光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现

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1、光寻址型传感器中光源控制系统的设计与实现摘要:针对光寻址型传感器对寻址光源的要求,本文以FPGA芯片为核心,采用VHDL作为FPGA开发语言,以VisualBasic为软件开发平台,研制了可实现电脑远程控制的、具有较好人机交互界面的光源控制系统。根据传感器阵列中敏感单元的实际使用情况,本光源控制系统可对光源阵列的寻址方式和寻址时间,以及光源驱动功率、波形、调制频率等进行自由设置,与传统的逐点扫描型寻址方式相比,有助于节省检测时间、提高系统的灵活性;光源的调制频率可在1~80KHz任意设置,满足了光寻址型传感器对不同调制频率的要求

2、;光源的驱动电压,可根据所选光源类型,在1.25~5V内设置和调节。　　关键词:光寻址型传感器光源阵列FPGAVisualBasic　　:TP311:A:1007-9416(2011)03-0018-04　　　　1、引言　　光寻址型传感器是一种基于半导体光电效应的固态敏感器件,通过敏感膜将生化反应过程与半导体光电效应相耦合[1],激发光照射位置与输出电信号之间具有一一对应的关系,因此易于实现多种物质的同时检测。目前这类传感器在实现离子[2]、蛋白质分子[3]、甚至细胞[4],等多种物质的检测中得到了研究,取得了较好的成果。随着新

3、型半导体功能材料及相关加工技术的不断涌现,光电式传感器向着微型化,集成化,多点及多参数测量方面发展,在生物医药等领域有着广阔的发展应用前景。　　由于光寻址型传感器的输出信号与寻址光源具有一一对应的关系,通过控制光照位点,可实现对传感器阵列中不同敏感单元寻址,因此在光寻址传感器系统中,又将光源成为“寻址光源”或“激发光源”。在光寻址型传感器测控系统中,光源控制模块是传感器的重要组成部分之一,需满足传感器对光源的调制频率、寻址方式和寻址时间、发光强度等方面的要求,同时还需针对不同光源提供适当的驱动电压。其中,阵列化光源因其具有寻址精

4、度高、易于小型化、便于携带等优点,是当前的发展方向[6]。为此,本文研发了光源阵列控制器,可提供1K~80KHz的调制频率;既可实现传统的逐点扫描,也可实现任意自由寻址;可为不同类型的光源,提供1.25～5V任意可调光源驱动,并有方波和三角波两种可选驱动波形;控制器主板可通过串口或USB与电脑相连,实现了对光源控制系统的远程交互式控制。　　本文在主板设计上采用了基于FPGA(可编程逻辑器件)芯片的设计方案,其中的系统功能描述使用了VHDL语言;软件设计上,以VisualBasic为平台,为硬件系统开发了交互式光源控制软件,既可控

5、制光源阵列,也可查询当前系统状态。　　本系统可满足光寻址型传感器对激发调制频率、寻址方式等方面的控制需求;封装后整体尺寸为13cm×12cm×3cm,便于与传感器整合,实现光寻址型传感器的仪器化;同时易于操作,具有较好的用户友好性。　　　　2、控制器主板设计　　本文要实现的主要功能:(1)光源的寻址方式可调:自动寻址和人工寻址;(2)光源的调制频率可由用户指定;(3)光源驱动电压可按需选择;(4)整体系统可由电脑控制数据的发送和接收。针对以上要求,本文设计了光源控制器主板,设计框图如图1所示。　　2.1硬件设计框图及说明　　FP

6、GA芯片是控制器主板的核心,采用VHDL语言编写了FPGA的系统功能描述程序,该程序经下载口烧录至FPGA。　　电脑对控制器主板下达的指令通过串口模块传输,控制指令主要包括两方面:1)光调制频率、光源所需驱动等控制信息,经串口到达FPGA芯片后,经“数模转换”模块(DAC)和“光源驱动”模块后,转化为光源所需模拟信号,到达光源阵列使其按照以一定的调制频率和强度发光;2)寻址指令,经串口模块达到FPGA后,选通的地址信息经地址译码对指定光源进行选通操作。　　FPGA芯片将系统当前状态,如光调制频率、光源驱动信号、寻址状态以及当前寻

7、址光源等信息,经过串口反馈给电脑。　　电平转换模块将外界5V电压转化为主板中芯片所需正常工作电压,并解决芯片间通讯的电平匹配匹配问题。　　2.2主要芯片的选择　　2.2.1FPGA　　根据系统VHDL程序综合结果,整体功能实现需占用五百个逻辑单元,31个I/O口,所以选用了型号为EP1C6Q240C8的FPGA芯片,它具有异步双端口、带寄存器输入口、可选择的带寄存器输出口的存储模块。有2个PLL(锁相环),含5980个逻辑单元,90kbits内部RAM,FPGA串行配置芯片含1MbitFlash,240个引脚。从资源数量、类型和

8、引脚数量可满足本文的各项要求。　　2.2.2光源驱动及寻址电路　　为实现光源驱动控制及寻址功能,首先需要将FPGA发出的八位功率控制数字信号转化为模拟信号,本文选用了MAX5480B芯片,并采用MAX6120芯片为其提供1.2V基准电压,转换后的模拟电压信号通过