吳 寧 曹 煊 褚東志馬 然 吳丙偉 張穎穎 張述偉 張 穎

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山東 青島 266001；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

原位海水葉綠素a含量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳 寧2曹 煊1褚東志2馬 然2吳丙偉2張穎穎1張述偉1張 穎1

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，山東 青島 266001；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所2，山東 青島 266001)

為了檢測(cè)LED激發(fā)海水浮游植物體內(nèi)的葉綠素a所發(fā)出的痕量熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)海水葉綠素a含量檢測(cè)，預(yù)防赤潮等災(zāi)害，設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)和FPGA的數(shù)字鎖相放大器。FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正交矢量數(shù)字鎖相放大和LED光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)DDS的產(chǎn)生；STM32單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償以及通信接口等功能。試驗(yàn)證明，該方案不僅能在自然環(huán)境下完成海水葉綠素a的實(shí)時(shí)檢測(cè)，且具有較高的測(cè)量精度?；谠摲桨傅脑缓Ｋ~綠素a傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便攜、精度高、穩(wěn)定性高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

葉綠素a 熒光信號(hào) LED 傳感器 數(shù)字鎖相放大器 實(shí)時(shí)檢測(cè)

0 引言

海水葉綠素a濃度直接反映了浮游植物的活躍度和生物量，因此葉綠素a濃度檢測(cè)已經(jīng)成為評(píng)價(jià)海洋水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)化和預(yù)測(cè)赤潮災(zāi)害的最重要參數(shù)[1-3]。目前，在線檢測(cè)海水葉綠素a濃度最有效的方法是熒光檢測(cè)法，通過(guò)中心波長(zhǎng)為470 nm的LED激發(fā)浮游植物體內(nèi)葉綠素a發(fā)出熒光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量熒光信號(hào),間接跟蹤水體營(yíng)養(yǎng)化程度的變化。但激發(fā)出的熒光信號(hào)為痕量信號(hào)，易受到環(huán)境光等背景光影響而淹沒(méi)在強(qiáng)噪聲背景下，因此采用傳統(tǒng)模擬、放大、濾波等檢測(cè)方法檢測(cè)該類信號(hào)非常困難[4-5]。為了提取和測(cè)量強(qiáng)噪聲背景下的痕量熒光信號(hào)，提出了一種數(shù)字正交鎖相放大(digital lock-in amplifier，DLIA)檢測(cè)技術(shù)。該方法基于互相關(guān)原理，使輸入待測(cè)的微弱周期信號(hào)與頻率相同的參考信號(hào)在相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，從而有效地檢測(cè)出深埋在大量非相關(guān)噪聲中的痕量熒光信號(hào),完成葉綠素a的檢測(cè)。該方法顯著提高了測(cè)量信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度，彌補(bǔ)了模擬器件存在的溫度漂移、噪聲大等缺點(diǎn)[6]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由中心波長(zhǎng)為460 nm、作為激發(fā)光源(窄角15°)的高亮度藍(lán)光LED、S2386- 44K型光電接收器、正交矢量數(shù)字鎖相放大器以及作為溫度補(bǔ)償?shù)腄S18B20溫度傳感器組成。為了實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、模塊化葉綠素a檢測(cè)儀器，整個(gè)系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。系統(tǒng)是以STM32和FPGA為核心的檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 The principle of detection system

1.1 FPGA模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的FPGA模塊主要包括直接頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)、相敏檢波(phase sensitive detection,PSD)和IIR低通數(shù)字濾波(infinite impulse response filter,IIR)。DDS信號(hào)發(fā)生單元采用基于查表法和CORDIC算法相結(jié)合的原理設(shè)計(jì)完成，利用較少的硬件資源和存儲(chǔ)資料實(shí)現(xiàn)較高精度和較低延時(shí)的1 kHz調(diào)制正余弦信號(hào)的產(chǎn)生，以避除外界背景雜光的影響[7-8]。除此之外,DDS單元也為PSD提供了正交參考信號(hào)。PSD主要由乘法器組成，它對(duì)同頻率的被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算,得到和頻與差頻信號(hào)。和頻信號(hào)經(jīng)過(guò)IIR低通濾波器以后，可以濾出所有頻率高于截止頻率的信號(hào)，差頻信號(hào)為直流信號(hào)。為了提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA Cyclone II器件，它具有豐富的運(yùn)算單元和RAM存儲(chǔ)單元，適合實(shí)時(shí)性信號(hào)處理。

1.2 鎖相放大器檢測(cè)原理

如圖1所示，假設(shè)輸入被測(cè)信號(hào)Y為Y=s1(t)+n(t)，由DDS信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的正交參考信號(hào)f1=s2(t)、f2=s3(t)，假設(shè)s1(t)=Asin(2πft+φ)、s2(t)=sin(2πft)、s3(t)=cos(2πft)。由于被測(cè)信號(hào)Y與參考信號(hào)f1、f2的頻率相同，則有：

Yf1(t)=Asin(2πft+φ)sin(2πft)+

(1)

Yf2(t)= Asin(2πft+φ)cos(2πft)+

(2)

從式(1)和式(2)可以看出，由于輸入信號(hào)和參考信號(hào)的頻率相同，經(jīng)過(guò)積化和差公式后得到一個(gè)和頻信號(hào)和一個(gè)差頻信號(hào)，其中和頻信號(hào)為高頻信號(hào)，差頻信號(hào)為直流信號(hào)。經(jīng)過(guò)窄帶低通濾波之后(其中截止頻率fc≤f),就可以濾除高頻，得到如式(3)和式(4)所示的同相輸出M和正交輸出N。通過(guò)STM32運(yùn)算單元的處理，可以得到待測(cè)有用信號(hào)Y的幅值A(chǔ)和相位φ[8-11]。

