基于USB2.0的單色光源外圍電路設計

　　【摘要】單色激發光源是單細胞熒光顯微系統中的重要組成部分。本文簡要介紹了單細胞熒光顯微系統中單色激發光源外圍電路的組成，并詳細介紹了單色激發光源中光柵定位器控制電路和溫度檢測電路以及用于顯示單色光源系統工作狀態的有機發光顯示器電路設計。這種基于USB2.0傳輸協議的光柵定位器控制電路和基于比率法的溫度檢測電路具有較好的通用性。

　　【關鍵字】USB2.0 數模轉換 溫度監測 有機發光顯示器

　　1.引言

　　自20世紀70年代第一次觀察到室溫下溶液中單個分子發光的現象以來，單個分子或少許分子的熒光顯微檢測技術已經越來越引起人們的重視[1]。圖1是典型的胞內鈣離子濃度熒光顯微檢測系統的結構圖。整個系統主要包括以下幾個部分：單色激發光源系統、光學耦合系統、熒光顯微鏡、微弱熒光檢測系統、計算機等。其原理如下：單色激發光源在計算機控制下發出所需要的單色激發光，經光纖和耦合系統被引入熒光顯微鏡，并聚焦到樣本平面，激發細胞中的熒光探針發出熒光，微弱熒光檢測系統(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據處理。

　　在熒光顯微、熒光強度檢測、熒光成像等熒光檢測系統中單色激發光源是其中重要的組成部分。單色激發光源既可以和熒光顯微鏡組成單細胞熒光顯微系統使用，也可單獨使用在其他需要激發熒光的場合。這種通用性很強的單色激發光源一般由氙燈、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元件組成。氙燈的發光光譜接近于太陽光譜，光譜連續，適合作為單色光源的激發光源，但是氙燈點火時瞬時功率較大，穩態工作時發熱量也較大，會對單色光源中其他的電子部件產生一定的影響。目前，國外研制的應用于熒光檢測和成像系統的單色光源均具有較為完善的監控和保護功能[2]。在研究國外公開的產品資料的前提下，我們在國內率先自行研制開發具有自主知識產權的單色激發光源系統。

　　2、系統總體介紹

　　外圍電路系統如圖2所示，由PC機的光學掃描應用程序和以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組成。

　　溫度監測電路配合FX2對氙燈光源室的溫度進行監測，由FX2控制的數模轉換電路及信號調理電路實現對光柵掃描定位器的控制功能，有機發光顯示器(Organic Light Emitting Display，OLED)組成的顯示接口電路作為人機界面的顯示，光感應電路用于監測氙燈的工作狀態，繼電器及其驅動電路配合FX2實現單色激發光源的各部分電路按照預定程序加電。

 　　圖1 熒光測鈣系統的原理圖

　　圖2 外圍電路系統結構圖

　　3、硬件設計原理與方案

　　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協議同時兼容USB1.1傳輸協議的功能強大的接口芯片。它是在一個增強型的8051單片機內核的基礎上，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。串行接口引擎用以完成對USB協議的封包和解包，同時屏蔽了底層信號的電器特性。為了縮短USB設備的開發周期，Cypress公司為USB設計者提供了EZUSB系列的固件程序框架，本系統中的FX2固件均在這個固件程序框架的基礎上進行編寫[3]。

　　3.2光柵控制模式選擇和定位器驅動電路設計

　　3.2.1光柵定位器驅動模式選擇電路設計

　　閃耀光柵及其定位器是單色光源系統中的關鍵部件，在單色光源的設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光源控制并提高單色光源控制系統的智能程度。在單色光源控制系統中我們設計了三種光柵定位器控制方式：(1)數據采集器控制方式，即利用熒光顯微檢測實驗中數據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接口運用本系統中光學掃描應用程序，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DG409實現控制模式的選擇，在數據采集器控制模式下，FX2控制模擬開關將控制通道切向數據采集器模擬量接口，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傳輸協議的光柵定位器驅動電路設計

