基于ARM的雙色近紅外熒光掃描系統(tǒng)

祝楠楠+王弼陡+羅剛銀

摘 要： 由于掃描樣品的多樣化，樣品的發(fā)光點(diǎn)并不一定在焦平面上；雙色近紅外熒光掃描分析可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比以及準(zhǔn)確的量化分析。因此，設(shè)計(jì)基于激光共聚焦原理的ARM控制、三維移動(dòng)、雙色近紅外熒光掃描的系統(tǒng)。采用STM32F407作為主控板，THB7128芯片作為x，y，z三軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)快速定位和精準(zhǔn)掃描。信號(hào)采集電路由H11461?03型號(hào)的側(cè)邊PMT，以O(shè)PA686芯片作為運(yùn)放的電流?電壓轉(zhuǎn)換和放大電路，LM747H芯片構(gòu)造的二階巴特沃斯低通濾波電路以及ADS8320采樣電路組成。系統(tǒng)的背景噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示信號(hào)范圍在0.075～0.2 V之間，且數(shù)值較低、變化平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞： 雙色近紅外熒光掃描； 激光共聚焦； ARM處理器； 三維移動(dòng)； 信號(hào)采集

中圖分類號(hào)： TN219?34； TN24； TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

近年來，生物芯片掃描技術(shù)在生命科學(xué)、微電子、化學(xué)等領(lǐng)域廣泛使用。近紅外熒光采用熒光標(biāo)記技術(shù)，其染料具有獨(dú)特性，發(fā)射波長在700～1 200 nm，該范圍內(nèi)可以有效避免背景干擾，從而獲得較高分析靈敏度。雙色熒光染料被激發(fā)后，可以發(fā)射出兩種不同波長的近紅外熒光信號(hào)，被掃描儀接收后可以計(jì)量近紅外熒光值；再通過對(duì)比分析來減少測定時(shí)的某些干擾，以減少實(shí)驗(yàn)誤差、提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。近紅外熒光具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠?qū)崿F(xiàn)樣本的深層檢測，且對(duì)樣本造成損傷較低，也有利于活體樣本檢測。

激光共聚焦掃描技術(shù)是近來掃描系統(tǒng)多采用的一種熒光檢測技術(shù)。由于采用了探測針孔，因而視場大大減小，信噪比大大提高，可成高分辨率的像。目前激光共聚焦掃描多采用二維機(jī)械控制，即通過控制平面x，y軸來實(shí)現(xiàn)二維掃描。但由于掃描樣品的多樣性，所以樣品的發(fā)光點(diǎn)并不一定在焦平面上，這樣就不能達(dá)到高精度探測。雙色近紅外熒光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定量分析比較，能讓掃描結(jié)果更加直觀精準(zhǔn)[1?3]。本文針對(duì)雙色近紅外熒光掃描和激光共聚焦掃描原理，設(shè)計(jì)一款基于ARM控制的三維控制掃描系統(tǒng)。

1 雙色近紅外熒光的三維控制掃描原理

采用倒置式光學(xué)掃描系統(tǒng)，使用透明的硼硅酸鹽玻璃作為載物臺(tái)。由兩相混合式步進(jìn)電機(jī)（信濃?SST42D110XX）控制的二維精密位移平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊平移掃描；并采用精密絲杠構(gòu)成一維升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊的升降調(diào)焦[4]。因此，掃描系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)三維控制和對(duì)焦掃描。掃描控制原理如圖1所示。endprint

圖1中，激光器1和激光器2發(fā)出兩種不同波長的激光，在激光共聚焦技術(shù)下照射到玻璃載物臺(tái)上的樣品Sample，樣品Sample中的熒光物質(zhì)被激發(fā)，產(chǎn)生另外兩種不同波長的激發(fā)光，被信號(hào)接收器PMT1和PMT2接收到。其中ARM主控板控制x，y軸方向的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)二維位移平臺(tái)的移動(dòng)，和z軸方向的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)

一維升降。其中，通過z軸的移動(dòng)來控制鏡頭實(shí)現(xiàn)聚焦。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本控制系統(tǒng)基于ARM控制x，y，z三軸步進(jìn)電機(jī)，ARM微控制器的主要功能是和上位機(jī)通信，接收、處理步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)和命令，并實(shí)時(shí)傳遞電機(jī)當(dāng)前數(shù)據(jù)；并且控制激光器的開關(guān)，將采集到的信號(hào)傳輸給上位機(jī)。因而采用基于ARM Cortex?M4內(nèi)核的32位閃存微控制器STM32F407。

