专利名称：时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元及应用其的测硼方法
技术领域：
本发明涉及元素測量技术领域，特别涉及一种时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元及应用其的测硼方法。
背景技术：
硼元素含量的准确测量在生物、环境、地质和エ业领域有着广泛的实际应用价值。例如，硼是植物生长中的必需元素，但不同植物或者同一种植物在不同发育阶段对硼的需求有差异。因此及时測定植物中硼的含量，采取合理的增硼脱硼措施对实现农业丰收具有重要意义。并且硼在人类饮食中的供给正受到广泛的关注，因此物质中微量硼的准确测定需求也越来越高。荧光光谱测量技术具有灵敏度高、准确度高、应用广泛、操作简单等特点，适用于微量元素的測量。下面介绍荧光光谱测量的工作原理。參见图1，该图为现有技术中时间分辨荧光光谱测量硼含量的结构图。由于荧光信号的強度和光源信号的強度成正比，即同样浓度的物质在不同強度的激发光源下，产生的荧光强度也不同。所以必须测量激发光和荧光才能测出物质的浓度。因此，时间分辨荧光光谱测硼仪使用双通道采集，其中ー个通道采集脉冲光源发出的激发光信号，另ー个通道采集硼元素发出的荧光信号。脉冲光源101 (脉冲氙灯)依次经过滤光片102単色、分束镜103分光后，主要部分经石英透镜104聚焦，进入装有样品的样品池105，激发样品产生荧光；分束镜103分出的一小部分光由光电池110接收，用以记录激发光強度。样品产生的荧光经透镜106聚焦进入单色器107，由光电倍增管108接收，经控制単元109处理后将采集的数据上传到PC机111，从而获得样品的荧光衰减曲线，測量荧光寿命来获得硼元素的含量。由于硼元素的荧光信号非常微弱，并且硼元素的荧光生命周期短，因此需要精度和速度很高的控制单元才能够精确測量物质中硼元素的含量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元及应用其的测硼方法，能够精确测量硼元素的含量。本发明提供一种时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元，包括DSP、PWM信号调理电路、数模转换模块、模拟量滤波放大电路、模数转换模块、存储器知FPGA ；DSP，用于控制事件管理模块输出PWM信号；PWM信号调理电路，用于将所述PWM信号进行调理后通过PWM输出接ロ输出PWM信 号给脉冲光源，所述PWM信号用于启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁频率； DSP还用于通过第一 IO端ロ发送用于控制光电倍增管的数字控制信号和用于控制脉冲光源的数字控制信号给数模转换模块；数模转换模块，用于将两个所述数字控制信号分别转换为模拟信号后发送给对应的所述脉冲光源和所述光电倍増管；模拟量滤波放大电路，用于通过模拟量输入接ロ接收光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，对所述荧光信号和激发光信号进行滤波和两级放大，并将放大后的荧光信号和激发光信号发送给模数转换模块；模数转换模块，用于将放大后的荧光信号和激发光信号进行模数处理，将数字荧光信号和数字激发光信号发送给FPGA ；FPGA，用于为模数转换器提供工作时钟，并控制模数转换器的启停，将模数转换器输出的数据缓存在FPGA的FIFO中，并将FIFO中的数据在存储于存储器中；DSP，用于判断激发光是否稳定，待激发光稳定后，从存储器中读取采样数据，并对采样数据进行处理后发送给PC机。优选地，还包括USB芯片和USB通信接ロ，DSP依次通过USB芯片和USB通信接ロ将数据传送给PC机。优选地，还包括SPI串行通信模块和液晶屏接ロ，DSP依次通过SPI串行通信模块和液晶屏接ロ将用户设置參数传送到液晶屏上进行显示。优选地，还包括数字量输入接口和第二 IO端ロ，DSP依次通过第二 IO端口和数字量输入接ロ接收按键产生的数字量信号。优选地，所述存储器包括FLASH、片内RAM和外扩SRAM ； FLASH,用于存储用户程序；片内RAM，用于程序运行的开销和存储实时数据及变量；外扩SRAM,用于存放样品突光强度信号和光源强度信号。