王啟星, 徐景宏, 張昕昱, 王 通，劉 文

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230088)

引言

這幾年隨著LED技術(shù)的發(fā)展，以LED為農(nóng)作物生長補(bǔ)光源的城市農(nóng)業(yè)快速發(fā)展[1]。由于植物葉綠素的吸收光譜在紅光波段以及藍(lán)光波段有兩個主要的吸收峰[2-3]，導(dǎo)致這兩種光的光合效率最高[4]。此外，植物從發(fā)芽經(jīng)過吸收營養(yǎng)進(jìn)行生長再到開花的整個過程受到遠(yuǎn)紅光影響[5-6]。所以現(xiàn)在植物工廠補(bǔ)光源以峰值波長450 nm的藍(lán)光LED、峰值波長660 nm的紅光LED以及峰值波長為735 nm的遠(yuǎn)紅光LED為主要補(bǔ)光源[7]。又因?yàn)楣夂献饔蒙傻姆肿訑?shù)與光子能量無關(guān)，而近似與光合有效輻射吸收的光子的具體數(shù)量相關(guān)[8]，所以現(xiàn)在植物工廠中對補(bǔ)光源LED測量多以測量其光合有效光量子通量密度(photosynthetic photon flux density,PPFD)。因此設(shè)計(jì)一個可以探測出植物工廠補(bǔ)光源LED的PPFD數(shù)值的探測系統(tǒng)勢在必行，并且植物生長主要是吸收紅光和藍(lán)光，所以本次設(shè)計(jì)主要探測紅光以及藍(lán)光LED的PPFD。

為了實(shí)現(xiàn)上位所述的功能，本文設(shè)計(jì)了一個以FPGA芯片和USB2.0芯片為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于FPGA運(yùn)行程序的速度較快，需要開發(fā)的時間短，芯片的集成度較高，耗費(fèi)的功率較低，內(nèi)部包含高頻率的時鐘，組成形式靈活。因此本次設(shè)計(jì)采用FPGA作為主控芯片可以很好的完成實(shí)時的光量子數(shù)采集并且該采集系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用價值[9-10]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要有六個部分：①信號采集處理模塊；②ADC模擬量轉(zhuǎn)化數(shù)字量模塊；③FPGA主控模塊；④USB2.0芯片模塊；⑤上位機(jī)模塊；⑥系統(tǒng)電源模塊。該系統(tǒng)首先同過信號采集處理模塊將植物工廠補(bǔ)光LED光源的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成電流分量，然后經(jīng)過一定處理變成適合ADC的模擬輸入信號，然后信號經(jīng)過ADC芯片，實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變，這之后通過FPGA內(nèi)部的AD芯片接口將轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)儲存到FPGA內(nèi)部FIFO中，然后再由內(nèi)部USB接口從FIFO讀取數(shù)據(jù)傳送到USB2.0芯片當(dāng)中，然后經(jīng)過USB2.0接口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)當(dāng)中，上位機(jī)將傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理將采集量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔訑?shù)，然后在顯示頁面將數(shù)據(jù)顯示出來。而電源模塊負(fù)責(zé)給其他相應(yīng)模塊(除上位及模塊以外)供電。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System overall design block diagram

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖，硬件采集板主要包括光學(xué)傳感器模塊，模擬信號濾波整形電路，AD芯片相關(guān)電路，F(xiàn)PGA主控制芯片以及其外圍電路，USB2.0芯片以及其外圍電路等。

圖2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)框圖Fig.2 System hardware overall design block diagram

1)光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)。根據(jù)圖3，植物光合作用主要吸收太陽光中的紅光以及藍(lán)光，所以現(xiàn)在植物工廠中多采用藍(lán)光LED(450 nm的峰值波長)以及紅光LED(660 nm的峰值波長)[7]，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要兩個光學(xué)傳感器，分別采集紅光LED光強(qiáng)以及藍(lán)光LED光強(qiáng)。光學(xué)傳感器主要由紅光或藍(lán)光濾光片，余弦修正片，PIN光電二極管構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)可知，光首先通過余弦修正片，然后經(jīng)過紅光和藍(lán)光濾光片，最后產(chǎn)生光電流傳給后續(xù)電路。光電二極管采用QSB34CGR封裝的貼片式光電二極管。

圖4中余弦修正片主要作用是消除非垂直光照射時產(chǎn)生光電流所造成的誤差。藍(lán)色濾波片峰值波長在550 nm，帶寬大約為20 nm；紅色濾波片峰值波長660 nm，帶寬大約為30 nm左右。

