基于LabVIEW与单片机的光学检测平台

钱 庆 ，王弼陡 ，林 涛 ，王钟周

（1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 江苏 苏州 215163；2.江苏省医疗器械检验所 江苏 南京 210000）

光学检测无论是在工业应用场合还是医学应用场合都扮演着极其重要的角色[1]。本文所述的光学检测平台主要运用在生物光学检测方面。该检测平台包括光源、光信号采集部分、信号电路处理部分、单片机部分以及上位机部分。通过了解该平台的架构可以快速的搭建起应用于各种场合的光学检测试验平台。本文所介绍的基于LabVIEW与单片机的光学检测平台包括机械装置、电子电路以及上位机程序，能够独立的成为一个仪器，但是由于机械部分会随着应用场合的变更而产生很大的变化，因此不再详细描述。本文主要描述该平台基于单片机的电子电路架构以及基于LabVIEW的上位机处理与显示程序。

1 电子电路部分设计

电子电路部分包括光源部分、信号获取部分、滤波放大部分、电机驱动部分以及单片机与PC机通讯部分。该平台的结构框图如图1所示。

1.1 光源部分

图1 荧光检测平台结构框图Fig.1 Structure diagram of the hardware system

光源部分包括恒流驱动电路和LED。由于在检测过程中，要求发射光的光强度尽可能的保持一致，因此设计了相应的恒流驱动电路，使通过LED的电流保持基本恒定，从而保证LED发射光的光强度稳定。其中，恒流驱动电路以恒流二极管NSI45020为核心进行设计。NSI45020的恒定电流为20 mA，但是我们设计LED的驱动电流为40 mA，因此将两个NSI45020并联，提供20 mA的恒定电流以驱动LED。TI的模拟开关芯片TS12A12511串联在电路上，控制端连接至单片机某引脚，使单片机能够控制LED回路的通断从而控制LED的发光情况。其电路图如图2所示。

图2 光源部分电路图Fig.2 The schematic of the light source module

1.2 信号获取部分

信号获取部分基于光电二极管设计实现。发射光经被测样品透射后，采用光电传感器采集透射光，将透射光的光信号转换成电信号，电压信号经前端放大、滤波、后端放大，将处理好的信息发送至单片机，利用单片机内部的AD转换，将模拟电压信号转换为数字信号[2-3]。

选择光电二极管作为光电转换的传感器，将光信号转换为电信号。光电二极管是用于光电转换的基本期间，在结半导体的耗尽区吸收光时，会产生光电流。在给定波长下，产生的光电流（Ipd）和入射光功率（P）之比：

光电二极管可以工作在两种模式下：光导模式（反向偏置）或光伏模式（零偏置）。工作模式的选择根据实际应用中速度和可接受暗电流大小来决定。光导模式输出电流较大但是暗电流也大，且暗电流随着温度的变化会产生很大的波动。光伏模式是零偏置的，暗电流小，但是输出电流相对较小。由于本实验平台的精度要求较高，因此选择暗电流小的光伏模式来尽可能的减小测量误差。光电二极管信号接收电路如图3所示。

图3 光电二极管信号接收电路Fig.3 The receiving circuits of the photodiode

在本系统使用的是单片机C8051F061内部的AD转换器，所使用的基准电压为2.5 V，因此在滤波电路之后，信号输入至单片机之前需添加一级放大电路，尽量将有效信号放大至0～2.5 V之间，以提高测量的精度。

基于上面的电路，可以利用光电二极管和运算放大器来实现检测所需要的高增益。由于在此电路中，运算放大器的同向输入端和反向输入端的电势相等，因而光电二极管两端的电势差为0 V，这样就最小化了暗电流的可能。同时，此电路实现将电流信号转换为电压信号，从而后续的模拟信号处理电路可以直接对电压信号进行处理。

1.3 滤波放大部分

滤波电路如图4所示，所测的光电信号均为低频信号，因此设计了一种低通滤波器。在实验中发现，本系统的干扰基本都集中在50 Hz的工频干扰[4]，因此将低通滤波器的截止频率设置在30 Hz左右，这样50 Hz的工频干扰能够达到-20 dB，能够有效降低工频噪声。关于本系统的低通滤波器的参数可以详细的使用TI公司的滤波器设计软件FilterLab来辅助设计。经实验，FilterLab所辅助设计的滤波器比较准确且实用性能高。

图4 滤波电路Fig.4 The Filter module

1.4 电机运动部分

图5 电机驱动电路Fig.5 The driving circuits of the motor

载物台通过步进电机来带动。步进电机的驱动基于集成步进电机控制芯片THB6128来设计。THB6128是北京海华博远公司与日本三洋半导体公司、日本东芝半导体公司合作定制的步进电机驱动芯片，双全桥MOSFET驱动；电路高至2.2 A；多种衰减方式可选；内置温度保护及过流保护。下面详细介绍一下基于THB6128的步进电机驱动电路设计。

