時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元及應用其的測硼方法

專利名稱：時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元及應用其的測硼方法
技術領域：
本發明涉及元素測量技術領域，特別涉及一種時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元及應用其的測硼方法。
背景技術：
硼元素含量的準確測量在生物、環境、地質和エ業領域有著廣泛的實際應用價值。例如，硼是植物生長中的必需元素，但不同植物或者同一種植物在不同發育階段對硼的需求有差異。因此及時測定植物中硼的含量，采取合理的增硼脫硼措施對實現農業豐收具有重要意義。并且硼在人類飲食中的供給正受到廣泛的關注，因此物質中微量硼的準確測定需求也越來越高。熒光光譜測量技術具有靈敏度高、準確度高、應用廣泛、操作簡單等特點，適用于微量元素的測量。下面介紹熒光光譜測量的工作原理。參見圖1，該圖為現有技術中時間分辨熒光光譜測量硼含量的結構圖。由于熒光信號的強度和光源信號的強度成正比，即同樣濃度的物質在不同強度的激發光源下，產生的熒光強度也不同。所以必須測量激發光和熒光才能測出物質的濃度。因此，時間分辨熒光光譜測硼儀使用雙通道采集，其中ー個通道采集脈沖光源發出的激發光信號，另ー個通道采集硼元素發出的熒光信號。脈沖光源101 (脈沖氙燈)依次經過濾光片102単色、分束鏡103分光后，主要部分經石英透鏡104聚焦，進入裝有樣品的樣品池105，激發樣品產生熒光；分束鏡103分出的一小部分光由光電池110接收，用以記錄激發光強度。樣品產生的熒光經透鏡106聚焦進入單色器107，由光電倍增管108接收，經控制単元109處理后將采集的數據上傳到PC機111，從而獲得樣品的熒光衰減曲線，測量熒光壽命來獲得硼元素的含量。由于硼元素的熒光信號非常微弱，并且硼元素的熒光生命周期短，因此需要精度和速度很高的控制單元才能夠精確測量物質中硼元素的含量。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元及應用其的測硼方法，能夠精確測量硼元素的含量。本發明提供一種時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元，包括DSP、PWM信號調理電路、數模轉換模塊、模擬量濾波放大電路、模數轉換模塊、存儲器知FPGA ；DSP，用于控制事件管理模塊輸出PWM信號；PWM信號調理電路，用于將所述PWM信號進行調理后通過PWM輸出接ロ輸出PWM信 號給脈沖光源，所述PWM信號用于啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍頻率； DSP還用于通過第一 IO端ロ發送用于控制光電倍增管的數字控制信號和用于控制脈沖光源的數字控制信號給數模轉換模塊；數模轉換模塊，用于將兩個所述數字控制信號分別轉換為模擬信號后發送給對應的所述脈沖光源和所述光電倍増管；模擬量濾波放大電路，用于通過模擬量輸入接ロ接收光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，對所述熒光信號和激發光信號進行濾波和兩級放大，并將放大后的熒光信號和激發光信號發送給模數轉換模塊；模數轉換模塊，用于將放大后的熒光信號和激發光信號進行模數處理，將數字熒光信號和數字激發光信號發送給FPGA ；FPGA，用于為模數轉換器提供工作時鐘，并控制模數轉換器的啟停，將模數轉換器輸出的數據緩存在FPGA的FIFO中，并將FIFO中的數據在存儲于存儲器中；DSP，用于判斷激發光是否穩定，待激發光穩定后，從存儲器中讀取采樣數據，并對采樣數據進行處理后發送給PC機。優選地，還包括USB芯片和USB通信接ロ，DSP依次通過USB芯片和USB通信接ロ將數據傳送給PC機。優選地，還包括SPI串行通信模塊和液晶屏接ロ，DSP依次通過SPI串行通信模塊和液晶屏接ロ將用戶設置參數傳送到液晶屏上進行顯示。優選地，還包括數字量輸入接口和第二 IO端ロ，DSP依次通過第二 IO端口和數字量輸入接ロ接收按鍵產生的數字量信號。