圖3 植物葉綠素吸收光譜及典型植物照明LED光譜[11]，紅色實(shí)線為植物葉綠素a吸收光譜，橙色虛線為植物葉綠素b吸收光譜。藍(lán)色、紅色、黑色光譜分別為峰值波長為450 nm的藍(lán)光LED、峰值波長為660 nm的紅光LED和峰值波長為735 nm的遠(yuǎn)紅光LEDFig.3 Absorption spectra of Plant chlorophyll and typical LED spectrums of plant lighting[11]. The red solid line is the absorption spectra of Plant chlorophyll a, the orange dotted line is the absorption spectra of Plant chlorophyll b. blue/red/black spectra respectively are blue(peak wavelength 450 nm) red(peak wavelength 660 nm)/far-red(peak wavelength 735 nm) LED

圖4 光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Optical sensor structure diagram

2)模擬信號濾波放大電路設(shè)計(jì)。LED光經(jīng)過光學(xué)傳感部件轉(zhuǎn)化為一定量的光電流和開路電壓，但是此信號中包含一些噪聲(暗電流等)。因此需要通過濾波電路將噪聲處理掉，又因?yàn)楣鈧鞲醒b置所產(chǎn)生的光電流和開路電壓很小，所以要經(jīng)過一定放大，已達(dá)到后邊AD芯片的輸入信號要求。因此光傳感器產(chǎn)生的光電流要經(jīng)過濾波放大電路進(jìn)行初步處理。圖5所示就是具體的濾波放大電路的電路設(shè)計(jì)。

3)AD芯片選型以及接口電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用某公司的AD7980芯片。其具體接口電路示意圖如圖6所示。

圖5 濾波放大電路的電路設(shè)計(jì)Fig.5 Circuit Design of Filter Amplifier Circuit

圖6 AD接口電路Fig.6 The interface circuit of AD

當(dāng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，首先FPGA先將SDI端口信號置為高電平，然后FPGA將CNV端口信號從低電平變成高電平，芯片在CNV信號上升沿時檢測到SDI端口信號為高電平，芯片選擇CS模式，并強(qiáng)制SDO端口進(jìn)入高阻態(tài)。此模式下，CNV端口信號在轉(zhuǎn)換階段和隨后的數(shù)據(jù)回讀期間必須保持高電平(如果SDI和CNV為低電平，SDO變?yōu)榈碗娖?。最小轉(zhuǎn)換時間之前SDI端口信號返回低電平，接著在最大轉(zhuǎn)換時間內(nèi)保持低電平，然后SDO端口在一段時間低電平信號之后的第一個時鐘下降沿開始傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)16位數(shù)據(jù)傳輸完畢時SDO端口變成高阻態(tài)，此時FPGA需要將SDI端口信號拉高，等待下一次的數(shù)據(jù)傳輸。

4)USB2.0芯片選型以及接口電路設(shè)計(jì)。當(dāng)信號通過主控芯片F(xiàn)PGA處理之后，通過USB接口電路將處理后的數(shù)據(jù)傳送到USB2.0中，然后由USB2.0芯片將上位機(jī)進(jìn)行處理讀取，因此USB接口電路尤為重要。本設(shè)計(jì)采用公司設(shè)計(jì)的高集成度、低功耗的EZ—USB FX2LP系列，具體芯片的型號是CY7C68013A的采用USB2.0協(xié)議的集成芯片。其具體接口電路如圖7所示。

圖7 USB接口電路[4]Fig.7 USB interface circuit

1.2 軟件設(shè)計(jì)

為了讓系統(tǒng)正常工作，除了硬件設(shè)計(jì)以外，還需要相應(yīng)的軟件開發(fā)，軟件部分主要分兩個部分：主要控制芯片F(xiàn)PGA的相應(yīng)程序開發(fā)，采用USB2.0通信協(xié)議的集成芯片的固件程序編寫。

1)主控芯片F(xiàn)PGA的軟件設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)關(guān)于FPGA設(shè)計(jì)主要分為三個部分：AD接口模塊設(shè)計(jì)，F(xiàn)IFO模塊設(shè)計(jì)，USB接口相關(guān)設(shè)計(jì)。具體FPGA軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

①USB接口設(shè)計(jì)。主控芯片F(xiàn)PGA里的USB邏輯接口部分主要有兩個功能，一個是將上位機(jī)命令進(jìn)項(xiàng)接收并將其“解讀”成對應(yīng)芯片完成相應(yīng)功能的控制信號，另一個是將之前獲得數(shù)據(jù)傳送到USB2.0芯片內(nèi)部FIFO中，等待上位機(jī)的讀取處理。其具體連接如圖9所示。

②AD接口設(shè)計(jì)。AD接口部分主要是控制AD采集的讀取時間以及將AD采集到的數(shù)據(jù)讀取出來送到FPGA內(nèi)部的FIFO中進(jìn)行存儲。具體的設(shè)計(jì)連接如圖10所示。

