基于USB2.0的單色光源外圍電路設(shè)計

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分子發(fā)光的現(xiàn)象以來，單個分子或少許分子的熒光顯微檢測技術(shù)已經(jīng)越來越引起人們的重視^[1]。圖1是典型的胞內(nèi)鈣離子濃度熒光顯微檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。整個系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：單色激發(fā)光源系統(tǒng)、光學(xué)耦合系統(tǒng)、熒光顯微鏡、微弱熒光檢測系統(tǒng)、計算機等。其原理如下：單色激發(fā)光源在計算機控制下發(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)細胞中的熒光探針發(fā)出熒光，微弱熒光檢測系統(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，最后輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。

在熒光顯微、熒光強度檢測、熒光成像等熒光檢測系統(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胞熒光顯微系統(tǒng)使用，也可單獨使用在其他需要激發(fā)熒光的場合。這種通用性很強的單色激發(fā)光源一般由氙燈、高壓啟動和恒流供電電源、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，但是氙燈點火時瞬時功率較大，穩(wěn)態(tài)工作時發(fā)熱量也較大，會對單色光源中其他的電子部件產(chǎn)生一定的影響。目前，國外研制的應(yīng)用于熒光檢測和成像系統(tǒng)的單色光源均具有較為完善的監(jiān)控和保護功能^[2]。在研究國外公開的產(chǎn)品資料的前提下，我們在國內(nèi)率先自行研制開發(fā)具有自主知識產(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（以下簡稱FX2）為核心處理器的硬件電路系統(tǒng)組成。

溫度監(jiān)測電路配合FX2對氙燈光源室的溫度進行監(jiān)測，由FX2控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及信號調(diào)理電路實現(xiàn)對光柵掃描定位器的控制功能，有機發(fā)光顯示器（Organic Light Emitting Display，OLED）組成的顯示接口電路作為人機界面的顯示，光感應(yīng)電路用于監(jiān)測氙燈的工作狀態(tài)，繼電器及其驅(qū)動電路配合FX2實現(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)計原理與方案

3.1核心處理器EZUSB FX2的性能簡介

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

3.2光柵控制模式選擇和定位器驅(qū)動電路設(shè)計

3.2.1光柵定位器驅(qū)動模式選擇電路設(shè)計

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)計中我們選用了美國CTI公司的光柵定位器（Mirror Positioning System）。為方便用戶對單色激發(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)中我們設(shè)計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實驗中數(shù)據(jù)采集器輸出的模擬電壓來控制光柵定位器。（2）手控板控制方式，通過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的單色光。（3）USB接口控制方式，用戶直接通過計算機的USB接口運用本系統(tǒng)中光學(xué)掃描應(yīng)用程序，控制光柵定位器輸出實驗所需的單色光。該部分電路原理如圖3所示。FX2控制低阻抗的模擬開關(guān)DG409實現(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將模擬開關(guān)切向DAC輸出信號端。LF347組成跟隨電路提高光柵定位器控制信號的負載能力。

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

       利用USB協(xié)議的“熱拔插”的優(yōu)點，方便用戶對單色激發(fā)光源的操作，我們設(shè)計了基于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機以USB2.0協(xié)議中中斷優(yōu)先級較高的控制傳輸方式通訊，接收PC機發(fā)送的波長掃描數(shù)據(jù)。FX2內(nèi)集成的增強型8051單片機將波長數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到相對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，再由8051內(nèi)核的輸出至AD5322。這樣上位機發(fā)送的波長數(shù)據(jù)就轉(zhuǎn)換成為相對應(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)過信號調(diào)理電路進行調(diào)理。信號調(diào)理電路由運算放大器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信號接口輸出至DG409進行選擇。

圖3 光柵定位器控制模式切換電路        

 圖4 數(shù)模轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理電路

3.3單色光源工作狀態(tài)監(jiān)測電路的設(shè)計

3.3.1溫度監(jiān)測電路設(shè)計

       為保證單色光源長時程工作的安全性，必須對單色光源系統(tǒng)中氙燈室的溫度進行監(jiān)測，其溫度監(jiān)測的誤差應(yīng)保證在 ºC范圍內(nèi)。在單色光源穩(wěn)定工作時，氙燈室的溫度可能超過150ºC，因此，我們選擇了溫度探測范圍大（-100～630°C）的Pt100作為溫度傳感器，進而結(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，其具有兩個差分輸入端REFIN+、REFIN-和兩個參考電壓輸入端INHI、INLO。ICL7109的數(shù)據(jù)和狀態(tài)輸出端口B1~B12、STATUS、POL、OR可與FX2直接進行連接，COMMAND等ICL7109的控制端口則通過74HC573進行電平轉(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R2、R3的電流以及R2、R3的壓降可以忽略不計。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（一般選擇溫度測量上限值時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℃時的標(biāo)稱值A＝3.9083×10^－3，B＝-5.755×10^－7，T<0℃時，C＝-4.183×10^－12，當(dāng)T>0℃時，C＝0。進而可以計算得到當(dāng)前的溫度值。在ICL7109與FX2的接口電路的設(shè)計上面應(yīng)該注意到以下幾點：（1）FX2的高電平輸出驅(qū)動能力有限，與ICL7109接口時應(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)帶來測量誤差，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，如采用直接訪問的方式來讀取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

熒光檢測實驗一般都在暗室中進行,為了顯示單色激發(fā)光源的工作狀態(tài)，本系統(tǒng)還