CN110806669B - 一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，基于MOFs电致变色材料，利用SOPC技术实现材料光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配，其特征在于，所述自适应控制系统包括前端调整电路、数据采集模块、数据处理模块和自适应控制模块。本发明基于Cydone IV E为核心芯片的SOPC系统开发平台，自主完成系统硬件设计，在硬件平台上通过QuartusⅡ集成开发环境对NIOSⅡ实时操作系统进行移植剪裁，实现数据采集控制系统。将该系统用于金属有机框架化合物电致变色器件的控制，利用变色器件的光电响应双重功能，可实现光电特性的自适应变化，使主体材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度匹配。

Description

一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统及方法
技术领域
本发明属于材料控制领域，特别涉及一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统及方法。
背景技术
根据所处环境能够改变颜色的材料和器件，在可见光隐身和人工智能领域有着广阔的应用前景。但目前的变色响应器件通常基于气、光、热等刺激源或控制手段，变色效果不明显，协调性差且难以适应多变的环境。常用的控制器件存在非线性及参数不一致现象，在更换器件时因放大器零漂而需要对电路重新调试等问题。在信号采集输出控制技术上，主要以CPU或单片机为核心的控制系统，这些以软件方式控制操作和运算的系统速度远低于纯硬件系统的速度，且可靠性不高。可编程片上系统(System on a Programmable Chip，SOPC)是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统(System on Chip，SOC)，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。
发明内容
本发明的目的是：基于可编程片上系统设计变色响应器件。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，基于MOFs电致变色材料，利用SOPC技术实现材料光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配，其特征在于，所述自适应控制系统包括前端调整电路、数据采集模块、数据处理模块和自适应控制模块，其中：
不同颜色的光照射在MOFs电致变色材料上时，MOFs电致变色材料产生相对应的微小电流信号，前端调整电路用于采集该微小电流信号，前端调整电路将微小电流信号放大后，消除极化电压以及噪声的干扰，再将电流信号转换为模拟电压信号；
数据采集模块，用于将前端调整电路输出的模拟电压信号转换成数字信号；
数据处理模块，利用现场可编程门阵列FPGA集成的数字信号处理器DSP乘加模块定制卷积运算单元，生成脉动阵列结构的有限长单位冲激响应FIR滤波器，FIR滤波器对接收到的数字信号进行实时滤波处理；
自适应控制模块，将经过数据处理模块滤波处理后的数字信号和预留的采样数据进行分析比对，当通过前端调整电路及数据采集模块采集到的数据达到预期范围，控制输出相应额定电压反馈于MOFs电致变色材料，使MOFs电致变色材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配。
优选地，所述前端调整电路采用AD8421放大器实现所述微小电流信号的放大，通过二级低通滤波器消除所述极化电压以及所述噪声的干扰，利用MAX4081芯片将电流信号转换为所述模拟电压信号。
优选地，所述数据采集模块采用AD7621作为转换器件，AD7621的最高采样率为3Mbps，量化位数为16位，最高分辨率为62.5μV。
优选地，所述数据处理模块以FPGA作为硬件平台，应用SOPC技术搭载NIOSⅡ软核，根据实际控制要求，灵活地对硬件及软核进行裁剪。
优选地，所述MOFs电致变色材料为溶剂热反应在导电玻璃基片上制备的卟啉基MOFs薄膜。
本发明的另一个技术方案是提供了一种MOFs电致变色材料的自适应控制方法，其特征在于，采用上述的自适应控制系统，MOFs电致变色材料在不同色彩的光照下产生不同的电流信号，由上述的自适应控制系统对电流信号进行采集分析，利用QuartusⅡ与ModelSim软件进行编译和仿真，得到仿真波形，经过处理的信号符合设计预期采集信号，控制输出相应额定电压反馈于MOFs电致变色材料，使MOFs电致变色材料实现从透明到红、绿、蓝三色之间的转换。