圖2為系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖，圖2中PMT為信號(hào)采集器。

系統(tǒng)采用開環(huán)驅(qū)動(dòng)電路控制方式，通過對(duì)輸入脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)來對(duì)步進(jìn)電機(jī)定位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確掃描[5]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主要功能是脈沖分配和功率放大，因此采用THB7128芯片作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示。THB7128是一款雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，且低導(dǎo)通電阻RON=0.53 Ω（上橋+下橋），耐壓DC 40 V，電流3.3 A（峰值）的專業(yè)兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。它內(nèi)部集成了細(xì)分、電流調(diào)節(jié)、CMOS功率放大等電路，配合簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)高性能、多細(xì)分、大電流的驅(qū)動(dòng)電路。

由圖3可知：CLK為輸入脈沖端；CW/W為電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制端；M1，M2，M3為細(xì)分設(shè)定端口；VM為輸入24 V電壓端；AOUT1，AOUT2，BOUT1，BOUT2為電機(jī)A，B相輸出端口；R11，R12為電機(jī)A，B相電流檢測電阻，R19～R22為電機(jī)保護(hù)電阻，防止電流過大燒毀電機(jī)；VREF為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流設(shè)定端，OSC1為斬波頻率設(shè)定端，J1為電機(jī)接口。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的設(shè)定，可通過調(diào)整VREF端電壓即可設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流，設(shè)定電流如下：

[IOUT=（VREF5）RS] （1）

式中：[RS]為NFA（NFB）外接檢測電阻；[VREF]一般小于3 V。只要通過調(diào)整RS的大小就可以得到本文需要的電流，此處通過分壓，設(shè)置VREF=2.2 V，RS = 0.22 Ω，可得輸出電流為1 mA。

斬波頻率由OSC1?GND間連接的電容C4依據(jù)下式設(shè)定：

[FCP=1C410-5] （2）

式中：FCP為斬波頻率（一般≤100 kHz）；電容C4值一般選在100～470 pF，該電容越大，斬波頻率越低，電機(jī)噪音也越明顯，電容值越小，斬波頻率越高，電機(jī)噪音相對(duì)低一些，發(fā)熱相對(duì)大一些。本文設(shè)置電容C4=200 pF，因而得到FCP = 50 kHz，滿足小于100 kHz的要求。

3 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集器采集到的熒光信號(hào)一般生成頻率較低的直流弱信號(hào)。對(duì)于微弱電流信號(hào)，應(yīng)首先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)（I?V），再經(jīng)放大電路的再次放大，然后利用低通濾波器濾除混雜在信號(hào)中的高頻噪聲，最后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）[6]。

3.1 光電倍增管

光電倍增管（PMT）是將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空電子器件。光電倍增管用在光學(xué)測量儀器和光譜分析儀器中，它能在低能級(jí)光度學(xué)和光譜學(xué)方面測量波長200～1 200 nm的極微弱輻射功率的光信號(hào)。圖4中列出H11461?02，H11461?03，H11461?09三種側(cè)邊PMT的陰極輻射敏感性。由于產(chǎn)生的兩束激發(fā)光波長在700～900 nm之間，因此由圖4光電倍增管特性圖了解，采用型號(hào)為H11461?03的側(cè)邊PMT作為信號(hào)采集器更符合本文需要。

3.2 電流?電壓轉(zhuǎn)換電路

噪聲和漂移問題影響著微弱電流檢測的分辨率和靈敏度，因此降噪降漂是檢測技術(shù)核心。對(duì)于要檢測的直流弱信號(hào)，頻率比較低，主要要求其線性度好，不存在暗電流，噪聲低，所以一般采用暗電流較小、不加偏置電壓的光電壓模式進(jìn)行精確測量分析[7?8]。在對(duì)輸入微弱光信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)中，運(yùn)算放大器的選擇直接影響著整個(gè)電路的性能，可以說運(yùn)算放大器的選擇對(duì)于電路起著至關(guān)緊要的作用，根據(jù)運(yùn)算放大器本身的參數(shù)性能選擇合適的用于特定場合的運(yùn)算放大器是非常重要的。通常對(duì)運(yùn)算放大器的要求參數(shù)有：失調(diào)電壓、輸入偏流、輸入噪聲密度、速率、電源電流[9]。本文采用OPA686作為電流?電壓轉(zhuǎn)換電路芯片，它具有高增益帶寬，低噪聲，大信號(hào)呈現(xiàn)，如圖5所示。則得到V=-R2IS。其中：IS為輸出電流；近似的電路增益A=-R2。

3.3 放大電路

對(duì)于檢測的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，雖然進(jìn)行了一次放大，但是為達(dá)到A/D芯片的轉(zhuǎn)換范圍，還需進(jìn)行第二次放大。采用OPA686作為運(yùn)算放大器的T型放大電路[10]，如圖5所示，其放大倍數(shù)AV為：

