CN115696689B - 荧光聚合物探测仪光源驱动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统及方法，包括：微控制单元；数模转换模块，数模转换模块与微控制单元连接，微控制单元控制数模转换模块输出电压的大小；继电器模块，继电器模块与数模转换模块连接，数模转换模块通过继电器模块控制电压的输出；差分电流源模块，电流源模块与继电器模块连接，继电器模块控制差分电流源模块的电流输出；光源模块，光源模块与差分电流源模块连接，差分电流源模块控制光源模块的亮灭和光强；其中，微控制单元还与继电器模块连接，用于继电器模块的状态切换。本申请实现了紫外光源亮度调节和亮灭调节，提高了紫外光源驱动时光源调节的分辨率，避免光源照射在敏感元件后会产生交叉干扰的情况。
Description
技术领域
本申请涉及探测设备技术领域，特别涉及一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统及方法。
背景技术
在基于荧光聚合物传感技术的痕量毒品、爆炸物探测仪器中，需要对光源进行驱动，其光源为整个传感系统的信号源，其光源亮灭、光源强度、光源稳定性均会对仪器的检测性能造成重大的影响。
以基于荧光聚合物传感技术的痕量爆炸物检测仪为例，为检测硝基类、硝铵类和过氧化物类的爆炸物，探测仪内部敏感元件涂覆有三种荧光传感材料对应不同类型的爆炸物分子。每种材料对应一种通道的光源，而爆炸物探测仪多采用紫外光源，通过驱动三个通道的光源的方式进行爆炸物种类的区分。为保证紫外光激发荧光的稳定性，需要实现紫外光源的稳定驱动。同时，随荧光敏感元件的使用时间的增加，其材料激发荧光的强度会逐渐下降，这就需要紫外光源同步增加光强以进行补偿。但是若通过调压控制紫外光强，其电压电流同步改变，稳定性较差且调整精度较低，因此如何提高光源驱动的稳定性和精度是得到稳定信号的关键。
发明内容
本申请的实施例提供一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统及方法，以解决现有技术中紫外光源驱动时光源调节分辨率低，光源照射在敏感元件后会产生交叉干扰的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请的实施例公开了如下技术方案：
第一方面，提供了一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统，包括：
微控制单元；
数模转换模块，所述数模转换模块与所述微控制单元连接，所述微控制单元控制所述数模转换模块输出电压的大小；
继电器模块，所述继电器模块与所述数模转换模块连接，所述数模转换模块通过所述继电器模块控制电压的输出；
差分电流源模块，所述电流源模块与所述继电器模块连接，所述继电器模块控制所述差分电流源模块的电流输出；
光源模块，所述光源模块与所述差分电流源模块连接，所述差分电流源模块控制所述光源模块的亮灭和光强；
其中，所述微控制单元还与所述继电器模块连接，用于所述继电器模块的状态切换。
结合第一方面，所述微控制单元包括至少三个控制端和至少四个SPI通信端，所述控制端连接所述继电器模块，所述SPI通信端连接所述数模转换模块。
结合第一方面，所述继电器模块包括至少三个继电器，所述继电器的使能端与所述控制端连接，所述继电器的S端与所述数模转换模块的输出端连接，所述继电器的C端与所述差分电流源模块的输入端连接，所述继电器的R端接地。
结合第一方面，所述数模转换模块包括数模转换芯片，所述数模转换芯片包括至少三个输出通道以及四个输入通道，其中，三个所述输出通道分别与三个所述继电器的S端连接，四个所述输入通道分别与四个所述SPI通信端连接。
结合第一方面，所述差分电流源模块包括至少三路差分电流源电路，所述差分电流源电路包括至少两个运算放大器、MOS管和若干电阻。
