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)光點并不一定在焦平面上；雙色近紅外熒光掃描分析可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)對比以及準確的量化分析。因此，設計基于激光共聚焦原理的ARM控制、三維移動、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三軸步進電機的驅動，可以實現(xiàn)快速定位和精準掃描。信號采集電路由H11461?03型號的側邊PMT，以OPA686芯片作為運放的電流?電壓轉換和放大電路，LM747H芯片構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)的背景噪聲實驗結果顯示信號范圍在0.075～0.2 V之間，且數(shù)值較低、變化平穩(wěn)。

關鍵詞： 雙色近紅外熒光掃描； 激光共聚焦； ARM處理器； 三維移動； 信號采集

中圖分類號： TN219?34； TN24； TM933 文獻標識碼： A 文章編號： 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，生物芯片掃描技術在生命科學、微電子、化學等領域廣泛使用。近紅外熒光采用熒光標記技術，其染料具有獨特性，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，被掃描儀接收后可以計量近紅外熒光值；再通過對比分析來減少測定時的某些干擾，以減少實驗誤差、提高實驗的準確性。近紅外熒光具有較強的穿透能力，能夠實現(xiàn)樣本的深層檢測，且對樣本造成損傷較低，也有利于活體樣本檢測。

激光共聚焦掃描技術是近來掃描系統(tǒng)多采用的一種熒光檢測技術。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械控制，即通過控制平面x，y軸來實現(xiàn)二維掃描。但由于掃描樣品的多樣性，所以樣品的發(fā)光點并不一定在焦平面上，這樣就不能達到高精度探測。雙色近紅外熒光掃描技術可以實現(xiàn)定量分析比較，能讓掃描結果更加直觀精準[1?3]。本文針對雙色近紅外熒光掃描和激光共聚焦掃描原理，設計一款基于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

采用倒置式光學掃描系統(tǒng)，使用透明的硼硅酸鹽玻璃作為載物臺。由兩相混合式步進電機（信濃?SST42D110XX）控制的二維精密位移平臺，實現(xiàn)光學模塊平移掃描；并采用精密絲杠構成一維升降機構，實現(xiàn)光學模塊的升降調(diào)焦[4]。因此，掃描系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維控制和對焦掃描。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，在激光共聚焦技術下照射到玻璃載物臺上的樣品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軸方向的步進電機實現(xiàn)二維位移平臺的移動，和z軸方向的步進電機實現(xiàn)

一維升降。其中，通過z軸的移動來控制鏡頭實現(xiàn)聚焦。

2 電機驅動

本控制系統(tǒng)基于ARM控制x，y，z三軸步進電機，ARM微控制器的主要功能是和上位機通信，接收、處理步進電機的相關參數(shù)和命令，并實時傳遞電機當前數(shù)據(jù)；并且控制激光器的開關，將采集到的信號傳輸給上位機。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)硬件電路設計圖，圖2中PMT為信號采集器。

系統(tǒng)采用開環(huán)驅動電路控制方式，通過對輸入脈沖信號的計數(shù)來對步進電機定位，實現(xiàn)系統(tǒng)精確掃描[5]。步進電機驅動器的主要功能是脈沖分配和功率放大，因此采用THB7128芯片作為步進電機的驅動器，如圖1所示。THB7128是一款雙全橋MOSFET驅動，且低導通電阻RON=0.53 Ω（上橋+下橋），耐壓DC 40 V，電流3.3 A（峰值）的專業(yè)兩相步進電機驅動芯片。它內(nèi)部集成了細分、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現(xiàn)高性能、多細分、大電流的驅動電路。

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

[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，電機噪音也越明顯，電容值越小，斬波頻率越高，電機噪音相對低一些，發(fā)熱相對大一些。本文設置電容C4=200 pF，因而得到FCP = 50 kHz，滿足小于100 kHz的要求。

3 信號采集電路設計

信號采集器采集到的熒光信號一般生成頻率較低的直流弱信號。對于微弱電流信號，應首先把電流信號轉換成電壓信號（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中的高頻噪聲，最后進行模/數(shù)轉換（A/D）[6]。

3.1 光電倍增管

光電倍增管（PMT）是將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件。光電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中，它能在低能級光度學和光譜學方面測量波長200～1 200 nm的極微弱輻射功率的光信號。圖4中列出H11461?02，H11461?03，H11461?09三種側邊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，采用型號為H11461?03的側邊PMT作為信號采集器更符合本文需要。

3.2 電流?電壓轉換電路

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核心。對于要檢測的直流弱信號，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行精確測量分析[7?8]。在對輸入微弱光信號檢測電路的設計中，運算放大器的選擇直接影響著整個電路的性能，可以說運算放大器的選擇對于電路起著至關緊要的作用，根據(jù)運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算放大器是非常重要的。通常對運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?電壓轉換電路芯片，它具有高增益帶寬，低噪聲，大信號呈現(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

對于檢測的電流信號轉換成電壓信號后，雖然進行了一次放大，但是為達到A/D芯片的轉換范圍，還需進行第二次放大。采用OPA686作為運算放大器的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。本設計通過圖5中各電阻計算得到AV=-5。

3.4 低通濾波

利用光電倍增管得到的信號不僅存在背景噪聲，電路和元器件也會有噪聲。由于采集到的信號為微弱信號，即使放大以后，噪聲也多為高頻信號；因此采用低通濾電路進行濾波，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]

計算出R值。K為濾波增益，Q為品質(zhì)因素，本文設計品質(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)轉換器，采樣頻率最高可達100 kHz，工作電壓在2.7～5.25 V之間。ADS8320作為模數(shù)轉換芯片，采用外部中斷向ARM芯片報告數(shù)據(jù)轉換結束，再由ARM讀取數(shù)據(jù)到存儲區(qū)，當存儲區(qū)存滿后，PC機啟動數(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 實驗結果與分析

對設計的系統(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，做背景噪聲實驗；讓其中一個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，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)。對背景噪聲信號做平均處理后，就是背景噪聲值；當進行試驗時，假設實際激發(fā)光值A、實際測量值B、背景噪聲值C，那么三者關系為A=B-C。

5 結 論

本文采用基于ARM控制的三維移動結構、利用激光共聚焦原理來實現(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，具有運算速度快、處理信號精準等優(yōu)點。由于是三維移動結構，考慮到儀器小型化，采用THB7128芯片作為電機驅動，并能達到精準且快速的移動和定位。采用的H11461?03型號的PMT在檢測到信號能通過電流?電壓轉換、放大、濾波、A/D轉換后，輸出信號經(jīng)ARM傳輸?shù)缴衔粰C；由背景噪聲試驗可看到系統(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

[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)光學設計[J].應用光學，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)設計[J].國外電子測量技術，2006，25（2）：30?33.

[3] 陸春光，王立強，陸祖康.雙波長激光共聚焦生物芯片掃描儀的研制[J].光學儀器，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調(diào)焦[J].微納電子技術，2006（11）：546?548.

[5] 方旭.基于ARM的多通道步進電機控制系統(tǒng)設計[D].成都：西南交通大學，2014.

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

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

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

[9] 龔涵，陳浩宇.微弱光信號檢測電路的設計與實現(xiàn)[J].科技信息，2007（27）：85?87.

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

[11] 劉小虎，邢靜.微弱光電信號檢測電路設計[J].機械與電子，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計與仿真[J].吉林師范大學學報（自然科學版），2011，32（4）：77?79.endprint