本发明基于Cydone IV E为核心芯片的SOPC系统开发平台，自主完成系统硬件设计，在硬件平台上通过QuartusⅡ集成开发环境对NIOSⅡ实时操作系统进行移植剪裁，实现数据采集控制系统。将该系统用于金属有机框架化合物(Metalorganic Frameworks，MOFs)电致变色器件的控制，通过连接外接逻辑控制，利用变色器件的光电响应双重功能，可实现光电特性的自适应变化，使主体材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度匹配。
本发明基于MOFs电致变色材料，以FPGA为核心，采用SOPC技术开发设计，使系统在以下方面有更好的性能：
(1)本发明基于MOFs电致变色材料，采用溶剂热反应在导电玻璃基片上附着一层MOFs薄膜，薄膜具有多孔结构、优良的电化学稳定性和优异的电致变色性能。
(2)本发明中，针对数据采集信号微弱、周围环境干扰等问题，设计了前端调整电路，采用AD8421放大器实现电流信号放大，具有极高共模抑制比和极低的噪声，特别适合对小信号的放大。通过二级低通滤波器消除极化电压以及噪声的干扰，从而得到高精度的采集数据。
(3)本发明分析了采集装置的误差和噪声来源，提出了采样防脉冲均值滤波器以及FIR低通数字滤波器相结合的方法消除噪声，从而提高采样精度。
(4)本发明在数字滤波方面采用FPGA来实现，可以在一个时钟周期内得到一个FIR滤波器的输出。如果采用普通数字信号处理器，只能用串行的方式顺序地执行延时、乘加操作，需要多个指令周期来完成。
(5)本发明系统根据所采集的数据，和预留采样数据进行分析比对，当采集到的数据达到预期范围，控制输出相应额定电压反馈于材料，使主体材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配。
(6)本发明以FPGA为核心，采用SOPC技术，运用QuartusⅡ与ModelSim软件对系统进行了设计和仿真，缩短了开发周期，提高了系统的扩展性。
附图说明
图1是MOFs电致变色材料的自适应控制系统实施例图；
图2是直接形式FIR滤波器实施例图；
图3是红光照射下的仿真数据图；
图4是蓝光照射下的仿真数据图；
图5是2.5V下材料电流随施加电压变化图；
图6是3V下材料电流随施加电压变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一套完整的自适应控制系统需要包括传感、分析、控制和变色器件等，其中，关键技术在于传感和变色器件的性能与逻辑控制系统的适应性搭建。如图1所示，本发明提供的一种基于MOFs电致变色材料的自适应控制系统包括前端调整电路、数据采集模块、数据处理模块、自适应控制模块。金属有机框架化合物MOFs电致变色材料可以通过本系统实现自适应控制。当不同颜色的光照射在MOFs电致变色材料上时，材料会产生相对应的微小电流信号。由于输入信号的电流范围在0～0.5μA，无法直接对被测信号进行采集处理，本发明设计了前端调整电路，采用AD8421放大器实现电流信号放大，通过二级低通滤波器消除极化电压以及噪声的干扰，利用MAX4081芯片将模拟电流信号转换为模拟电压信号。之后，采用AD7621作为模数转换主要器件，将前段调整电路处理过的模拟信号转换成数字信号，通过串行外设接口SPI与数据处理模块进行通信。系统利用FGPA集成的数字信号处理器DSP乘加模块定制卷积运算单元，生成脉动阵列结构的FIR滤波器，实现实时信号处理。系统根据所采集的数据，和预留采样数据进行分析比对，当采集到的数据达到预期范围，控制输出相应额定电压反馈于材料。通过控制数据的采集、处理及反馈输出，实现主体材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配和融合。
在设计中，以FPGA作为硬件平台，应用SOPC技术搭载NIOSⅡ软核，根据实际控制要求，灵活的对硬件及软核进行裁剪。
MOFs电致变色材料在光照下产生的电信号经过前置放大电路后，具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。这时候的电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰，系统利用FGPA集成的数字信号处理器DSP乘加模块定制卷积运算单元，生成脉动阵列结构的FIR滤波器。滤波器采用全流水结构，能高速、无滞后地实现实时信号处理。
FIR滤波器过渡过程具有有限区间，其系统函数为下式：
Figure BDA0002247046930000041