[AV=-1R3R5+R7+R5R7R6] （3）

圖5中T型放大電路通過改變R6可以獲得很高的放大倍數(shù)，并且能提高輸入阻抗。本設(shè)計(jì)通過圖5中各電阻計(jì)算得到AV=-5。

3.4 低通濾波

利用光電倍增管得到的信號(hào)不僅存在背景噪聲，電路和元器件也會(huì)有噪聲。由于采集到的信號(hào)為微弱信號(hào)，即使放大以后，噪聲也多為高頻信號(hào)；因此采用低通濾電路進(jìn)行濾波，這里采用二階巴特沃斯低通濾波電路[11?12]，如圖5所示，采用LM747H芯片構(gòu)造的二階巴特沃斯低通濾波電路，截止頻率為1 kHz。

該電路中參數(shù)確定方法如下：

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

其中濾波器截止頻率fC=1 kHz，電容C=0.1 μF，如果選定電容可根據(jù)公式：endprint

[R=12πfC]

計(jì)算出R值。K為濾波增益，Q為品質(zhì)因素，本文設(shè)計(jì)品質(zhì)因數(shù)Q為0.5。

3.5 A/D芯片

如圖5所示，采用ADS8320作為A/D采樣芯片。它是一款串行16位同步采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣頻率最高可達(dá)100 kHz，工作電壓在2.7～5.25 V之間。ADS8320作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用外部中斷向ARM芯片報(bào)告數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，再由ARM讀取數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)存滿后，PC機(jī)啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理和傳送數(shù)據(jù)程序。A/D數(shù)據(jù)采集流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)搭建調(diào)試，為了檢測數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和靈敏度，做背景噪聲實(shí)驗(yàn)；讓其中一個(gè)PMT在黑箱情況下每隔1 s采集一次數(shù)據(jù)，采集600次。采用的ADS8320的芯片的參考電壓VREF=4.096 V，如圖7所示，可以看出600 s內(nèi)采集到的背景噪聲信號(hào)，主要集中在0.075～0.2 V之間，背景噪聲比較低且數(shù)值變化平穩(wěn)。對(duì)背景噪聲信號(hào)做平均處理后，就是背景噪聲值；當(dāng)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，假設(shè)實(shí)際激發(fā)光值A(chǔ)、實(shí)際測量值B、背景噪聲值C，那么三者關(guān)系為A=B-C。

5 結(jié) 論

本文采用基于ARM控制的三維移動(dòng)結(jié)構(gòu)、利用激光共聚焦原理來實(shí)現(xiàn)雙色近紅外熒光的檢測。采用STM32F407作為主處理器的掃描平臺(tái)，具有運(yùn)算速度快、處理信號(hào)精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。由于是三維移動(dòng)結(jié)構(gòu)，考慮到儀器小型化，采用THB7128芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并能達(dá)到精準(zhǔn)且快速的移動(dòng)和定位。采用的H11461?03型號(hào)的PMT在檢測到信號(hào)能通過電流?電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)經(jīng)ARM傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；由背景噪聲試驗(yàn)可看到系統(tǒng)背景噪聲低、數(shù)值變化平穩(wěn)。

注：本文通訊作者為王弼陡。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅剛銀，王弼陡，繆鵬，等.激光共聚焦近紅外熒光掃描系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2015（1）：29?34.

[2] 王浩杰，羅正全.雙波長共聚焦生物芯片掃描儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2006，25（2）：30?33.

[3] 陸春光，王立強(qiáng)，陸祖康.雙波長激光共聚焦生物芯片掃描儀的研制[J].光學(xué)儀器，2005，27（5）：123?127.

[4] 趙立新，胡松，王肇志，等.激光共聚焦生物芯片掃描中的自動(dòng)調(diào)焦[J].微納電子技術(shù)，2006（11）：546?548.

[5] 方旭.基于ARM的多通道步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[6] 張石銳，鄭文剛，黃丹楓，等.微弱信號(hào)檢測的前置放大電路設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009（23）：223?224.

[7] 何玲玲.微弱光電信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2010.

[8] 楊茂，胡立群，段艷敏，等.微弱光電流信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2011，31（7）：734?738.

[9] 龔涵，陳浩宇.微弱光信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2007（27）：85?87.

[10] 盧莉萍，李翰山.微弱光電信號(hào)的檢測與采集[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4）：326?330.

[11] 劉小虎，邢靜.微弱光電信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2015（11）：64?66.

[12] 張白莉，郭紅英.基于EWB的巴特沃斯有源低通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，32（4）：77?79.endprint