基于STM32植物动态离子流信号检测系统设计

张永凯， 王晓冬， 周 航， 赵建平， 王 成

(1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100089；2. 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100089；3. 曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165)



基于STM32植物动态离子流信号检测系统设计

张永凯1,3， 王晓冬1,2， 周 航1,2， 赵建平3， 王 成1,2

(1. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100089；2. 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100089；3. 曲阜师范大学 物理工程学院，山东 曲阜 273165)

溶液中无机盐离子的定向流动会产生微弱的电压信号，通过检测电压信号可以计算离子的浓度、植物根系吸收离子的速度，进而获取植物的生理信息；对植物动态离子流信号检测系统进行设计，采用STM32F103ZET6作为主控芯片，利用极低偏置电流放大芯片和高共模抑制比差分放大芯片，给出了信号放大、滤波处理和数据采集电路，对系统噪声来源进行分析，提出了降低噪声的方法，并通过STM32进行A/D转换，把转换数据传输到上位机；该设计实现了植物动态离子流信号的检测，得到了离子在溶液中的流速。

离子流信号；检测系统；STM32F103ZET6；信号放大；A/D转换

0 引言

目前国内离子流信号检测技术大多应用在动物学领域，植物动态离子流信号的检测研究相对较少。由于植物吸收离子产生的电压极其微弱，只有几十微伏到几百微伏，难以直接检测，需要特定的玻璃管电极把检测到的动态离子流信号转换为电信号，并进行放大与处理。但微弱信号的检测和信号放大与处理存在一定困难，如运算放大器的零漂、噪声、外接干扰等，都将严重地影响着信号的保真与提取[1]。实现离子流信号准确、稳定的处理是信号检测系统设计的重点。

生物的电活动是重要的生命现象，与细胞跨膜离子运动密切相关[2]，基于Fick第一定律首次采用在胞外微小距离空间移动离子选择性微电极的方式，无损地得到了生物组织的Ca2+离子流速信息[3]。植物动态离子流信号检测是把植物根系放置在装有特定离子溶液的培养皿中，通过检测系统获取植物根系附近微小距离的微弱电压，从而得到离子的流速信息。

1 系统结构及原理

文中重点介绍了检测系统调理电路的设计，从元件选取、噪声的抑制和电源设计入手。信号调理模块对传感器过来的信号进行调理，通过信号调理的隔离、放大、滤波等，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善[4]。采用多级放大电路把电压信号放大，共对信号放大1000倍。由于对微弱信号的获取和幅值测量很难实现，因此先对该信号进行初级放大再进行相应的处理[5]。系统结构如图1所示。两个前置放大器共参比电极，两个检测电极分别测量与参比电极形成的电压，通过差分放大和处理得到两个检测电极之间的电压，从而计算离子的流速。

图1 系统结构框图

2 电路设计

2.1 放大电路设计

放大器的噪声是无法避免的，引入的噪声会经过后续放大进一步污染离子流信号，因此前置放大器的选择与设计尤为重要，它起到输入隔离、放大作用。微弱信号检测的首要问题就是尽量降低放大器本身的噪声，防止在放大信号的过程中使信噪比恶化[6]。

AD549是一款极低偏置电流运算放大器芯片，输入偏置电压和输入偏置电压温度漂移均通过激光调整，共模阻抗高达1015Ω，具有极小的失调电压和噪声。为保证前置放大器的高输入阻抗，采用同相比例运算放大电路，两个前置放大器设计相同，图2所示的是其中的一路放大器，由AD549组成，增益为1+R2/R1，实现10倍的放大。由于每一级放大器的输出阻抗和下级放大器的输入阻抗及分布电容的存在，会引起放大电路的自激振荡，为了消除自激振荡带来的不稳定性，在电阻R3上并联一个电容，保证电路稳定工作。

