基于ARM的双色近红外荧光扫描系统

2017-09-25祝楠楠王弼陡罗刚银

现代电子技术 2017年18期

祝楠楠+王弼陡+罗刚银

摘要：由于掃描样品的多样化，样品的发光点并不一定在焦平面上；双色近红外荧光扫描分析可以实现数据对比以及准确的量化分析。因此，设计基于激光共聚焦原理的ARM控制、三维移动、双色近红外荧光扫描的系统。采用STM32F407作为主控板，THB7128芯片作为x，y，z三轴步进电机的驱动，可以实现快速定位和精准扫描。信号采集电路由H11461?03型号的侧边PMT，以OPA686芯片作为运放的电流?电压转换和放大电路，LM747H芯片构造的二阶巴特沃斯低通滤波电路以及ADS8320采样电路组成。系统的背景噪声实验结果显示信号范围在0.075～0.2 V之间，且数值较低、变化平稳。

关键词：双色近红外荧光扫描；激光共聚焦； ARM处理器；三维移动；信号采集

中图分类号： TN219?34； TN24； TM933 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0139?04

Two?color near?infrared fluorescence scanning system based on ARM

ZHU Nannan1，2， WANG Bidou2， LUO Gangyin2

（1. School of Communication and Information Engineering， Shanghai University， Shanghai 200444， China；

2. Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology， Chinese Academy of Sciences， Suzhou 215163， China）

Abstract： The diversification of scanning samples makes the light?emitting point can′t locate on the focal plane. Two?color near?infrared fluorescence scanning analysis can realize data comparison and accurate quantitative analysis， therefore a two?color near?infrared fluorescence scanning system with three?dimensional movement and ARM control based on the principle of laser confocal scanning was designed. The STM32F407 is taken as the main control board and THB7128 is taken as the driver of x?y?z?axis stepper motor to realize the fast positioning and accurate scanning. The signal acquisition circuit is composed of the parasitic PMT of H11461?03 type， OPA686 operational amplifier chip as current?voltage conversion and amplification circuit for operational amplification， second?order Butterworth low?pass filter circuit constructed with LM747H， and ADS8320 sampling circuit. The experimental results of system background noise show that the signal voltage is within 0.075～0.2 V， and its value is relatively low and stable.

Keywords： two?color near?infrared fluorescence scanning； confocal laser； ARM processor； three?dimensional movement； signal acquisition

近年来，生物芯片扫描技术在生命科学、微电子、化学等领域广泛使用。近红外荧光采用荧光标记技术，其染料具有独特性，发射波长在700～1 200 nm，该范围内可以有效避免背景干扰，从而获得较高分析灵敏度。双色荧光染料被激发后，可以发射出两种不同波长的近红外荧光信号，被扫描仪接收后可以计量近红外荧光值；再通过对比分析来减少测定时的某些干扰，以减少实验误差、提高实验的准确性。近红外荧光具有较强的穿透能力，能够实现样本的深层检测，且对样本造成损伤较低，也有利于活体样本检测。

激光共聚焦扫描技术是近来扫描系统多采用的一种荧光检测技术。由于采用了探测针孔，因而视场大大减小，信噪比大大提高，可成高分辨率的像。目前激光共聚焦扫描多采用二维机械控制，即通过控制平面x，y轴来实现二维扫描。但由于扫描样品的多样性，所以样品的发光点并不一定在焦平面上，这样就不能达到高精度探测。双色近红外荧光扫描技术可以实现定量分析比较，能让扫描结果更加直观精准[1?3]。本文针对双色近红外荧光扫描和激光共聚焦扫描原理，设计一款基于ARM控制的三维控制扫描系统。

1 双色近红外荧光的三维控制扫描原理

采用倒置式光学扫描系统，使用透明的硼硅酸盐玻璃作为载物台。由两相混合式步进电机（信浓?SST42D110XX）控制的二维精密位移平台，实现光学模块平移扫描；并采用精密丝杠构成一维升降机构，实现光学模块的升降调焦[4]。因此，扫描系统可以实现三维控制和对焦扫描。扫描控制原理如图1所示。endprint

圖1中，激光器1和激光器2发出两种不同波长的激光，在激光共聚焦技术下照射到玻璃载物台上的样品Sample，样品Sample中的荧光物质被激发，产生另外两种不同波长的激发光，被信号接收器PMT1和PMT2接收到。其中ARM主控板控制x，y轴方向的步进电机实现二维位移平台的移动，和z轴方向的步进电机实现