優選地，所述存儲器包括FLASH、片內RAM和外擴SRAM ； FLASH,用于存儲用戶程序；片內RAM，用于程序運行的開銷和存儲實時數據及變量；外擴SRAM,用于存放樣品突光強度信號和光源強度信號。優選地，還包括電源模塊，用于為所述模擬量濾波放大電路提供土 15V直流電；用于為所述數模轉換模塊提供15V直流電；用于為模數轉換模塊、PWM信號調理電路、PWM輸出接口和液晶屏提供5V直流電；用于為DSP、FPGA, USB芯片、JTAG調試接口和存儲器提供3. 3V直流電；用于為DSP核和FPGA核提供I. 2V直流電。優選地，所述兩級放大中的第一級放大為跨導放大，第二級放大為電壓放大。本發明還提供一種應用以上控制單元的測硼方法，包括以下步驟用PWM信號啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍頻率；預先設置所述PWM信號的周期和占空比；采集光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，并對熒光信號和激發光信號進行處理；經過預定的延遲時間，判斷熒光信號是否滿足模數轉換模塊的要求，如果否，則通過調節數模轉換模塊的輸出信號控制光電倍增管的負高壓電源和脈沖光源的激發光強度直至采集的熒光信號滿足要求；采集熒光信號，并將采集的熒光信號存儲于存儲器中，經過處理后上傳至PC機。與現有技術相比，本發明具有以下優點 本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元及應用其的測硼方法，利用高性能的DSP和高速高精度的模數轉換模塊，同時使用FPGA對模數轉換模塊的采樣時間進行精確的控制。從而可以提高信號的采集速度和精度。并且本控制單元的數模轉換模塊輸出的模擬信號包括兩個通道，一個用來控制光電倍增管的放大倍數，另ー個通道用來控制脈沖光源發出的激發光的強度。本發明提供的控制單元集成度高，可以完成模擬信號的采集和數字信號的輸出控制，并且高精度和高速度保證了測量的精確性。


圖I是現有技術中時間分辨熒光光譜測量硼含量的結構圖；圖2是本發明提供的時 間分辨熒光光譜測硼儀控制單元實施例一結構圖；圖3是本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元實施例ニ結構圖；圖4是本發明提供的應用控制單元進行測硼方法實施例一流程圖；圖5是本發明提供的應用控制單元進行測硼方法又一實施例流程圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。參見圖2，該圖為本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元的實施例一示意圖。本實施例提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元，包括DSP201、PWM信號調理電路202、數模轉換模塊203、模擬量濾波放大電路206、模數轉換模塊208和FPGA209 ；DSP201，用于控制事件管理模塊(EV) 202輸出PWM信號；PWM信號調理電路203，用于將所述PWM信號進行調理后通過PWM輸出接ロ 204輸出PWM信號給脈沖光源，所述PWM信號用于啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍
頻率；DSP201還用于通過第一 IO端ロ 205發送用于控制光電倍增管的數字控制信號和用于控制脈沖光源的數字控制信號給數模轉換模塊206 ；數模轉換模塊(DAC) 206，用于將兩個所述數字控制信號分別轉換為模擬信號后通過模擬量輸出接ロ 207發送給對應的所述脈沖光源和所述光電倍増管；模擬量濾波放大電路209，用于通過模擬量輸入接ロ 208接收光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，對所述熒光信號和激發光信號進行濾波和兩級放大，并將放大后的熒光信號和激發光信號發送給模數轉換模塊208 ；模數轉換模塊(ADC) 210，用于將放大后的熒光信號和激發光信號進行模數處理，將數字熒光信號和數字激發光信號發送給FPGA211 ；FPGA211，用于為模數轉換器210提供工作時鐘，并控制模數轉換器210的啟停，將模數轉換器210輸出的數據緩存在FPGA211的FIFO中，并將FIFO中的數據在存儲于存儲器中；因為ADC210的采樣速度很快，FPGA211直接控制ADC210的采樣數據輸出到存儲器可靠性難以保證，因此本實施例采用FPGA211內部緩存FIFO，從而實現將讀ADC210的采樣數據和存采樣數據兩者分開的模塊化控制。