通过单片机发送脉冲来驱动THB6128产生电流激励电机运动。 单片机控制 THB6128 的ENABLE、CW、M1、M2、M3引脚。其中，ENABLE用来控制电机的启停，低电平时输出强制关断，高电平时时能驱动器。CW来控制电机运转的方向，低电平时电机正转，高电平时，电机反转。单片机通过M1、M2、M3控制 THB6128的细分数，从 1到 1/128，具体可查询芯片说明书。

该电机驱动芯片可设置3种衰减方式，即慢衰减模式、快衰减模式和混合式衰减模式。其中，混合式衰减模式中，80%为慢衰减，20%为快衰减。在本设计中，通过电位器R11来调节输入到THB6128的FDT引脚的电压，来控制衰减方式。FDT电压低于0.8 V时，定为快衰减方式；介于1.1 V与3.1 V之间时，为混合式衰减方式；大于3.5 V时，为慢衰减方式。

VREF为电流设定端，调整这个引脚的电压可以设定驱动电流值。可通过下面的这个公式来计算驱动电流值。

其中，Io为驱动电流值，Rs为NFA （B）端外接的检测电阻，如图中所示的R13和R14。

THB6128具备斩波频率设定功能，斩波频率由OSC1引脚连接的电容决定，即由图中的电容C6决定。具体的由下面的公式来设定：

THB6128为防止电源或对地短路导致其损坏的情况，内置了短路保护电路，使输出置于待机状态。检测出输出短路状态时，短路检出电路动作，关断一次输出。此后，延迟一段时间之后再次输出，如果输出仍然短路，则将输出固定于待机模式。

1.5 单片机与PC机通讯部分

为了随时将所测的数据上传给PC机进行后续处理，单片机通过RS232与上位机串口相连。仅连接DB9的2（RXD）、3（TXD）、5（GND）即可正常工作。由于本部分较简单，不再详述。

2 软件部分

2.1 单片机控制程序C语言

单片机主要负责光电信号采集、数据的预处理、电机的运动控制等。图6为基本的流程图，基本包含各控制和处理环节。具体的工作流程视不同的实验类型而各有不同。在此不再详述。

2.2 上位机程序LabVIEW G语言

上位机程序用来实现对数据的后期处理以及人机交互界面等。考虑到程序的易修改性，采用LabVIEW进行程序设计。LabVIEW是NI研制开发的程序开发环境，通过图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形势。LabVIEW相对其他高级语言比较容易，能够在短时间内达到理解并修改程序代码的水平[5-8]。

图6 单片机控制程序流程图Fig.6 Flow chart of the program

上位机程序能够实现如下功能：①控制检测的动作，即载物台位置初始化、检测开始、检测结束操作等。②能够保存所有采样数据，指定文件保存位置，所采用的文件格式为txt格式。③能够计算检测曲线的包络面积与包络面积差值。利用虚拟仪器技术的分层模块化思想，将各功能分解成一系列子Vi来实现。系统示意图如图7所示。

图7 上位机程序结构示意图Fig.7 Structure diagram of the PCprogram

串口处理模块调用LabVIEW的VISA Vi来快速实现串口收发功能。数据处理模块完成对串口接收数据的处理，将char型数据转换为16位整数型数据，并对数据进行分析和整理。运动控制模块在LabVIEW内实现逻辑判定，通过串口发送运动命令给单片机，从而由单片机直接控制电机运动。原始数据保存模块将收到的数据保存到指定位置的txt文档中，如果指定的txt文档不存在，则新建该名称的txt文档。图标显示模块，显示当前检测到的荧光强度值，绘制出变化曲线，并且能够计算出实验人员通过游标所确定的两位置的曲线包络面积。

3 结束语

本文设计的基于LabVIEW与单片机的荧光实验平台能够发射小功率激光，激发被检测物质发出荧光，同时检测荧光的强度，通过对荧光强度的计算来检测样品中相关成分。具备较高的柔性，能够满足多种检测应用。对光检测部分的设计进行了大量的工作，消除了大部分的噪声干扰，能够大大提高了检测精度。采用了新型的电机驱动芯片，提高了电机运行的稳定性，间接提高了系统的稳定性和测量精度。采用LabVIEW进行上位机的程序设计，使相关人员能够对该系统进行专用的二次开发，柔性高。本文所设计的荧光检测平台已经在本部门的生物检测实验室进行了大量的试验，并逐步成为常用的实验室设备。

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[8]特拉维斯.LabVIEW大学使用教程 [M].北京:电子工业出版社，2008.