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植物動態(tài)離子流信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

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)

溶液中無機鹽離子的定向流動會產(chǎn)生微弱的電壓信號，通過檢測電壓信號可以計算離子的濃度、植物根系吸收離子的速度，進而獲取植物的生理信息；對植物動態(tài)離子流信號檢測系統(tǒng)進行設(shè)計，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，給出了信號放大、濾波處理和數(shù)據(jù)采集電路，對系統(tǒng)噪聲來源進行分析，提出了降低噪聲的方法，并通過STM32進行A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C；該設(shè)計實現(xiàn)了植物動態(tài)離子流信號的檢測，得到了離子在溶液中的流速。

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

0 引言

目前國內(nèi)離子流信號檢測技術(shù)大多應(yīng)用在動物學(xué)領(lǐng)域，植物動態(tài)離子流信號的檢測研究相對較少。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，需要特定的玻璃管電極把檢測到的動態(tài)離子流信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進行放大與處理。但微弱信號的檢測和信號放大與處理存在一定困難，如運算放大器的零漂、噪聲、外接干擾等，都將嚴重地影響著信號的保真與提取[1]。實現(xiàn)離子流信號準確、穩(wěn)定的處理是信號檢測系統(tǒng)設(shè)計的重點。

生物的電活動是重要的生命現(xiàn)象，與細胞跨膜離子運動密切相關(guān)[2]，基于Fick第一定律首次采用在胞外微小距離空間移動離子選擇性微電極的方式，無損地得到了生物組織的Ca2+離子流速信息[3]。植物動態(tài)離子流信號檢測是把植物根系放置在裝有特定離子溶液的培養(yǎng)皿中，通過檢測系統(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

文中重點介紹了檢測系統(tǒng)調(diào)理電路的設(shè)計，從元件選取、噪聲的抑制和電源設(shè)計入手。信號調(diào)理模塊對傳感器過來的信號進行調(diào)理，通過信號調(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]。采用多級放大電路把電壓信號放大，共對信號放大1000倍。由于對微弱信號的獲取和幅值測量很難實現(xiàn)，因此先對該信號進行初級放大再進行相應(yīng)的處理[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩個前置放大器共參比電極，兩個檢測電極分別測量與參比電極形成的電壓，通過差分放大和處理得到兩個檢測電極之間的電壓，從而計算離子的流速。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計

2.1 放大電路設(shè)計

放大器的噪聲是無法避免的，引入的噪聲會經(jīng)過后續(xù)放大進一步污染離子流信號，因此前置放大器的選擇與設(shè)計尤為重要，它起到輸入隔離、放大作用。微弱信號檢測的首要問題就是盡量降低放大器本身的噪聲，防止在放大信號的過程中使信噪比惡化[6]。

AD549是一款極低偏置電流運算放大器芯片，輸入偏置電壓和輸入偏置電壓溫度漂移均通過激光調(diào)整，共模阻抗高達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，采用同相比例運算放大電路，兩個前置放大器設(shè)計相同，圖2所示的是其中的一路放大器，由AD549組成，增益為1+R2/R1，實現(xiàn)10倍的放大。由于每一級放大器的輸出阻抗和下級放大器的輸入阻抗及分布電容的存在，會引起放大電路的自激振蕩，為了消除自激振蕩帶來的不穩(wěn)定性，在電阻R3上并聯(lián)一個電容，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)、低電平信號放大，該器件在一塊芯片上集成了3個精密運算放大器和經(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)計的差分放大器。

兩個前置放大器輸出的信號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)芯片手冊調(diào)節(jié)電位器為4.44 k Ω實現(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

植物吸收離子信號為頻率較低的微弱信號[8]，為了準確、穩(wěn)定的采集信號，本文進行了低通有源濾波電路的設(shè)計。運算放大器的高輸入阻抗能避免給驅(qū)動帶來過度的負載效應(yīng)[9]。本文采用Sallen-key二階有源低通濾波器，這是一種信號處理中常用的有源濾波電路[10]，是帶負反饋的同相放大器。濾波電路主要由運算放大器芯片OPA121和兩個電容兩個電阻構(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的電路可實現(xiàn)112.54 Hz的低通濾波處理。反饋增益由電阻R11、R12提供，實現(xiàn)了10倍放大。

2.3 A/D采集設(shè)計

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通過一定的方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號[11]。本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司32位增強型微控制器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，最高工作頻率可達到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12位的ADC，可測量16個外部信號源，每個通道轉(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。

電壓信號由STM32的PC0端口采集并進行A/D轉(zhuǎn)換。時鐘由8 MHz晶振提供外部時鐘，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，選擇用戶閃存存儲器啟動模式，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

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，會對離子流信號產(chǎn)生不利影響，為了減小電源引入的紋波與噪聲，本設(shè)計對常見的開關(guān)電源、線性電源和電池電源進行了紋波檢測，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，把一塊電池的負極與另一塊電池的正極連到一起作為地端，然后通過電壓轉(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，提供一個穩(wěn)定的模擬參考電壓，提高A/D轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計把STM32的模擬電源進行了單獨設(shè)計，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

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，程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

軟件設(shè)計采用Keil MDK編程軟件，程序用C語言編寫，為縮短開發(fā)周期提高編程效率，軟件程序采用STM32自帶的庫源碼，把ST庫源碼加載到工程文件中，通過調(diào)用庫函數(shù)對相關(guān)模塊進行初始化配置。

先初始化GPIO口，實現(xiàn)對外設(shè)控制。然后對ADC1進行配置：采用獨立、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式采集一個通道數(shù)據(jù)，禁止多通道掃描模式，使用軟件中斷模式，對ADC進行校準并使能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?，通過配置DMA1控制器使ADC1數(shù)據(jù)寄存器作為來源，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庫函數(shù)printf到USART1，通過調(diào)用printf函數(shù)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C中。

4 測試與結(jié)論

通過檢測電壓信號直接計算離子流速無法保證準確的放大倍數(shù)，為了準確檢測動態(tài)離子流信號，實現(xiàn)離子流速的精準計算，本文進行放大倍數(shù) 的測定，使用鋰電池作為信號源，通過高精電阻與電位器分壓，產(chǎn)生兩個電壓信號，模擬兩個前置放大器的輸出，然后接到差分放大器兩個輸入端進行放大處理。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 測試信號數(shù)據(jù)

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

5 結(jié)束語

本設(shè)計基本實現(xiàn)了動態(tài)離子流信號的檢測，電路設(shè)計上相對精簡，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，進而提高采集的準確性。實際應(yīng)用中，檢測的信號會在環(huán)境噪聲與系統(tǒng)噪聲的影響下進行放大，放大后的信號夾雜著各種噪聲，噪聲對計算離子流速產(chǎn)生影響，影響有多大需要對系統(tǒng)進行對比評測，如何對檢測的準確性以及系統(tǒng)的抗干擾性進行對比評測，仍是一個需要解決的技術(shù)問題。

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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。

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(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