DSP201，用于判斷激發光是否穩定，待激發光穩定后，從存儲器中讀取采樣數據，并對采樣數據進行處理后發送到PC機。激發光穩定后,米樣數據才有一致性，DSP201將穩定的米樣數據上傳到PC機,為后續物質濃度計算提供依據。具體地，激發光穩定后，DSP201讀取多次采樣數據，獲得多次采樣數據的平均值上傳給PC機。純凈的硼物質熒光衰減曲線相似，只是強度幅值不同，半衰期一定。當樣品中含有雜質時，雜質也將產生熒光。這樣將造成采樣數據中含有疊加的雜質熒光數據，使熒光衰減曲線發生變化。為了能夠準確檢測出硼含量，本實施例利用高速度的ADC采集足夠的數據，然后根據熒光衰減曲線模型精確計算出的硼物質濃度，并估測出雜質的熒光衰減曲線。本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制単元，利用高性能的DSP和高速高精度的模數轉換模塊，同時使用FPGA對模數轉換模塊的采樣時間進行精確的控制。從而可以提高信號的采集速度和精度。并且本控制單元的數模轉換模塊輸出的模擬信號包括兩個通道，一個用來控制光電倍增管的放大倍數，另ー個通道用來控制脈沖光源發出的激發光的強度。本發明提供的控制單元集成度高，可以完成模擬信號的采集和數字信號的輸出控制，并且高精度和高速度保證了測量的精確性。參見圖3，該圖為本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元實施例ニ結構圖。本實施例提供的控制單元還包括USB芯片212和USB通信接ロ 213，DSP201依次通過USB芯片212和USB通信接ロ 213將數據傳送給PC機。控制單元還包括SPI串行通信模塊214和液晶屏接ロ 215，DSP201依次通過SPI串行通信模塊214和液晶屏接ロ 215將用戶設置參數傳送到液晶屏216上進行顯示。控制單元還包括數字量輸入接ロ 217和第二 IO端ロ 218，DSP依次通過第二 IO端ロ 218和數字量輸入接ロ 217接收按鍵產生的數字量信號。數字量輸入接ロ 217用于采集按鍵產生的數字量信號。用戶通過按鍵設置系統參數，啟動數據采集和傳送。例如，按鍵對應的命令可以包括“啟動ADCO單次采集”、“啟動ADCO連續采集”、“菜單鍵”、“+鍵”、鍵”、“啟動ADCl采集”、10個“數字鍵”。其中，ADCO和ADCl對應兩個模擬量采集通道，ADCO采集熒光信號強度，ADCl采集激發光信號強度。其中菜單鍵的功能包括以下選項“P麗信號周期(ms) ”、“PWM信號占空比) ”、“采樣延遲時間(us) ”、“連續激發采樣次數”、“單次激發采樣次數”。各個菜單下的參數可以使用“+鍵”或鍵”或“數字鍵”進行修改，并在液晶顯示屏上實時顯示。液晶屏216主要是為用戶設置參數提供人機界面，液晶屏216會顯示相關設置項目和參數，例如可以顯示“PWM信號周期(ms)”、“PWM信號占空比(％)”、“采樣延遲時間(us) ”、“連續激發采樣次數”和“單次激發采樣次數”等。所述存儲器包括FLASH 219、片內RAM220和外擴SRAM221 ；FLASH219，用于存儲用戶程序；片內RAM220，用于程序運行的開銷和存儲實時數據和變量；外擴SRAM221,用于存放樣品突光強度信號和光源強度信號。本實施例提供的DSP可以采用TI公司的高性能32位TMS320F2812芯片，具有高速、流水線結構，滿足時間分辨熒光光譜測硼儀控制算法的實時實現。TMS320F2812擁有豐富的片內資源256KB可在系統編程的FLASH存儲器、36KB片、內RAM、可尋址2MB地址空間的外部數據存儲器接ロ，滿足程序和數據的存儲；56個通用數字IO端ロ、16通道12位12. 5Msps的AD轉換器、3個通用定時器和硬件實現的SPI、McBSP、2個EV模塊和UART串行模塊等。片上資源可以根據設計需求進行選擇，可使用軟件配置功能引腳到相應的IO端ロ。這種方法有利于系統資源的充分利用和靈活配置，増加了控制單元的實用性和通用性。高性能32位TMS320F2812為176腳的TQFP封裝，可以在_40°C至85°C范圍內工作。