结合第一方面，所述运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述电阻包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第一运算放大器的反相端与所述第一电阻和所述第二电阻连接，所述第一电阻另一端为第一输入端，所述第一运算放大器的输出端与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极连接所述第六电阻后与驱动电压连接，所述MOS管的源极连接所述第二电阻和所述第五电阻，所述第一运算放大器的同相端与所述第三电阻和第四电阻连接，所述第三电阻的另一端为第二输入端。
结合第一方面，所述第二运算放大器的输出端连接第四电阻，所述第二运算放大器的输出端同时连接自身的反相端，所述第二运算放大器的同相端连接所述第五电阻和所述光源模块。
结合第一方面，所述光源模块包括至少三个紫外光源，三个所述紫外光源分别与三路所述差分电流源电路的输出端连接。
第二方面，提供了根据第一方面任一项所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统的驱动方法，所述方法包括：
微控制单元通过向继电器模块发送电信号以控制多个通道下光源模块的亮灭；
数模转换模块通过电压控制差分电流源模块电流的输出大小；
所述差分电流源模块通过改变电流大小控制光源模块的亮度。
结合第二方面，所述的多个通道下光源模块的亮灭的方法包括：
t1时间内点亮第一通道和第二通道的光源模块；
t2时间内仅点亮第一通道的光源模块；
t3时间内点亮第一通道、第二通道和第三通道的光源模块；
t4时间内点亮第一通道和第三通道的光源模块；
t5时间内点亮第二通道和第三通道的光源模块；
t6时间内仅点亮第三通道的光源模块；
t7时间内点亮第二通道的光源模块；
t8时间内熄灭所有的光源模块；
其中，t1为第一时间段，t2为第二时间段，t3为第三时间段，t4为第四时间段，t5为第五时间段，t6为第六时间段，t7为第七时间段，t8为第八时间段；并且，t1＝t2＝t3＝t4＝t5＝t6＝t7＝t8。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本申请的一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统，包括：微控制单元；数模转换模块，数模转换模块与微控制单元连接，微控制单元控制数模转换模块输出电压的大小；继电器模块，继电器模块与数模转换模块连接，数模转换模块通过继电器模块控制电压的输出；差分电流源模块，电流源模块与继电器模块连接，继电器模块控制差分电流源模块的电流输出；光源模块，光源模块与差分电流源模块连接，差分电流源模块控制光源模块的亮灭和光强；其中，微控制单元还与继电器模块连接，用于继电器模块的状态切换。本申请实现了紫外光源亮度调节和亮灭调节控制，提高了紫外光源驱动时光源调节的分辨率，避免光源照射在敏感元件后会产生交叉干扰及检测数据量较少的情况。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的系统结构示意图；
图2为本申请实施例提供的系统模块结构示意图；
图3为本申请实施例提供的差分电流源电路的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的现有技术中光源驱动方法的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的光源驱动方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，本申请实施例提供了一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统，包括微控制单元、数模转换模块、继电器模块、差分电流源模块和光源模块；微控制单元与数模转换模块连接，数模转换模块的三个输出端各连接一个继电器模块，继电器模块的输出端各连接一路差分电流源模块，三路差分电流源模块各连接一个光源模块；其中，微控制单元用于控制数模转换模块输出电压的大小以及继电器模块的状态切换；数模转换模块用于通过继电器模块控制电压的输出；继电器模块控制差分电流源模块的电流输出；差分电流源模块的输出端与光源模块连接，通过继电器模块的开关控制实现光源模块的亮灭驱动，通过数模转换模块的电压输出大小实现光源的亮度调节。