AD采樣部分主要由四部分組成：①控制信號產(chǎn)生模塊；②AD采集時鐘產(chǎn)生模塊；③計(jì)數(shù)模塊；④數(shù)據(jù)傳輸模塊。

圖8 FPGA總體設(shè)計(jì)模塊Fig.8 FPGA overall design module

圖9 USB接口模塊設(shè)計(jì)圖Fig.9 USB interface module design

圖10 AD接口模塊設(shè)計(jì)圖Fig.10 AD interface module design

2)USB的固件程序設(shè)計(jì)。本文所使用的固化程序是在keil uvision2這個軟件環(huán)境下編寫然后在將此程序傳輸?shù)経SB芯片外部的ROM存儲器中，用于令USB2.0芯片可以完成基于USB2.0協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸，具體的程序流程圖如圖11所示。

圖11 USB固件程序流程圖[12]Fig.11 USB firmware program flow chart[12]

如圖11所示，在給系統(tǒng)通電并通過外部復(fù)位按鍵將系統(tǒng)復(fù)位以達(dá)到將程序中所使用的程序變量置為初始狀態(tài)，這之后采用TD_lnit()函數(shù)，令USB2.0芯片變?yōu)槌跏紶顟B(tài)并且讓USB芯片中各種中斷處于使能狀態(tài)，然后就是通過判斷重枚舉FLAG位是不是1，如果FLAG位為1的話這說明該芯片需要重枚舉，然后PC機(jī)將相應(yīng)的驅(qū)載程序下載到USB2.0芯片中。如果FLAG位不為1，則該程序需要等到上位機(jī)傳送過來命令信號包之后才繼續(xù)運(yùn)行，而后程序?qū)κ盏降拿钚盘柊M(jìn)行“解析”，看是不是SETUP包，如果收到了SETUP信號包則解析剩余控制命令包并完成相應(yīng)的指令，如果沒有收到SETUP包，則運(yùn)行自定義的循環(huán)查詢程序，如果在查詢之中接收到中斷信號，芯片立刻掛起直到有效的喚醒信號傳送進(jìn)來。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)通過USB2.0通信協(xié)議從電路板上傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，此時探測到的數(shù)據(jù)為經(jīng)過處理后的PIN光電二極管兩端的電壓而不是我們所要的PPFD值，所以我們需要對探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定標(biāo)定，又由于紅、藍(lán)光的PPFD值分別與其對應(yīng)的PIN光電二極管兩端電壓成線性關(guān)系[13]，所以只需將所測的PIN光電二極管兩端電壓與實(shí)際的PPFD值進(jìn)行擬合即可以完成相應(yīng)標(biāo)定。

具體標(biāo)定的方法是將加載了2.2 V電壓的單顆紅色LED，放在標(biāo)準(zhǔn)暗室之中，用相應(yīng)的控制器完成光通量控制(該控制器主要是通過基于DMX512協(xié)議的PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)的)。并且通過該控制器將單顆LED兩端的電壓占空比以每次提高5%的刻度，從初始的0%到最后的100%，記錄上位機(jī)采集到的電壓值，以及用放上了和系統(tǒng)中PIN光電二極管同材料、同厚度的紅光濾光片的PQS-1傳感器讀出，然后經(jīng)兩組數(shù)值進(jìn)行擬合。藍(lán)光的擬合方式也是如此。

從圖16、圖17可以得出紅光通道以及藍(lán)光通道的擬合方程為

圖12 采集系統(tǒng)紅光通道標(biāo)定曲線Fig.12 RED channel’s calibration curve of system

VRa=εRaPPFDRa+βRa=1.023 3PPFDRa-5.692

(1)

VBa=εBaPPFDBa+βBa=1.554 5PPFDRa-10.501

(2)

將式(1)、式(2)寫入到上位機(jī)程序中，將顯示的電壓值轉(zhuǎn)化成PPFD值，上位機(jī)顯示界面如圖14所示。

圖13 采集系統(tǒng)藍(lán)光光通道標(biāo)定曲線Fig.13 Blue channel’s calibration curve of system

圖14 上位機(jī)顯示界面Fig.14 PC display interface

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時準(zhǔn)確探測植物工廠中紅光LED以及藍(lán)光LED的PPFD值，本次設(shè)計(jì)采用了一個以FPGA芯片和USB2.0芯片為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于FPGA運(yùn)行程序的速度較快，需要開發(fā)的時間短，芯片的集成度較高，耗費(fèi)的功率較低，內(nèi)部包含高頻率的時鐘，組成形式靈活。此文中給除了相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)、FPGA程序開發(fā)流程圖以及USB固化程序流程圖。并通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性以及軟件系統(tǒng)的有效性，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了該系統(tǒng)可以穩(wěn)定并且準(zhǔn)確采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對植物補(bǔ)光源LED的PPFD值實(shí)時準(zhǔn)確測量。

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