(3)

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32是本系統(tǒng)的主控部分，主要完成數(shù)據(jù)處理、溫度補(bǔ)償和通信。其中STM32的數(shù)據(jù)中斷程序流程圖如圖2所示。

圖2 STM32中斷程序流程圖Fig.2 Flowchart of the interrupt routine in STM32

經(jīng)過(guò)鎖相放大器輸出的數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)STM32的外部中斷，從而使STM32讀取鎖相放大器數(shù)據(jù)并對(duì)連續(xù)采樣得到的100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，以抑制干擾。然后將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)定的葉綠素a與熒光強(qiáng)度的線性關(guān)系轉(zhuǎn)換為葉綠素a的濃度值，并通過(guò)溫度補(bǔ)償算法對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行修正，從而得到正確結(jié)果，最后通過(guò)USB或者RS- 485將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)。

1.4 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3 The principle of LED drive circuit

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電路系統(tǒng)噪聲性能測(cè)試

為了驗(yàn)證電路的性能，將輸入端用小電阻與地短接，實(shí)測(cè)10組數(shù)據(jù)輸出，結(jié)果如表1所示。

表1 電路輸出噪聲Tab.1 Output noises of the circuit

2.2 對(duì)比試驗(yàn)

基于上述原理所制成的葉綠素a檢測(cè)儀在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境標(biāo)定之后，分別對(duì)不同濃度的葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)溶液與美國(guó)YSI葉綠素a測(cè)試儀進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 比對(duì)試驗(yàn)Tab.2 The inter-comparison tests

從表2可以看出,該儀器表現(xiàn)出良好的性能，反映了葉綠素a濃度與熒光的良好的線性關(guān)系。同時(shí)，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)最低檢出限0.1 μg/L，與美國(guó)YSI葉綠素a測(cè)試儀基本具有相同的測(cè)量精度。此外，該儀器還具有低噪聲、低功耗、低漂移以及高靈敏度等特點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)以葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，利用互相關(guān)原理實(shí)現(xiàn)了痕量熒光信號(hào)的檢測(cè)?；跀?shù)字正交鎖相放大器原理設(shè)計(jì)完成的傳感器，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，該儀器不僅能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)海水中葉綠素a，并且具有諧波抑制能力強(qiáng)、無(wú)直流漂移、功耗低、便攜化、精度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)的反應(yīng)強(qiáng)度與葉綠素a濃度具有很好的線性關(guān)系，能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地反映海水中葉綠素a濃度的變化趨勢(shì)，可與國(guó)外傳感器媲美。同時(shí)該儀器可以作為水質(zhì)傳感器，用于水質(zhì)多參數(shù)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，也可用于海水濁度參數(shù)的檢測(cè)。

[1] 王巖石，張杰，孫培光，等.用于海洋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的小型葉綠素a熒光計(jì)和濁度計(jì)[J].海洋技術(shù)，2007，26(1)：29-33.

[2] 胡輝，謝靜.葉綠素a在監(jiān)視赤潮和評(píng)價(jià)海水環(huán)境中的應(yīng)用[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2005，13(5)：43-44.

[3] 董大圣，程群，陳世哲，等.原位葉綠素a和濁度傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(10)：15-17.

[4] 李璟，樂(lè)靜，萬(wàn)文博，等.LED誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒夤庾V檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].分析儀器，2014(2)：11-15.

[5] 武會(huì)江，張曉，王蒙，等.葉綠素?zé)晒鈾z測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，37(7)：121-124.

[6] 康躍騰，胡曉婭，汪秉文.基于鎖相放大原理的微弱信號(hào)檢測(cè)電路[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(6)：162-164.

[7] 倪士虎，劉先勇，曹新丹，等.基于FPGA的LIA設(shè)計(jì)及其在光聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電子科技，2013，26(12)：110-113.

[8] 范松濤，周燕，張強(qiáng)，等.基于FPGA的數(shù)字鎖相放大器在氣體探測(cè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(11)：3027-3041.

[9] 梁世盛，喬鳳斌，張燕.基于FPGA的數(shù)字相敏檢波算法實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2013，34(11)：13-16.

[10]孫紅兵，莫永新.微弱光電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(18)：156-158.

[11]吳明華，鄭剛，江斌，等.一種新的應(yīng)用于鎖相放大器的數(shù)字相關(guān)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(12)：2824-2827.

Design of the In-situ Detection System for the Content of Chlorophyll-a in Seawater

To detect the trace amount of fluorescence signals emitted from chlorophyll-a inside hytoplankton in seawater under LED excitation for implementing detection of chlorophyll-a in seawater, and protecting red tide and other disasters, the digital lock-in amplifier has been designed based on STM32 single chip computer and FPGA. The orthogonal vector lock-in amplifier and generation of the LED light source modulation driving signal DDS are realized by FPGA; while the functions of data processing, temperature compensation and communication are accomplished by STM32. The results of experiments indicate that design scheme can detect chlorophyll-a in seawater in real time under natural environment, and offer higher measurement accuracy. The in-situ seawater chlorophyll-a sensor based on this scheme features simple structure and easy to carry, high accuracy, high stability, and strong anti-interference capability, and possesses wide applicable prospects.

Chlorophyll-a Fluorescent signal LED Sensor Digital lock-in amplifier(DLIA) Real-time detection

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：41206076)；

國(guó)際合作基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013DFR90220)；

青島市基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：13-1-4-160-jch)。

吳寧(1987-)，男，2013年畢業(yè)于北京化工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事海洋儀器儀表研發(fā)、微弱信號(hào)檢測(cè)與處理、智能控制的研究。

TH13

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506020

海洋公益性行業(yè)專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(編號(hào)：201005025)；

修改稿收到日期：2014-12-24。