如图2所示，微控制单元包括至少三个控制端和至少四个SPI通信端，控制端连接继电器模块，SPI通信端连接数模转换模块；继电器模块包括至少三个继电器，分别为第一继电器、第二继电器和第三继电器；数模转换模块包括数模转换芯片，数模转换芯片包括至少三个输出通道以及四个输入通道；差分电流源模块包括至少三路差分电流源电路，分别为第一差分电流源电路、第二差分电流源电路和第三差分电流源电路；其中，微控制单元的第一控制端IO1与第一继电器的使能端E连接，第二控制端IO2与第二继电器的使能端E连接，第三控制端IO3与第三继电器的使能端E连接；第一继电器的S端与数模转换模块的第一输出端DAC1连接，第二继电器的S端与数模转换模块的第二输出端DAC2连接，第三继电器的S端与数模转换模块的第三输出端DAC3连接；第一继电器的C端与第一差分电流源模块的输入端连接，第二继电器的C端与第二差分电流源模块的输入端连接，第三继电器的C端与第三差分电流源模块的输入端连接，第一继电器、第二继电器和第三继电器的R端均接地。
如图3所示，差分电流源电路第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、MOS管Q1和紫外光源D1，第一运算放大器A1的反相端与第一电阻R1和第二电阻R2连接，第一电阻R1另一端为第一输入端Uin1，第一运算放大器A1的输出端与MOS管Q1的栅极连接，MOS管Q1的漏极连接第六电阻R6后与驱动电压连接，MOS管Q1的源极连接第二电阻R2和第五电阻R5，第一运算放大器A1的同相端与第三电阻R3和第四电阻R4连接，第三电阻R3的另一端为第二输入端Uin2；第二运算放大器A2的输出端连接第四电阻R4，其中，第五电阻R5控制差分电流源电路的输出电流量程，MOS管Q1增强了差分电流源电路的驱动能力，第六电阻R6为MOS管Q1提供压降，避免MOS管过热；第二运算放大器A2的输出端同时连接自身的反相端，第二运算放大器A2的同相端连接第五电阻R5和光源模块，在本申请中，光源模块包括至少三个紫外光源，三个紫外光源分别与三路差分电流源电路的输出端连接，其中，在本申请的电路中，紫外光源视作发光二极管，Uin1和Uin2为差分电流源电路的差分输入端。
结合图3的电路结构图对节点电压进行分析可得：
进一步的，可得到：
其中，U1为第一运算放大器A1的反相端电压；U2为第一运算放大器A1同相端电压；U3为第二运算放大器A2的输出端电压；U4为第二运算放大器A2的反相端电压；U5为第二运算放大器A2的同相端电压；U6为MOS管Q1的源极电压；
对于第二运算放大器A2，由于反相端与输出端相连，则该第二运算放大器A2构成跟随器，可得到：
U5≈U4＝U3； (5)
对于第一运算放大器A1，其电路拓扑形成负反馈，可认为：
U1≈U2； (6)
故可以得到流过第五电阻R5的电流I为：
当选择1‰精度的电阻，且设置：
R1＝R2＝R3＝R4； (8)
则I可得：
将Uin1接地，其值设计为0可得到：
故可得到输出仅通过控制第二输入端Uin2和第五电阻R5的值，即可精确控制流过紫外光源的电流大小，从公式(10)可以得到MOS管Q1对电流的影响可忽略。因此通过增大第二输入端Uin2输入或者减小第五电阻R5的值即可增大流过紫外光源的电流，从而提高紫外光源的亮度；同样的若想减弱紫外光源的亮度，只需要减小第二输入端Uin2和增大第五电阻R5的值即可。
如图5所示，本申请实施例还提供了根据荧光聚合物探测仪光源驱动系统的驱动方法，方法包括：
S1：微控制单元通过向继电器模块发送电信号以控制多个通道下光源模块的亮灭；
以一路紫外光源控制为例，具体操作步骤为：
数模转换芯片的输出端连接继电器的S端，继电器的R端接地，继电器的C端连接差分电流源电路的输入端即Uin2，在初始状态下，继电器C端与R端连接，差分电流源电路的输入端直接接地，则紫外光源内无电流通过，因此紫外光源处于熄灭状态；
