LED植物補光源光量子通量密度的數據采集系統

王啟星, 徐景宏, 張昕昱, 王 通，劉 文

(1.中國科學技術大學物理學院，安徽 合肥 230026；2.中國科學技術大學先進技術研究院，安徽 合肥 230088)

引言

這幾年隨著LED技術的發展，以LED為農作物生長補光源的城市農業快速發展[1]。由于植物葉綠素的吸收光譜在紅光波段以及藍光波段有兩個主要的吸收峰[2-3]，導致這兩種光的光合效率最高[4]。此外，植物從發芽經過吸收營養進行生長再到開花的整個過程受到遠紅光影響[5-6]。所以現在植物工廠補光源以峰值波長450 nm的藍光LED、峰值波長660 nm的紅光LED以及峰值波長為735 nm的遠紅光LED為主要補光源[7]。又因為光合作用生成的分子數與光子能量無關，而近似與光合有效輻射吸收的光子的具體數量相關[8]，所以現在植物工廠中對補光源LED測量多以測量其光合有效光量子通量密度(photosynthetic photon flux density,PPFD)。因此設計一個可以探測出植物工廠補光源LED的PPFD數值的探測系統勢在必行，并且植物生長主要是吸收紅光和藍光，所以本次設計主要探測紅光以及藍光LED的PPFD。

為了實現上位所述的功能，本文設計了一個以FPGA芯片和USB2.0芯片為基礎的數據采集系統。由于FPGA運行程序的速度較快，需要開發的時間短，芯片的集成度較高，耗費的功率較低，內部包含高頻率的時鐘，組成形式靈活。因此本次設計采用FPGA作為主控芯片可以很好的完成實時的光量子數采集并且該采集系統具有重要的應用價值[9-10]。

1 系統設計

該系統主要有六個部分：①信號采集處理模塊；②ADC模擬量轉化數字量模塊；③FPGA主控模塊；④USB2.0芯片模塊；⑤上位機模塊；⑥系統電源模塊。該系統首先同過信號采集處理模塊將植物工廠補光LED光源的光強度轉化成電流分量，然后經過一定處理變成適合ADC的模擬輸入信號，然后信號經過ADC芯片，實現模擬量到數字量的轉變，這之后通過FPGA內部的AD芯片接口將轉化的數據儲存到FPGA內部FIFO中，然后再由內部USB接口從FIFO讀取數據傳送到USB2.0芯片當中，然后經過USB2.0接口將數據傳送到上位機當中，上位機將傳送的數據進行一定處理將采集量轉變為光量子數，然后在顯示頁面將數據顯示出來。而電源模塊負責給其他相應模塊(除上位及模塊以外)供電。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 System overall design block diagram

1 系統硬件設計

圖2所示為系統硬件整體設計框圖，硬件采集板主要包括光學傳感器模塊，模擬信號濾波整形電路，AD芯片相關電路，FPGA主控制芯片以及其外圍電路，USB2.0芯片以及其外圍電路等。

圖2 系統硬件整體設計框圖Fig.2 System hardware overall design block diagram

1)光學傳感器設計。根據圖3，植物光合作用主要吸收太陽光中的紅光以及藍光，所以現在植物工廠中多采用藍光LED(450 nm的峰值波長)以及紅光LED(660 nm的峰值波長)[7]，因此系統設計需要兩個光學傳感器，分別采集紅光LED光強以及藍光LED光強。光學傳感器主要由紅光或藍光濾光片，余弦修正片，PIN光電二極管構成，結構如圖4所示。

通過光學傳感器結構可知，光首先通過余弦修正片，然后經過紅光和藍光濾光片，最后產生光電流傳給后續電路。光電二極管采用QSB34CGR封裝的貼片式光電二極管。

圖4中余弦修正片主要作用是消除非垂直光照射時產生光電流所造成的誤差。藍色濾波片峰值波長在550 nm，帶寬大約為20 nm；紅色濾波片峰值波長660 nm，帶寬大約為30 nm左右。