图2 前置放大器原理图

差分放大器的选择应具有较小的偏置电压、零点漂移、高输入阻抗和共模抑制比等。INA101HP是Burr-Brown公司的一款超高精密仪器放大芯片，它主要用于数据采集系统、低电平信号放大，该器件在一块芯片上集成了3个精密运算放大器和经激光微调的金属膜电阻[7]。INA101HP输入阻抗达到1010Ω，温度漂移小，失调电压最大为25 μV，低非线性低噪声，具有高共模抑制比，因此选择此芯片作为本设计的差分放大器。

两个前置放大器输出的信号分别连接差分放大器的同相输入端和反相输入端，增益检测端与增益设置端短接，用于调节放大倍数，如图3所示，增益由电位器R7的阻值决定，根据芯片手册调节电位器为4.44 k Ω实现10倍差分放大。

图3 差分放大器原理图

2.2 滤波电路设计

植物吸收离子信号为频率较低的微弱信号[8]，为了准确、稳定的采集信号，本文进行了低通有源滤波电路的设计。运算放大器的高输入阻抗能避免给驱动带来过度的负载效应[9]。本文采用Sallen-key二阶有源低通滤波器，这是一种信号处理中常用的有源滤波电路[10]，是带负反馈的同相放大器。滤波电路主要由运算放大器芯片OPA121和两个电容两个电阻构成，如图4所示。

图4 滤波电路原理图

Sallen-Key低通滤波器的截止频率为：

(1)

式中，f为滤波器截止频率，根据图4的电路可实现112.54 Hz的低通滤波处理。反馈增益由电阻R11、R12提供，实现了10倍放大。

2.3 A/D采集设计

数据采集系统单元的主要作用是将传感器得到的模拟信号通过一定的方式转变为数字信号[11]。本系统采用意法半导体公司32位增强型微控制器STM32F103ZET6作为核心控制器，STM32具有片上资源丰富、功耗低、高性能等优点，最高工作频率可达到72 MHz，64 K的SRAM，内部自带的ADC，减少了硬件成本。STM32F103微控制器内部有2个12位的ADC，可测量16个外部信号源，每个通道转换可以单次、连续、扫描或者间断模式执行，最大转换速度为1 μs，足以胜任低频采样工作。

电压信号由STM32的PC0端口采集并进行A/D转换。时钟由8 MHz晶振提供外部时钟，STM32的VREF+引脚是模拟参考正极，作为ADC采样的参考电压，并决定ADC分辨率；VREF-是模拟参考负极，与模拟地相连。ADC的分辨率为

(2)

式中，LSB为最低有效位，VREF+为模拟参考正极。由公式2可知，ADC的分辨率为0.806 mV。电路如图5所示，BOOT0管脚接地，选择用户闪存存储器启动模式，SWDIO与SWCLK是调试端口，数据端SWDIO由上拉电阻拉高。PA9与PA10是通用同步异步收发器，用于和PC通信。

图5 STM32最小系统原理图

2.4 电源设计

放大器与A/D转换器需要稳定的电压源，由于电源中有纹波和噪声存在，会对离子流信号产生不利影响，为了减小电源引入的纹波与噪声，本设计对常见的开关电源、线性电源和电池电源进行了纹波检测，选用纹波最小电池作为电源。

如图6所示，放大器的供电采用两块15 V电池作为电源，把一块电池的负极与另一块电池的正极连到一起作为地端，然后通过电压转换芯片LM78L12与LM79L12把电压转换为+12V和-12V，在压降芯片前后放置钽电容用于滤波，减小噪声在电路中影响。

STM32的供电由+12V电压通过压降芯片HT7533转换为3.3 V。为了把数字电源和模拟电源分开，提供一个稳定的模拟参考电压，提高A/D转换精度，本设计把STM32的模拟电源进行了单独设计，使用线性稳压源芯片GM1117-3.3把电压转换为3.3 V，如图6所示。