其中N-1是FIR滤波器的延时节数，也可用下式表示：
Figure BDA0002247046930000042
其中x(n)是输入采样序列，h(m)是滤波器系数，N-1是FIR滤波器的延时节数，y(n)表示滤波器的输出序列，采用直接FIR滤波如图2所示。
系统设计的FIR滤波器为低通滤波器，其差分方程为方程式3：
y(n)＝h(0)x(n)+h(1)x(n-1)+…+h(13)x(n-13)
在这个FIR滤波器中，需要13个延时单元、14个乘法单元。采用FPGA来实现，可以在一个时钟周期内得到一个FIR滤波器的输出。
本发明对红光和蓝光照射下的MOFs电致变色材料所产生的电流信号进行了采集和处理。利用QuartusⅡ与ModelSim软件进行了编译和仿真，其中Clk工作频率为50MHz，Div_PARM为时钟分频设置，SCLK为ADC串行数据接口时钟信号，Channel为通道选择，Data为ADC转换结果。在红光照射下，采集到的信号经过处理，仿真波形如图3所示；当材料在蓝光下时，仿真波形如图4所示。经过处理后的信号符合设计预期采集信号。控制器根据采集到的信号和预留采样数据进行比对，输出相应电压。在检测到照射光为红色时，对材料施加2.5v电压，材料将从透明变成红色，电流由2.5mA变到0.1mA，说明器件电阻由初始1000Ω变到25000Ω，如图5所示。在检测到照射光为蓝色时，对材料施加3v电压时，器件变蓝，电流由8mA变到0.2mA，说明电阻由初始约400Ω变到15000Ω，如图6所示。

Claims (6)

1.一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，基于MOFs电致变色材料，利用SOPC技术实现材料光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配，其特征在于，所述自适应控制系统包括前端调整电路、数据采集模块、数据处理模块和自适应控制模块，其中：
不同颜色的光照射在MOFs电致变色材料上时，MOFs电致变色材料产生相对应的微小电流信号，前端调整电路用于采集该微小电流信号，前端调整电路将微小电流信号放大后，消除极化电压以及噪声的干扰，再将电流信号转换为模拟电压信号；
数据采集模块，用于将前端调整电路输出的模拟电压信号转换成数字信号；
数据处理模块，利用现场可编程门阵列FPGA集成的数字信号处理器DSP乘加模块定制卷积运算单元，生成脉动阵列结构的有限长单位冲激响应FIR滤波器，FIR滤波器对接收到的数字信号进行实时滤波处理；
自适应控制模块，将经过数据处理模块滤波处理后的数字信号和预留的采样数据进行分析比对，当通过前端调整电路及数据采集模块采集到的数据达到预期范围，控制输出相应额定电压反馈于MOFs电致变色材料，使MOFs电致变色材料的光学特性参数与环境光学特征达到高度的匹配。
2.如权利要求1所述的一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，其特征在于，所述前端调整电路采用AD8421放大器实现所述微小电流信号的放大，通过二级低通滤波器消除所述极化电压以及所述噪声的干扰，利用MAX4081芯片将电流信号转换为所述模拟电压信号。
3.如权利要求1所述的一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，其特征在于，所述数据采集模块采用AD7621作为转换器件，AD7621的最高采样率为3Mbps，量化位数为16位，最高分辨率为62.5μV。
4.如权利要求1所述的一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，其特征在于，所述数据处理模块以FPGA作为硬件平台，应用SOPC技术搭载NIOSⅡ软核。
5.如权利要求1所述的一种MOFs电致变色材料的自适应控制系统，其特征在于，所述MOFs电致变色材料为溶剂热反应在导电玻璃基片上制备的卟啉基MOFs薄膜。
6.一种MOFs电致变色材料的自适应控制方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的自适应控制系统，MOFs电致变色材料在不同色彩的光照下产生不同的电流信号，由如权利要求1所述的自适应控制系统对电流信号进行采集分析，利用Quartus Ⅱ与ModelSim软件进行编译和仿真，得到仿真波形，经过处理的信号符合设计预期采集信号，控制输出相应额定电压反馈于MOFs电致变色材料，使MOFs电致变色材料实现从透明到红、绿、蓝三色之间的转换。
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