圖3 植物葉綠素吸收光譜及典型植物照明LED光譜[11]，紅色實線為植物葉綠素a吸收光譜，橙色虛線為植物葉綠素b吸收光譜。藍色、紅色、黑色光譜分別為峰值波長為450 nm的藍光LED、峰值波長為660 nm的紅光LED和峰值波長為735 nm的遠紅光LEDFig.3 Absorption spectra of Plant chlorophyll and typical LED spectrums of plant lighting[11]. The red solid line is the absorption spectra of Plant chlorophyll a, the orange dotted line is the absorption spectra of Plant chlorophyll b. blue/red/black spectra respectively are blue(peak wavelength 450 nm) red(peak wavelength 660 nm)/far-red(peak wavelength 735 nm) LED

圖4 光學傳感器結構示意圖Fig.4 Optical sensor structure diagram

2)模擬信號濾波放大電路設計。LED光經過光學傳感部件轉化為一定量的光電流和開路電壓，但是此信號中包含一些噪聲(暗電流等)。因此需要通過濾波電路將噪聲處理掉，又因為光傳感裝置所產生的光電流和開路電壓很小，所以要經過一定放大，已達到后邊AD芯片的輸入信號要求。因此光傳感器產生的光電流要經過濾波放大電路進行初步處理。圖5所示就是具體的濾波放大電路的電路設計。

3)AD芯片選型以及接口電路設計。本設計采用某公司的AD7980芯片。其具體接口電路示意圖如圖6所示。

圖5 濾波放大電路的電路設計Fig.5 Circuit Design of Filter Amplifier Circuit

圖6 AD接口電路Fig.6 The interface circuit of AD

當開始進行數據采集時，首先FPGA先將SDI端口信號置為高電平，然后FPGA將CNV端口信號從低電平變成高電平，芯片在CNV信號上升沿時檢測到SDI端口信號為高電平，芯片選擇CS模式，并強制SDO端口進入高阻態。此模式下，CNV端口信號在轉換階段和隨后的數據回讀期間必須保持高電平(如果SDI和CNV為低電平，SDO變為低電平)。最小轉換時間之前SDI端口信號返回低電平，接著在最大轉換時間內保持低電平，然后SDO端口在一段時間低電平信號之后的第一個時鐘下降沿開始傳輸數據，當16位數據傳輸完畢時SDO端口變成高阻態，此時FPGA需要將SDI端口信號拉高，等待下一次的數據傳輸。

4)USB2.0芯片選型以及接口電路設計。當信號通過主控芯片FPGA處理之后，通過USB接口電路將處理后的數據傳送到USB2.0中，然后由USB2.0芯片將上位機進行處理讀取，因此USB接口電路尤為重要。本設計采用公司設計的高集成度、低功耗的EZ—USB FX2LP系列，具體芯片的型號是CY7C68013A的采用USB2.0協議的集成芯片。其具體接口電路如圖7所示。

圖7 USB接口電路[4]Fig.7 USB interface circuit

1.2 軟件設計

為了讓系統正常工作，除了硬件設計以外，還需要相應的軟件開發，軟件部分主要分兩個部分：主要控制芯片FPGA的相應程序開發，采用USB2.0通信協議的集成芯片的固件程序編寫。

1)主控芯片FPGA的軟件設計。本次設計關于FPGA設計主要分為三個部分：AD接口模塊設計，FIFO模塊設計，USB接口相關設計。具體FPGA軟件系統總體設計框圖如圖8所示。

①USB接口設計。主控芯片FPGA里的USB邏輯接口部分主要有兩個功能，一個是將上位機命令進項接收并將其“解讀”成對應芯片完成相應功能的控制信號，另一個是將之前獲得數據傳送到USB2.0芯片內部FIFO中，等待上位機的讀取處理。其具體連接如圖9所示。

