74HC573進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后和FX2連接。其工作原理：R為限流電阻，R_f為參考電阻，R1、R2、R3、R4為傳輸線的等效電阻，由于ICL7109具有高輸入阻抗，流過(guò)R2、R3的電流以及R2、R3的壓降可以忽略不計(jì)。按照比率法的原理可以得到：

V_f /V_t=R_f /R_t=2048/K                                                (1)

式中,V_f 為參考電阻上的電壓;V_t為Pt100電阻上的電壓值;R_t為Pt100的電阻值;K為A／D采樣值。R_f的值是選定的（一般選擇溫度測(cè)量上限值時(shí)Pt100電阻值的1/2,本系統(tǒng)中選用的參考電阻值為150 ,精度 ），ICL7109轉(zhuǎn)換后的數(shù)值為Pt100電阻與參考電阻的比值。由公式（1）可以得到Pt100的電阻值。依據(jù)國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)90(ITS-90)，Pt100電阻值R_t的三次擬合公式為

                    (2)

R₀為Pt100電阻在0℃時(shí)的標(biāo)稱值A＝3.9083×10^－3，B＝-5.755×10^－7，T<0℃時(shí)，C＝-4.183×10^－12，當(dāng)T>0℃時(shí)，C＝0。進(jìn)而可以計(jì)算得到當(dāng)前的溫度值。在ICL7109與FX2的接口電路的設(shè)計(jì)上面應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：（1）FX2的高電平輸出驅(qū)動(dòng)能力有限，與ICL7109接口時(shí)應(yīng)加上電平轉(zhuǎn)換器件（如74HC573或74HC244等）。（2）為減小Pt100自發(fā)熱效應(yīng)帶來(lái)測(cè)量誤差，限流電阻R要選擇適當(dāng)（本系統(tǒng)選用2.2K ）。（3）由于FX2的端點(diǎn)占用了其內(nèi)部8051內(nèi)核外部地址的一部分，如采用直接訪問(wèn)的方式來(lái)讀取ICL7109的數(shù)據(jù)，ICL7109的地址應(yīng)設(shè)定在0x2000～0xDFFF之間。

3.3.2 工作狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)

熒光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)一般都在暗室中進(jìn)行,為了顯示單色激發(fā)光源的工作狀態(tài)，本系統(tǒng)還