　　利用USB協議的“熱拔插”的優點，方便用戶對單色激發光源的操作，我們設計了基于USB2.0傳輸協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-軌的串行數模轉換器，FX2與PC機以USB2.0協議中中斷優先級較高的控制傳輸方式通訊，接收PC機發送的波長掃描數據。FX2內集成的增強型8051單片機將波長數據轉換后得到相對應的電壓數據，再由8051內核的輸出至AD5322。這樣上位機發送的波長數據就轉換成為相對應的模擬電壓(0V~+5V)。由于CTI的光柵定位器的輸入電壓范圍為(-10V~+10V)。因此，數模轉換器輸出的電壓還必須經過信號調理電路進行調理。信號調理電路由運算放大器LF347組成，調理電路中輸出和輸入的關系為：Vo=4Vi-10。調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 數模轉換及信號調理電路

　　3.3單色光源工作狀態監測電路的設計

　　3.3.1溫度監測電路設計

　　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中氙燈室的溫度進行監測，其溫度監測的誤差應保證在 ºC范圍內。在單色光源穩定工作時，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，進而結合模數轉換器ICL7109采用比率法四線制電阻的溫度測量方案[4](如圖5)。模數轉換器ICL7109為12位的雙線性積分A/D轉換器，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的數據和狀態輸出端口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進行電平轉換后和FX2連接。其工作原理：R為限流電阻，Rf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：

　　Vf /Vt=Rf /Rt=2048/K (1)

　　式中,Vf 為參考電阻上的電壓;Vt為Pt100電阻上的電壓值;Rt為Pt100的電阻值;K為A/D采樣值。Rf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,本系統中選用的參考電阻值為150 ,精度 )，ICL7109轉換后的數值為Pt100電阻與參考電阻的比值。由公式(1)可以得到Pt100的電阻值。依據國際溫度標準90(ITS-90)，Pt100電阻值Rt的三次擬合公式為

　　R0為Pt100電阻在0℃時的標稱值A=3.9083×10-3，B=-5.755×10-7，T<0℃時，C=-4.183×10-12，當T>0℃時，C=0。進而可以計算得到當前的溫度值。在ICL7109與FX2的接口電路的設計上面應該注意到以下幾點：(1)FX2的高電平輸出驅動能力有限，與ICL7109接口時應加上電平轉換器件(如74HC573或74HC244等)。(2)為減小Pt100自發熱效應帶來測量誤差，限流電阻R要選擇適當(本系統選用2.2K )。(3)由于FX2的端點占用了其內部8051內核外部地址的一部分，如采用直接訪問的方式來讀取ICL7109的數據，ICL7109的地址應設定在0x2000～0xDFFF之間。

　　3.3.2 工作狀態顯示電路設計

　　熒光檢測實驗一般都在暗室中進行,為了顯示單色激發光源的工作狀態，本系統還

　　設計了OLED顯示電路。OLED是一種新型的自發光顯示器件, 它具有主動發光，高亮度，高發光效率，無視角問題等優點。特別適合在熒光檢測實驗室中作為儀器面板的顯示。本系統采用了臺灣錸寶科技的OLED顯示器(型號P09702，驅動芯片型號SSD1303，深圳晶門科技)作為單色光源系統的工作狀態顯示。OLED部分的接口電路可以參考錸寶科技的數據手冊[5]。

　　圖5 四線法溫度測量原理

　　4.結束語

　　根據文中的設計思路，我們已經完成了單色激發光源外圍電路的設計、制板、調試。初步實驗結果表明，其電路性能指標達到預期的設計要求。本文所設計的電路經過一定改造就可用于其他需要的光學器件控制或溫度監測的場合。 本文作者創新點：(1)實現了基于USB傳輸協議的光柵定位器控制，這種新型的光學器件的控制方式可以用于其他需要光學控制的場合。(2)以FX2為核心，結合比率法測量溫度，成功實現了FX2與ICL7109的接口，并對單色光源室進行檢測。(3)通過我們的應用，證明了FX2不僅可以用于數據傳輸，也可以很好的用于需要邏輯控制的場合。

　　參考文獻：

　　[1] 梁璋儀 趙新生 活細胞內單個分子熒光檢測 大學化學 2005年4月

　　[2] Hardware- Documentation T.I.L.L. Photonics GmbH，2001

　　[3] 茍新運等 USB2.0接口芯片CY7C68013的固件程序開發 微計算機信息 2005年第4期 第183頁

　　[4] 楊永竹 比率法鉑電阻測溫及其在蒸汽計量中的應用 傳感技術學報 2005年12月

　　[5] P09702 128x64 Yellow Color OLED Application Notes Ritdisplay corporation REV. X01 2005