②AD接口設計。AD接口部分主要是控制AD采集的讀取時間以及將AD采集到的數據讀取出來送到FPGA內部的FIFO中進行存儲。具體的設計連接如圖10所示。

AD采樣部分主要由四部分組成：①控制信號產生模塊；②AD采集時鐘產生模塊；③計數模塊；④數據傳輸模塊。

圖8 FPGA總體設計模塊Fig.8 FPGA overall design module

圖9 USB接口模塊設計圖Fig.9 USB interface module design

圖10 AD接口模塊設計圖Fig.10 AD interface module design

2)USB的固件程序設計。本文所使用的固化程序是在keil uvision2這個軟件環境下編寫然后在將此程序傳輸到USB芯片外部的ROM存儲器中，用于令USB2.0芯片可以完成基于USB2.0協議下的數據傳輸，具體的程序流程圖如圖11所示。

圖11 USB固件程序流程圖[12]Fig.11 USB firmware program flow chart[12]

如圖11所示，在給系統通電并通過外部復位按鍵將系統復位以達到將程序中所使用的程序變量置為初始狀態，這之后采用TD_lnit()函數，令USB2.0芯片變為初始狀態并且讓USB芯片中各種中斷處于使能狀態，然后就是通過判斷重枚舉FLAG位是不是1，如果FLAG位為1的話這說明該芯片需要重枚舉，然后PC機將相應的驅載程序下載到USB2.0芯片中。如果FLAG位不為1，則該程序需要等到上位機傳送過來命令信號包之后才繼續運行，而后程序將對收到的命令信號包進行“解析”，看是不是SETUP包，如果收到了SETUP信號包則解析剩余控制命令包并完成相應的指令，如果沒有收到SETUP包，則運行自定義的循環查詢程序，如果在查詢之中接收到中斷信號，芯片立刻掛起直到有效的喚醒信號傳送進來。

2 實驗驗證

數據通過USB2.0通信協議從電路板上傳輸到上位機中，此時探測到的數據為經過處理后的PIN光電二極管兩端的電壓而不是我們所要的PPFD值，所以我們需要對探測到的數據進行一定標定，又由于紅、藍光的PPFD值分別與其對應的PIN光電二極管兩端電壓成線性關系[13]，所以只需將所測的PIN光電二極管兩端電壓與實際的PPFD值進行擬合即可以完成相應標定。

具體標定的方法是將加載了2.2 V電壓的單顆紅色LED，放在標準暗室之中，用相應的控制器完成光通量控制(該控制器主要是通過基于DMX512協議的PWM調制實現的)。并且通過該控制器將單顆LED兩端的電壓占空比以每次提高5%的刻度，從初始的0%到最后的100%，記錄上位機采集到的電壓值，以及用放上了和系統中PIN光電二極管同材料、同厚度的紅光濾光片的PQS-1傳感器讀出，然后經兩組數值進行擬合。藍光的擬合方式也是如此。

從圖16、圖17可以得出紅光通道以及藍光通道的擬合方程為

圖12 采集系統紅光通道標定曲線Fig.12 RED channel’s calibration curve of system

VRa=εRaPPFDRa+βRa=1.023 3PPFDRa-5.692

(1)

VBa=εBaPPFDBa+βBa=1.554 5PPFDRa-10.501

(2)

將式(1)、式(2)寫入到上位機程序中，將顯示的電壓值轉化成PPFD值，上位機顯示界面如圖14所示。

圖13 采集系統藍光光通道標定曲線Fig.13 Blue channel’s calibration curve of system

圖14 上位機顯示界面Fig.14 PC display interface

3 結語

為了實現實時準確探測植物工廠中紅光LED以及藍光LED的PPFD值，本次設計采用了一個以FPGA芯片和USB2.0芯片為基礎的數據采集系統。由于FPGA運行程序的速度較快，需要開發的時間短，芯片的集成度較高，耗費的功率較低，內部包含高頻率的時鐘，組成形式靈活。此文中給除了相應的硬件設計、FPGA程序開發流程圖以及USB固化程序流程圖。并通過實驗測試驗證了該系統的硬件系統設計的合理性以及軟件系統的有效性，通過實驗數據證實了該系統可以穩定并且準確采集到相應的數據，實現了對植物補光源LED的PPFD值實時準確測量。

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