优选地，还包括电源模块，用于为所述模拟量滤波放大电路提供土 15V直流电；用于为所述数模转换模块提供15V直流电；用于为模数转换模块、PWM信号调理电路、PWM输出接口和液晶屏提供5V直流电；用于为DSP、FPGA, USB芯片、JTAG调试接口和存储器提供3. 3V直流电；用于为DSP核和FPGA核提供I. 2V直流电。优选地，所述两级放大中的第一级放大为跨导放大，第二级放大为电压放大。本发明还提供一种应用以上控制单元的测硼方法，包括以下步骤用PWM信号启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁频率；预先设置所述PWM信号的周期和占空比；采集光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，并对荧光信号和激发光信号进行处理；经过预定的延迟时间，判断荧光信号是否满足模数转换模块的要求，如果否，则通过调节数模转换模块的输出信号控制光电倍增管的负高压电源和脉冲光源的激发光強度直至采集的荧光信号满足要求；采集荧光信号，并将采集的荧光信号存储于存储器中，经过处理后上传至PC机。与现有技术相比，本发明具有以下优点 本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元及应用其的测硼方法，利用高性能的DSP和高速高精度的模数转换模块，同时使用FPGA对模数转换模块的采样时间进行精确的控制。从而可以提高信号的采集速度和精度。并且本控制单元的数模转换模块输出的模拟信号包括两个通道，一个用来控制光电倍增管的放大倍数，另ー个通道用来控制脉冲光源发出的激发光的強度。本发明提供的控制单元集成度高，可以完成模拟信号的采集和数字信号的输出控制，并且高精度和高速度保证了测量的精确性。
图I是现有技术中时间分辨荧光光谱测量硼含量的结构图；图2是本发明提供的时 间分辨荧光光谱测硼仪控制单元实施例一结构图；图3是本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元实施例ニ结构图；图4是本发明提供的应用控制单元进行测硼方法实施例一流程图；图5是本发明提供的应用控制单元进行测硼方法又一实施例流程图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。參见图2，该图为本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元的实施例一示意图。本实施例提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元，包括DSP201、PWM信号调理电路202、数模转换模块203、模拟量滤波放大电路206、模数转换模块208和FPGA209 ；DSP201，用于控制事件管理模块(EV) 202输出PWM信号；PWM信号调理电路203，用于将所述PWM信号进行调理后通过PWM输出接ロ 204输出PWM信号给脉冲光源，所述PWM信号用于启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁
频率；DSP201还用于通过第一 IO端ロ 205发送用于控制光电倍增管的数字控制信号和用于控制脉冲光源的数字控制信号给数模转换模块206 ；数模转换模块(DAC) 206，用于将两个所述数字控制信号分别转换为模拟信号后通过模拟量输出接ロ 207发送给对应的所述脉冲光源和所述光电倍増管；模拟量滤波放大电路209，用于通过模拟量输入接ロ 208接收光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，对所述荧光信号和激发光信号进行滤波和两级放大，并将放大后的荧光信号和激发光信号发送给模数转换模块208 ；模数转换模块(ADC) 210，用于将放大后的荧光信号和激发光信号进行模数处理，将数字荧光信号和数字激发光信号发送给FPGA211 ；FPGA211，用于为模数转换器210提供工作时钟，并控制模数转换器210的启停，将模数转换器210输出的数据缓存在FPGA211的FIFO中，并将FIFO中的数据在存储于存储器中；因为ADC210的采样速度很快，FPGA211直接控制ADC210的采样数据输出到存储器可靠性难以保证，因此本实施例采用FPGA211内部缓存FIFO，从而实现将读ADC210的采样数据和存采样数据两者分开的模块化控制。