TMS320F2812芯片通過外部總線接ロ與FPGA、外擴SRAM和USB芯片相連。還包括電源模塊222，用于為所述模擬量濾波放大電路提供±15V直流電；用于為所述數模轉換模塊提供15V直流電；用于為模數轉換模塊、PWM信號調理電路、PWM輸出接口和液晶屏提供5V直流電；用于為DSP、FPGA、USB芯片、JTAG調試接口和存儲器提供3. 3V 直流電；用于為DSP核和FPGA核提供I. 2V直流電。所述兩級放大中的第一級放大為跨導放大，第二級放大為電壓放大。由于光電倍增管輸出的熒光信號(電流信號)非常微弱，因此選擇兩級放大。首先對光電倍增管輸出的電流信號進行跨導放大，然后再進行電壓放大。考慮到模擬量濾波放大電路中的放大器増益帶寬積的限制，因此選擇高増益寬頻帶低噪聲的放大器。由于信號中摻雜了噪聲，因此對輸入信號進行濾波處理。模數轉換模塊選擇了高速高精度(20MHz，12bit) AD轉換器芯片，同時使用FPGA對AD采樣時間進行精確的控制。由于AD采集數據量大，因此使用USB總線與PC機通信，實現大容量數據的傳輸。以上實施例提供的控制單元，采樣DSP作為核心處理器，由于DSP處理速度快，接ロ資源豐富，因此具有更好的抗干擾能力和高穩定性。本發明提供的控制單元功能完備，適用性強，為時間分辨熒光光譜測硼儀實時控制算法提供了穩定可靠的硬件平臺。該控制單元根據時間分辨熒光光譜技術原理，使用PWM信號控制脈沖光源發出激發光，并通過DA輸出的模擬信號控制脈沖光源的發光強度以及光電倍增管的負高壓電源，通過AD采集樣品中硼元素發出的熒光信號，并通過USB通信接ロ與PC機通信，將采集到的熒光數據上傳PC機，能夠方便地實現數據的后續分析處理。同時，配有鍵盤和液晶屏，提供友好的人機交互界面。基于上述時間分辨熒光光譜測硼儀的控制単元，本發明還提供了應用該控制單元進行測硼的方法，下面結合具體實施例來詳細說明其工作流程。參見圖4，該圖為本發明提供的應用控制單元進行測硼方法實施例一的流程圖。S401 :用PWM信號啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍頻率；預先設置PWM信號的周期和占空比。S402:采集光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，并對熒光信號和激發光信號進行處理；S403:經過預定的延遲時間，判斷熒光信號是否滿足模數轉換模塊的要求，如果否，則通過調節數模轉換模塊的輸出信號控制光電倍增管的負高壓電源和脈沖光源的激發光強度直至采集的熒光信號滿足要求；S404 :采集熒光信號，并將熒光信號存儲于存儲器中，經過處理后上傳至PC機中。由于熒光信號強度和激發光信號強度成正比，因此，控制単元需要同時采集熒光信號和激發光信號，這樣才能測量出硼元素的含量。由于采集的熒光信號要符合AD的采樣要求，因此可以通過設置DA的輸出信號來控制熒光信號和激發光強度。參見圖5，該圖為本發明提供的應用控制單元進行測硼的又一實施例流程圖。S501 :系統初始化；S502 :主循環開始；S503 :判斷是否收到PC機傳來的采集命令，如果是，則啟動采集流程，執行S507 ；如果否，則執行S504 ；S504 :判斷是否收到按鍵傳來的采集命令，如果是，則啟動采集流程，執行S507 ；如果否，則執行S505 ； S505 :設置系統參數，并送液晶屏顯示系統參數；S506:主循環結束；S507 :發出PWM信號啟動脈沖光源；S508 :延遲預定時間；S509 :采集熒光信號；S510 :判斷采集的熒光信號是否滿足AD的要求，如果是，則執行S512 ;如果否，則執行S511 ；S511 :調節DA的輸出信號，控制光電倍增管的負高壓電源和脈沖光源的激發光強度直至采集的熒光信號滿足要求；S512 :采集熒光信號和激發光信號并存儲；S513 :判斷采集是否結束，如果是，則執行S512 ;如果否，則執行S514 ；S514 :傳送數據到PC機。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述掲示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
權利要求