图6 电源电路图

3 软件设计

STM32作为的核心控制器，控制A/D转换，并使用DMA的方式把ADC采集的数据传给上位机，程序流程如图7所示。

图7 程序流程图

软件设计采用Keil MDK编程软件，程序用C语言编写，为缩短开发周期提高编程效率，软件程序采用STM32自带的库源码，把ST库源码加载到工程文件中，通过调用库函数对相关模块进行初始化配置。

先初始化GPIO口，实现对外设控制。然后对ADC1进行配置：采用独立、连续转换模式采集一个通道数据，禁止多通道扫描模式，使用软件中断模式，对ADC进行校准并使能A/D转换功能。为了节省CPU资源提高数据传输速率，采用DMA功能把采集的数据直接传输到指定寄存器上，通过配置DMA1控制器使ADC1数据寄存器作为来源，内存地址作为目的地，寄存器基地址不变，数据宽度为16位，采用循环模式传输并使能DMA功能，ADC1采集的数据就会不间断传输到USART1的数据寄存器。最后配置USART1模块，重定向C库函数printf到USART1，通过调用printf函数把数据传输到上位机中。

4 测试与结论

通过检测电压信号直接计算离子流速无法保证准确的放大倍数，为了准确检测动态离子流信号，实现离子流速的精准计算，本文进行放大倍数 的测定，使用锂电池作为信号源，通过高精电阻与电位器分压，产生两个电压信号，模拟两个前置放大器的输出，然后接到差分放大器两个输入端进行放大处理。一共采集了12组数据，每组数据采集20次，然后求出均值，如表1所示。

表1 测试信号数据

V1、V2是电池产生的电压，V3是V1与V2的实际的差值，V4是信号放大后系统检测的电压除以放大倍数。V4与测量的电压差V3进行对比作差，可以得到系统检测的与实际测量值最大的误差是0.8 mV，此值也是STM32的ADC能检测到的最小的分辩率，因此，系统基本实现了准确放大。

5 结束语

本设计基本实现了动态离子流信号的检测，电路设计上相对精简，从而减小系统的复杂性，选择高性能的芯片降低系统的噪声并提高系统的稳定性，进而提高采集的准确性。实际应用中，检测的信号会在环境噪声与系统噪声的影响下进行放大，放大后的信号夹杂着各种噪声，噪声对计算离子流速产生影响，影响有多大需要对系统进行对比评测，如何对检测的准确性以及系统的抗干扰性进行对比评测，仍是一个需要解决的技术问题。

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Design of Plant Dynamic Ion Current Signal Detection System Based on STM32

Zhang Yongkai1,3， Wang Xiaodong1,2， Zhou Hang1,2， Zhao Jianping3， Wang Cheng1,2

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100089, China；2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100089, China；3. College of Physical and Engineering, Qufu Normal University, Qufu 273165, China)

Inorganic ions in solution directional flow can produce a weak voltage signal, by detecting the voltage signal, the ion concentration and the velocity of the ion uptake by plant roots can be calculated, then get the plant physiological information. The design of signal detection system for plant dynamic ion current, using STM32F103ZET6 as main control chip, using low offset current amplifier and high common mode rejection ratio difference amplifier. gives a signal amplifying, filtering processing and data acquisition circuit, discuss the source of noise and noise reduction method, use STM32 microcontroller for A/D conversion and transfer data to the host computer. The design realized the detection of the signal of the ion flow in the plant, and got the flow velocity of the ion in the solution.

ion current signal；detection system；STM32F103ZET6；signal amplifying；A/D conversion

2015-08-24；

2015-10-26。

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ080052)；北京市农林科学院青年科研基金(QNJJ201533)。

张永凯(1989-)，男，山东泰安人，硕士研究生，主要从事电路与系统方向的研究。

王 成(1970-)，男，北京人，博士，研究员，主要从事农业智能控制和生物仪器方向的研究。

1671-4598(2016)03-0145-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.040

TP311

A