DSP201，用于判断激发光是否稳定，待激发光稳定后，从存储器中读取采样数据，并对采样数据进行处理后发送到PC机。激发光稳定后,米样数据才有一致性，DSP201将稳定的米样数据上传到PC机,为后续物质浓度计算提供依据。具体地，激发光稳定后，DSP201读取多次采样数据，获得多次采样数据的平均值上传给PC机。纯净的硼物质荧光衰减曲线相似，只是强度幅值不同，半衰期一定。当样品中含有杂质时，杂质也将产生荧光。这样将造成采样数据中含有叠加的杂质荧光数据，使荧光衰减曲线发生变化。为了能够准确检测出硼含量，本实施例利用高速度的ADC采集足够的数据，然后根据荧光衰减曲线模型精确计算出的硼物质浓度，并估测出杂质的荧光衰减曲线。本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制単元，利用高性能的DSP和高速高精度的模数转换模块，同时使用FPGA对模数转换模块的采样时间进行精确的控制。从而可以提高信号的采集速度和精度。并且本控制单元的数模转换模块输出的模拟信号包括两个通道，一个用来控制光电倍增管的放大倍数，另ー个通道用来控制脉冲光源发出的激发光的強度。本发明提供的控制单元集成度高，可以完成模拟信号的采集和数字信号的输出控制，并且高精度和高速度保证了测量的精确性。參见图3，该图为本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元实施例ニ结构图。本实施例提供的控制单元还包括USB芯片212和USB通信接ロ 213，DSP201依次通过USB芯片212和USB通信接ロ 213将数据传送给PC机。控制单元还包括SPI串行通信模块214和液晶屏接ロ 215，DSP201依次通过SPI串行通信模块214和液晶屏接ロ 215将用户设置參数传送到液晶屏216上进行显示。控制单元还包括数字量输入接ロ 217和第二 IO端ロ 218，DSP依次通过第二 IO端ロ 218和数字量输入接ロ 217接收按键产生的数字量信号。数字量输入接ロ 217用于采集按键产生的数字量信号。用户通过按键设置系统參数，启动数据采集和传送。例如，按键对应的命令可以包括“启动ADCO单次采集”、“启动ADCO连续采集”、“菜单键”、“+键”、键”、“启动ADCl采集”、10个“数字键”。其中，ADCO和ADCl对应两个模拟量采集通道，ADCO采集荧光信号強度，ADCl采集激发光信号強度。其中菜单键的功能包括以下选项“P丽信号周期(ms) ”、“PWM信号占空比) ”、“采样延迟时间(us) ”、“连续激发采样次数”、“单次激发采样次数”。各个菜单下的參数可以使用“+键”或键”或“数字键”进行修改，并在液晶显示屏上实时显示。液晶屏216主要是为用户设置參数提供人机界面，液晶屏216会显示相关设置项目和參数，例如可以显示“PWM信号周期(ms)”、“PWM信号占空比(％)”、“采样延迟时间(us) ”、“连续激发采样次数”和“单次激发采样次数”等。所述存储器包括FLASH 219、片内RAM220和外扩SRAM221 ；FLASH219，用于存储用户程序；片内RAM220，用于程序运行的开销和存储实时数据和变量；外扩SRAM221,用于存放样品突光强度信号和光源强度信号。本实施例提供的DSP可以采用TI公司的高性能32位TMS320F2812芯片，具有高速、流水线结构，满足时间分辨荧光光谱测硼仪控制算法的实时实现。TMS320F2812拥有丰富的片内资源256KB可在系统编程的FLASH存储器、36KB片、内RAM、可寻址2MB地址空间的外部数据存储器接ロ，满足程序和数据的存储；56个通用数字IO端ロ、16通道12位12. 5Msps的AD转换器、3个通用定时器和硬件实现的SPI、McBSP、2个EV模块和UART串行模块等。片上资源可以根据设计需求进行选择，可使用软件配置功能引脚到相应的IO端ロ。这种方法有利于系统资源的充分利用和灵活配置，増加了控制单元的实用性和通用性。高性能32位TMS320F2812为176脚的TQFP封装，可以在_40°C至85°C范围内工作。