1.一種時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元，其特征在于，包括DSP、PWM信號調理電路、數模轉換模塊、模擬量濾波放大電路、模數轉換模塊、存儲器和FPGA ； DSP，用于控制事件管理模塊輸出PWM信號； PWM信號調理電路，用于將所述PWM信號進行調理后通過PWM輸出接口輸出PWM信號給脈沖光源，所述PWM信號用于啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍頻率； DSP還用于通過第一 IO端口發送用于控制光電倍增管的數字控制信號和用于控制脈沖光源的數字控制信號給數模轉換模塊； 數模轉換模塊，用于將兩個所述數字控制信號分別轉換為模擬信號后發送給對應的所述脈沖光源和所述光電倍增管； 模擬量濾波放大電路，用于通過模擬量輸入接口接收光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，對所述熒光信號和激發光信號進行濾波和兩級放大，并將放大后的熒光信號和激發光信號發送給模數轉換模塊； 模數轉換模塊，用于將放大后的熒光信號和激發光信號進行模數處理，將數字熒光信號和數字激發光信號發送給FPGA ； FPGA，用于為模數轉換器提供工作時鐘，并控制模數轉換器的啟停，將模數轉換器輸出的數據緩存在FPGA的FIFO中，并將FIFO中的數據在存儲于存儲器中； DSP，用于判斷激發光是否穩定，待激發光穩定后，從存儲器中讀取采樣數據，并對采樣數據進行處理后發送給PC機。
2.根據權利要求I所述的控制單元，其特征在于，還包括USB芯片和USB通信接口，DSP依次通過USB芯片和USB通信接口將數據傳送給PC機。
3.根據權利要求2所述的控制單元，其特征在于，還包括SPI串行通信模塊和液晶屏接口，DSP依次通過SPI串行通信模塊和液晶屏接口將用戶設置參數傳送到液晶屏上進行顯/Jn o
4.根據權利要求3所述的控制單元，其特征在于，還包括數字量輸入接口和第二IO端口，DSP依次通過第二 IO端口和數字量輸入接口接收按鍵產生的數字量信號。
5.根據權利要求4所述的控制單元，其特征在于，所述存儲器包括FLASH、片內RAM和外擴SRAM ； FLASH，用于存儲用戶程序； 片內RAM，用于程序運行的開銷和存儲實時數據及變量； 外擴SRAM,用于存放樣品突光強度信號和光源強度信號。
6.根據權利要求5所述的控制單元，其特征在于，還包括電源模塊， 用于為所述模擬量濾波放大電路提供±15V直流電； 用于為所述數模轉換模塊提供15V直流電； 用于為模數轉換模塊、PWM信號調理電路、PWM輸出接口和液晶屏提供5V直流電； 用于為DSP、FPGA、USB芯片、JTAG調試接口和存儲器提供3. 3V直流電； 用于為DSP核和FPGA核提供I. 2V直流電。
7.根據權利要求I所述的控制單元，其特征在于，所述兩級放大中的第一級放大為跨導放大，第二級放大為電壓放大。
8.一種應用權利要求I所述的控制單元的測硼方法，其特征在于，包括以下步驟用PWM信號啟動脈沖光源發出激發光并控制激發光的閃爍頻率；預先設置所述PWM信號的周期和占空比； 采集光電倍增管發送的熒光信號和光電池發送的激發光信號，并對熒光信號和激發光信號進行處理； 經過預定的延遲時間，判斷熒光信號是否滿足模數轉換模塊的要求，如果否，則通過調節數模轉換模塊的輸出信號控制光電倍增管的負高壓電源和脈沖光源的激發光強度直至采集的熒光信號滿足要求； 采集熒光信號，并將采集的熒光信號存儲于存儲器中，經過處理后上傳至PC機。
全文摘要
本發明提供的時間分辨熒光光譜測硼儀控制單元及應用其的測硼方法，利用高性能的DSP和高速高精度的模數轉換模塊，同時使用FPGA對模數轉換模塊的采樣時間進行精確的控制。從而可以提高信號的采集速度和精度。并且本控制單元的數模轉換模塊輸出的模擬信號包括兩個通道，一個用來控制光電倍增管的放大倍數，另一個通道用來控制脈沖光源發出的激發光的強度。本發明提供的控制單元集成度高，可以完成模擬信號的采集和數字信號的輸出控制，并且高精度和高速度保證了測量的精確性。
文檔編號G01N21/64GK102650596SQ20111004523
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者儲著林, 凌青, 呂飛, 吳剛, 石春, 秦琳琳 申請人:中國科學技術大學