一维升降。其中，通过z轴的移动来控制镜头实现聚焦。

2 电机驱动

本控制系统基于ARM控制x，y，z三轴步进电机，ARM微控制器的主要功能是和上位机通信，接收、处理步进电机的相关参数和命令，并实时传递电机当前数据；并且控制激光器的开关，将采集到的信号传输给上位机。因而采用基于ARM Cortex?M4内核的32位闪存微控制器STM32F407。

图2为系统硬件电路设计图，图2中PMT为信号采集器。

系统采用开环驱动电路控制方式，通过对输入脉冲信号的计数来对步进电机定位，实现系统精确扫描[5]。步进电机驱动器的主要功能是脉冲分配和功率放大，因此采用THB7128芯片作为步进电机的驱动器，如图1所示。THB7128是一款双全桥MOSFET驱动，且低导通电阻RON=0.53 Ω（上桥+下桥），耐压DC 40 V，电流3.3 A（峰值）的专业两相步进电机驱动芯片。它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。

由图3可知：CLK为输入脉冲端；CW/W为电机正反转控制端；M1，M2，M3为细分设定端口；VM为输入24 V电压端；AOUT1，AOUT2，BOUT1，BOUT2为电机A，B相输出端口；R11，R12为电机A，B相电流检测电阻，R19～R22为电机保护电阻，防止电流过大烧毁电机；VREF为电机驱动电流设定端，OSC1为斩波频率设定端，J1为电机接口。其中，电机驱动电流的设定，可通过调整VREF端电压即可设定驱动电流，设定电流如下：

[IOUT=（VREF5）RS] （1）

式中：[RS]为NFA（NFB）外接检测电阻；[VREF]一般小于3 V。只要通过调整RS的大小就可以得到本文需要的电流，此处通过分压，设置VREF=2.2 V，RS = 0.22 Ω，可得输出电流为1 mA。

斩波频率由OSC1?GND间连接的电容C4依据下式设定：

[FCP=1C410-5] （2）

式中：FCP为斩波频率（一般≤100 kHz）；电容C4值一般选在100～470 pF，该电容越大，斩波频率越低，电机噪音也越明显，电容值越小，斩波频率越高，电机噪音相对低一些，发热相对大一些。本文设置电容C4=200 pF，因而得到FCP = 50 kHz，满足小于100 kHz的要求。

3 信号采集电路设计

信号采集器采集到的荧光信号一般生成频率较低的直流弱信号。对于微弱电流信号，应首先把电流信号转换成电压信号（I?V），再经放大电路的再次放大，然后利用低通滤波器滤除混杂在信号中的高频噪声，最后进行模/数转换（A/D）[6]。

3.1 光电倍增管

光电倍增管（PMT）是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中，它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1 200 nm的极微弱辐射功率的光信号。图4中列出H11461?02，H11461?03，H11461?09三种侧边PMT的阴极辐射敏感性。由于产生的两束激发光波长在700～900 nm之间，因此由图4光电倍增管特性图了解，采用型号为H11461?03的侧边PMT作为信号采集器更符合本文需要。

3.2 电流?电压转换电路

噪声和漂移问题影响着微弱电流检测的分辨率和灵敏度，因此降噪降漂是检测技术核心。对于要检测的直流弱信号，频率比较低，主要要求其线性度好，不存在暗电流，噪声低，所以一般采用暗电流较小、不加偏置电压的光电压模式进行精确测量分析[7?8]。在对输入微弱光信号检测电路的设计中，运算放大器的选择直接影响着整个电路的性能，可以说运算放大器的选择对于电路起着至关紧要的作用，根据运算放大器本身的参数性能选择合适的用于特定场合的运算放大器是非常重要的。通常对运算放大器的要求参数有：失调电压、输入偏流、输入噪声密度、速率、电源电流[9]。本文采用OPA686作为电流?电压转换电路芯片，它具有高增益带宽，低噪声，大信号呈现，如图5所示。则得到V=-R2IS。其中：IS为输出电流；近似的电路增益A=-R2。

3.3 放大电路

对于检测的电流信号转换成电压信号后，虽然进行了一次放大，但是为达到A/D芯片的转换范围，还需进行第二次放大。采用OPA686作为运算放大器的T型放大电路[10]，如图5所示，其放大倍数AV为：