TMS320F2812芯片通过外部总线接ロ与FPGA、外扩SRAM和USB芯片相连。还包括电源模块222，用于为所述模拟量滤波放大电路提供±15V直流电；用于为所述数模转换模块提供15V直流电；用于为模数转换模块、PWM信号调理电路、PWM输出接口和液晶屏提供5V直流电；用于为DSP、FPGA、USB芯片、JTAG调试接口和存储器提供3. 3V 直流电；用于为DSP核和FPGA核提供I. 2V直流电。所述两级放大中的第一级放大为跨导放大，第二级放大为电压放大。由于光电倍增管输出的荧光信号(电流信号)非常微弱，因此选择两级放大。首先对光电倍增管输出的电流信号进行跨导放大，然后再进行电压放大。考虑到模拟量滤波放大电路中的放大器増益带宽积的限制，因此选择高増益宽频带低噪声的放大器。由于信号中掺杂了噪声，因此对输入信号进行滤波处理。模数转换模块选择了高速高精度(20MHz，12bit) AD转换器芯片，同时使用FPGA对AD采样时间进行精确的控制。由于AD采集数据量大，因此使用USB总线与PC机通信，实现大容量数据的传输。以上实施例提供的控制单元，采样DSP作为核心处理器，由于DSP处理速度快，接ロ资源丰富，因此具有更好的抗干扰能力和高稳定性。本发明提供的控制单元功能完备，适用性強，为时间分辨荧光光谱测硼仪实时控制算法提供了稳定可靠的硬件平台。该控制单元根据时间分辨荧光光谱技术原理，使用PWM信号控制脉冲光源发出激发光，并通过DA输出的模拟信号控制脉冲光源的发光强度以及光电倍增管的负高压电源，通过AD采集样品中硼元素发出的荧光信号，并通过USB通信接ロ与PC机通信，将采集到的荧光数据上传PC机，能够方便地实现数据的后续分析处理。同时，配有键盘和液晶屏，提供友好的人机交互界面。基于上述时间分辨荧光光谱测硼仪的控制単元，本发明还提供了应用该控制单元进行测硼的方法，下面结合具体实施例来详细说明其工作流程。參见图4，该图为本发明提供的应用控制单元进行测硼方法实施例一的流程图。S401 :用PWM信号启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁频率；预先设置PWM信号的周期和占空比。S402:采集光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，并对荧光信号和激发光信号进行处理；S403:经过预定的延迟时间，判断荧光信号是否满足模数转换模块的要求，如果否，则通过调节数模转换模块的输出信号控制光电倍增管的负高压电源和脉冲光源的激发光強度直至采集的荧光信号满足要求；S404 :采集荧光信号，并将荧光信号存储于存储器中，经过处理后上传至PC机中。由于荧光信号強度和激发光信号強度成正比，因此，控制単元需要同时采集荧光信号和激发光信号，这样才能測量出硼元素的含量。由于采集的荧光信号要符合AD的采样要求，因此可以通过设置DA的输出信号来控制荧光信号和激发光強度。參见图5，该图为本发明提供的应用控制单元进行测硼的又一实施例流程图。S501 :系统初始化；S502 :主循环开始；S503 :判断是否收到PC机传来的采集命令，如果是，则启动采集流程，执行S507 ；如果否，则执行S504 ；S504 :判断是否收到按键传来的采集命令，如果是，则启动采集流程，执行S507 ；如果否，则执行S505 ； S505 :设置系统參数，并送液晶屏显示系统參数；S506:主循环结束；S507 :发出PWM信号启动脉冲光源；S508 :延迟预定时间；S509 :采集荧光信号；S510 :判断采集的荧光信号是否满足AD的要求，如果是，则执行S512 ;如果否，则执行S511 ；S511 :调节DA的输出信号，控制光电倍增管的负高压电源和脉冲光源的激发光强度直至采集的荧光信号满足要求；S512 :采集荧光信号和激发光信号并存储；S513 :判断采集是否结束，如果是，则执行S512 ;如果否，则执行S514 ；S514 :传送数据到PC机。