基于USB2.0的单色光源外围电路设计

1．引言

自20世纪70年代第一次观察到室温下溶液中单个分子发光的现象以来，单个分子或少许分子的荧光显微检测技术已经越来越引起人们的重视^[1]。图1是典型的胞内钙离子浓度荧光显微检测系统的结构图。整个系统主要包括以下几个部分：单色激发光源系统、光学耦合系统、荧光显微镜、微弱荧光检测系统、计算机等。其原理如下：单色激发光源在计算机控制下发出所需要的单色激发光，经光纤和耦合系统被引入荧光显微镜，并聚焦到样本平面，激发细胞中的荧光探针发出荧光，微弱荧光检测系统（包括电荷耦合器件CCD和光电倍增管PMT）采集并记录荧光信号，最后输入计算机进行数据处理。

在荧光显微、荧光强度检测、荧光成像等荧光检测系统中单色激发光源是其中重要的组成部分。单色激发光源既可以和荧光显微镜组成单细胞荧光显微系统使用，也可单独使用在其他需要激发荧光的场合。这种通用性很强的单色激发光源一般由氙灯、高压启动和恒流供电电源、控制电路和闪耀光栅等一系列精密的光学元件组成。氙灯的发光光谱接近于太阳光谱，光谱连续，适合作为单色光源的激发光源，但是氙灯点火时瞬时功率较大，稳态工作时发热量也较大，会对单色光源中其他的电子部件产生一定的影响。目前，国外研制的应用于荧光检测和成像系统的单色光源均具有较为完善的监控和保护功能^[2]。在研究国外公开的产品资料的前提下，我们在国内率先自行研制开发具有自主知识产权的单色激发光源系统。

2、系统总体介绍

外围电路系统如图2所示，由PC机的光学扫描应用程序和以Cypress公司的USB2.0接口芯片EZ-USB FX2 CY7C68013（以下简称FX2）为核心处理器的硬件电路系统组成。

温度监测电路配合FX2对氙灯光源室的温度进行监测，由FX2控制的数模转换电路及信号调理电路实现对光栅扫描定位器的控制功能，有机发光显示器（Organic Light Emitting Display，OLED）组成的显示接口电路作为人机界面的显示，光感应电路用于监测氙灯的工作状态，继电器及其驱动电路配合FX2实现单色激发光源的各部分电路按照预定程序加电。

       图1 荧光测钙系统的原理图            

  图2 外围电路系统结构图            

3、硬件设计原理与方案

3.1核心处理器EZUSB FX2的性能简介

核心处理器采用Cypress公司的EZUSB FX2。EZUSB FX2是一款满足USB2.0协议同时兼容USB1.1传输协议的功能强大的接口芯片。它是在一个增强型的8051单片机内核的基础上，集成了一个串行接口引擎(SIE)，和一系列的端点（Endpoint）。这些端点既可以被增强型的8051访问也可以被串行接口引擎访问。从增强型8051的角度来看这些端点都可以看作其外部的扩展缓冲区。串行接口引擎用以完成对USB协议的封包和解包，同时屏蔽了底层信号的电器特性。为了缩短USB设备的开发周期，Cypress公司为USB设计者提供了EZUSB系列的固件程序框架，本系统中的FX2固件均在这个固件程序框架的基础上进行编写^[3]。

3.2光栅控制模式选择和定位器驱动电路设计

3.2.1光栅定位器驱动模式选择电路设计

闪耀光栅及其定位器是单色光源系统中的关键部件，在单色光源的设计中我们选用了美国CTI公司的光栅定位器（Mirror Positioning System）。为方便用户对单色激发光源控制并提高单色光源控制系统的智能程度。在单色光源控制系统中我们设计了三种光栅定位器控制方式：（1）数据采集器控制方式，即利用荧光显微检测实验中数据采集器输出的模拟电压来控制光栅定位器。（2）手控板控制方式，通过配备给用户的手控板可以直接控制光栅定位器输出用户指定波长的单色光。（3）USB接口控制方式，用户直接通过计算机的USB接口运用本系统中光学扫描应用程序，控制光栅定位器输出实验所需的单色光。该部分电路原理如图3所示。FX2控制低阻抗的模拟开关DG409实现控制模式的选择，在数据采集器控制模式下，FX2控制模拟开关将控制通道切向数据采集器模拟量接口，在手控板和USB控制模式下FX2将模拟开关切向DAC输出信号端。LF347组成跟随电路提高光栅定位器控制信号的负载能力。