[AV=-1R3R5+R7+R5R7R6] （3）

图5中T型放大电路通过改变R6可以获得很高的放大倍数，并且能提高输入阻抗。本设计通过图5中各电阻计算得到AV=-5。

3.4 低通滤波

利用光电倍增管得到的信号不仅存在背景噪声，电路和元器件也会有噪声。由于采集到的信号为微弱信号，即使放大以后，噪声也多为高频信号；因此采用低通滤电路进行滤波，这里采用二阶巴特沃斯低通滤波电路[11?12]，如图5所示，采用LM747H芯片构造的二阶巴特沃斯低通滤波电路，截止频率为1 kHz。

该电路中参数确定方法如下：

[C9=C10=C=0.1 μFfC=1（2πRC）=1 kHzR8=R9=R=1.3 kΩK=3-（1Q）=1] （4）

其中滤波器截止频率fC=1 kHz，电容C=0.1 μF，如果选定电容可根据公式：endprint

[R=12πfC]

计算出R值。K为滤波增益，Q为品质因素，本文设计品质因数Q为0.5。

3.5 A/D芯片

如图5所示，采用ADS8320作为A/D采样芯片。它是一款串行16位同步采样模/数转换器，采样频率最高可达100 kHz，工作电压在2.7～5.25 V之间。ADS8320作为模数转换芯片，采用外部中断向ARM芯片报告数据转换结束，再由ARM读取数据到存储区，当存储区存满后，PC机启动数据处理和传送数据程序。A/D数据采集流程如图6所示。

4 实验结果与分析

对设计的系统搭建调试，为了检测数据采集的稳定性和灵敏度，做背景噪声实验；让其中一个PMT在黑箱情况下每隔1 s采集一次数据，采集600次。采用的ADS8320的芯片的参考电压VREF=4.096 V，如图7所示，可以看出600 s内采集到的背景噪声信号，主要集中在0.075～0.2 V之间，背景噪声比较低且数值变化平稳。对背景噪声信号做平均处理后，就是背景噪声值；当进行试验时，假设实际激发光值A、实际测量值B、背景噪声值C，那么三者关系为A=B-C。

5 结论

本文采用基于ARM控制的三维移动结构、利用激光共聚焦原理来实现双色近红外熒光的检测。采用STM32F407作为主处理器的扫描平台，具有运算速度快、处理信号精准等优点。由于是三维移动结构，考虑到仪器小型化，采用THB7128芯片作为电机驱动，并能达到精准且快速的移动和定位。采用的H11461?03型号的PMT在检测到信号能通过电流?电压转换、放大、滤波、A/D转换后，输出信号经ARM传输到上位机；由背景噪声试验可看到系统背景噪声低、数值变化平稳。

注：本文通讯作者为王弼陡。

参考文献

[1] 罗刚银，王弼陡，缪鹏，等.激光共聚焦近红外荧光扫描系统光学设计[J].应用光学，2015（1）：29?34.

[2] 王浩杰，罗正全.双波长共聚焦生物芯片扫描仪控制系统设计[J].国外电子测量技术，2006，25（2）：30?33.

[3] 陆春光，王立强，陆祖康.双波长激光共聚焦生物芯片扫描仪的研制[J].光学仪器，2005，27（5）：123?127.

[4] 赵立新，胡松，王肇志，等.激光共聚焦生物芯片扫描中的自动调焦[J].微纳电子技术，2006（11）：546?548.

[5] 方旭.基于ARM的多通道步进电机控制系统设计[D].成都：西南交通大学，2014.

[6] 张石锐，郑文刚，黄丹枫，等.微弱信号检测的前置放大电路设计[J].微计算机信息，2009（23）：223?224.

[7] 何玲玲.微弱光电信号采集与处理系统的研究[D].合肥：安徽大学，2010.

[8] 杨茂，胡立群，段艳敏，等.微弱光电流信号放大器的设计[J].核电子学与探测技术，2011，31（7）：734?738.

[9] 龚涵，陈浩宇.微弱光信号检测电路的设计与实现[J].科技信息，2007（27）：85?87.

[10] 卢莉萍，李翰山.微弱光电信号的检测与采集[J].西安工业大学学报，2011，31（4）：326?330.