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述掲示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元，其特征在于，包括DSP、PWM信号调理电路、数模转换模块、模拟量滤波放大电路、模数转换模块、存储器和FPGA ； DSP，用于控制事件管理模块输出PWM信号； PWM信号调理电路，用于将所述PWM信号进行调理后通过PWM输出接口输出PWM信号给脉冲光源，所述PWM信号用于启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁频率； DSP还用于通过第一 IO端口发送用于控制光电倍增管的数字控制信号和用于控制脉冲光源的数字控制信号给数模转换模块； 数模转换模块，用于将两个所述数字控制信号分别转换为模拟信号后发送给对应的所述脉冲光源和所述光电倍增管； 模拟量滤波放大电路，用于通过模拟量输入接口接收光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，对所述荧光信号和激发光信号进行滤波和两级放大，并将放大后的荧光信号和激发光信号发送给模数转换模块； 模数转换模块，用于将放大后的荧光信号和激发光信号进行模数处理，将数字荧光信号和数字激发光信号发送给FPGA ； FPGA，用于为模数转换器提供工作时钟，并控制模数转换器的启停，将模数转换器输出的数据缓存在FPGA的FIFO中，并将FIFO中的数据在存储于存储器中； DSP，用于判断激发光是否稳定，待激发光稳定后，从存储器中读取采样数据，并对采样数据进行处理后发送给PC机。
2.根据权利要求I所述的控制单元，其特征在于，还包括USB芯片和USB通信接口，DSP依次通过USB芯片和USB通信接口将数据传送给PC机。
3.根据权利要求2所述的控制单元，其特征在于，还包括SPI串行通信模块和液晶屏接口，DSP依次通过SPI串行通信模块和液晶屏接口将用户设置参数传送到液晶屏上进行显/Jn o
4.根据权利要求3所述的控制单元，其特征在于，还包括数字量输入接口和第二IO端口，DSP依次通过第二 IO端口和数字量输入接口接收按键产生的数字量信号。
5.根据权利要求4所述的控制单元，其特征在于，所述存储器包括FLASH、片内RAM和外扩SRAM ； FLASH，用于存储用户程序； 片内RAM，用于程序运行的开销和存储实时数据及变量； 外扩SRAM,用于存放样品突光强度信号和光源强度信号。
6.根据权利要求5所述的控制单元，其特征在于，还包括电源模块， 用于为所述模拟量滤波放大电路提供±15V直流电； 用于为所述数模转换模块提供15V直流电； 用于为模数转换模块、PWM信号调理电路、PWM输出接口和液晶屏提供5V直流电； 用于为DSP、FPGA、USB芯片、JTAG调试接口和存储器提供3. 3V直流电； 用于为DSP核和FPGA核提供I. 2V直流电。
7.根据权利要求I所述的控制单元，其特征在于，所述两级放大中的第一级放大为跨导放大，第二级放大为电压放大。
8.一种应用权利要求I所述的控制单元的测硼方法，其特征在于，包括以下步骤用PWM信号启动脉冲光源发出激发光并控制激发光的闪烁频率；预先设置所述PWM信号的周期和占空比； 采集光电倍增管发送的荧光信号和光电池发送的激发光信号，并对荧光信号和激发光信号进行处理； 经过预定的延迟时间，判断荧光信号是否满足模数转换模块的要求，如果否，则通过调节数模转换模块的输出信号控制光电倍增管的负高压电源和脉冲光源的激发光强度直至采集的荧光信号满足要求； 采集荧光信号，并将采集的荧光信号存储于存储器中，经过处理后上传至PC机。
全文摘要
本发明提供的时间分辨荧光光谱测硼仪控制单元及应用其的测硼方法，利用高性能的DSP和高速高精度的模数转换模块，同时使用FPGA对模数转换模块的采样时间进行精确的控制。从而可以提高信号的采集速度和精度。并且本控制单元的数模转换模块输出的模拟信号包括两个通道，一个用来控制光电倍增管的放大倍数，另一个通道用来控制脉冲光源发出的激发光的强度。本发明提供的控制单元集成度高，可以完成模拟信号的采集和数字信号的输出控制，并且高精度和高速度保证了测量的精确性。
文档编号G01N21/64GK102650596SQ20111004523
公开日2012年8月29日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者储著林, 凌青, 吕飞, 吴刚, 石春, 秦琳琳 申请人:中国科学技术大学