3.2.2基于USB2.0传输协议的光栅定位器驱动电路设计

       利用USB协议的“热拔插”的优点，方便用户对单色激发光源的操作，我们设计了基于USB2.0传输协议的光栅定位器控制电路，该部分的电路原理如图3所示。AD5322为12位精度、单电源供电、输出缓冲为轨－轨的串行数模转换器，FX2与PC机以USB2.0协议中中断优先级较高的控制传输方式通讯，接收PC机发送的波长扫描数据。FX2内集成的增强型8051单片机将波长数据转换后得到相对应的电压数据，再由8051内核的输出至AD5322。这样上位机发送的波长数据就转换成为相对应的模拟电压（0V~+5V）。由于CTI的光栅定位器的输入电压范围为（－10V~+10V）。因此，数模转换器输出的电压还必须经过信号调理电路进行调理。信号调理电路由运算放大器LF347组成，调理电路中输出和输入的关系为：V_o=4V_i－10。调理后的输出电压即为光栅定位器所需的电压，由DAC_OUT信号接口输出至DG409进行选择。

图3 光栅定位器控制模式切换电路        

 图4 数模转换及信号调理电路

3.3单色光源工作状态监测电路的设计

3.3.1温度监测电路设计

       为保证单色光源长时程工作的安全性，必须对单色光源系统中氙灯室的温度进行监测，其温度监测的误差应保证在 ºC范围内。在单色光源稳定工作时，氙灯室的温度可能超过150ºC，因此，我们选择了温度探测范围大（-100～630°C）的Pt100作为温度传感器，进而结合模数转换器ICL7109采用比率法四线制电阻的温度测量方案^[4]（如图5）。模数转换器ICL7109为12位的双线性积分A/D转换器，其具有两个差分输入端REFIN+、REFIN-和两个参考电压输入端INHI、INLO。ICL7109的数据和状态输出端口B1~B12、STATUS、POL、OR可与FX2直接进行连接，COMMAND等ICL7109的控制端口则通过74HC573进行电平转换后和FX2连接。其工作原理：R为限流电阻，R_f为参考电阻，R1、R2、R3、R4为传输线的等效电阻，由于ICL7109具有高输入阻抗，流过R2、R3的电流以及R2、R3的压降可以忽略不计。按照比率法的原理可以得到：

V_f /V_t=R_f /R_t=2048/K                                                (1)

式中,V_f 为参考电阻上的电压;V_t为Pt100电阻上的电压值;R_t为Pt100的电阻值;K为A／D采样值。R_f的值是选定的（一般选择温度测量上限值时Pt100电阻值的1/2,本系统中选用的参考电阻值为150 ,精度 ），ICL7109转换后的数值为Pt100电阻与参考电阻的比值。由公式（1）可以得到Pt100的电阻值。依据国际温度标准90(ITS-90)，Pt100电阻值R_t的三次拟合公式为

                    (2)

R₀为Pt100电阻在0℃时的标称值A＝3.9083×10^－3，B＝-5.755×10^－7，T<0℃时，C＝-4.183×10^－12，当T>0℃时，C＝0。进而可以计算得到当前的温度值。在ICL7109与FX2的接口电路的设计上面应该注意到以下几点：（1）FX2的高电平输出驱动能力有限，与ICL7109接口时应加上电平转换器件（如74HC573或74HC244等）。（2）为减小Pt100自发热效应带来测量误差，限流电阻R要选择适当（本系统选用2.2K ）。（3）由于FX2的端点占用了其内部8051内核外部地址的一部分，如采用直接访问的方式来读取ICL7109的数据，ICL7109的地址应设定在0x2000～0xDFFF之间。

3.3.2 工作状态显示电路设计

荧光检测实验一般都在暗室中进行,为了显示单色激发光源的工作状态，本系统还