当微控制单元给继电器E端高电平后，继电器C端与S端导通，数模转换芯片的电压连接至差分电流源的Uin2，而差分电流源电路的输出端与紫外光源相连，此时紫外光源处于点亮状态；
通过上述的操作步骤，控制多个通道下光源模块的亮灭，如图5所示，本申请中采用了三个通道具体的方法包括：
t1时间内点亮第一通道和第二通道的光源模块；
t2时间内仅点亮第一通道的光源模块；
t3时间内点亮第一通道、第二通道和第三通道的光源模块；
t4时间内点亮第一通道和第三通道的光源模块；
t5时间内点亮第二通道和第三通道的光源模块；
t6时间内仅点亮第三通道的光源模块；
t7时间内点亮第二通道的光源模块；
t8时间内熄灭所有的光源模块；
其中，t1为第一时间段，t2为第二时间段，t3为第三时间段，t4为第四时间段，t5为第五时间段，t6为第六时间段，t7为第七时间段，t8为第八时间段；并且，t1＝t2＝t3＝t4＝t5＝t6＝t7＝t8。
采用上述控制方法可得到8组光源数据可简化为：L12、L1、L123、L13、L23、L3、L2、L0；其中，L12代表第一通道和第二通道光源点亮；L1代表第一通道光源点亮；L123代表所有光源点亮；L13代表通道第一通道和第三通道光源点亮；L23代表通道第二通道和第三通道光源点亮；L3代表第三通道光源点亮；L2代表第二通道光源点亮；L0代表所有光源熄灭。
而在图4中，t1、t2时间内仅点亮第一通道光源；t3、t4时间内仅点亮第二通道光源，t5、t6时间内仅点亮第三通道光源，t7、t8时间内所有光源熄灭，每个光源单独点亮时，可避免其它光源作用时的相互作用，可得到4组无交叉响应的光源数据M1、M2、M3、M0，其中，M1代表第一通道光源点亮、M2代表第二通道光源点亮、M3代表第三通道光源点亮和M0代表所有光源熄灭。因此经过对比可以发现，若采用基础逻辑中第一、第二和第三通道依次点亮并熄灭的方式，仅可得到4组数据，而采用交错点亮的方式，可得到8组数据，在同样的时间和不丢失基础检测样本M1、M2、M3、M0的情况下，实际样本采样量为传统方式的两倍，更便于研究由紫外光激发的荧光间的相互影响，在数据处理和判断依据上获得了更大的优势。
为便于荧光材料的涂覆，其荧光敏感元件基底多采用透明导光材料，如玻璃、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等材料，不可避免会使每个通道点亮时，光通过基底材料进行传导，为减少光源对非对应通道的影响，将紫外光源设计为闪烁点亮的方式。
S2：数模转换模块通过电压控制差分电流源模块电流的输出大小；
S3：差分电流源模块通过改变电流大小控制光源模块的亮度；
差分电流源电路输出电流的大小可通过数模转换芯片输出的电压值精确控制，即可控制紫外光源的亮度，数模转换芯片输出的电压越大则差分电流源电路输出的电流越大，紫外光源的亮度越强；反之，数模转换芯片输出的电压越小则差分电流源电路输出的电流越小，紫外光源的亮度越弱。
以上对本申请实施例所提供的一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，包括：
微控制单元；
数模转换模块，所述数模转换模块与所述微控制单元连接，所述微控制单元控制所述数模转换模块输出电压的大小；
继电器模块，所述继电器模块与所述数模转换模块连接，所述数模转换模块通过所述继电器模块控制电压的输出；
差分电流源模块，所述电流源模块与所述继电器模块连接，所述继电器模块控制所述差分电流源模块的电流输出；
光源模块，所述光源模块与所述差分电流源模块连接，所述差分电流源模块控制所述光源模块的亮灭和光强；
其中，所述微控制单元还与所述继电器模块连接，用于所述继电器模块的状态切换；
所述差分电流源模块包括至少三路差分电流源电路，所述差分电流源电路包括至少两个运算放大器、MOS管和若干电阻；
所述运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述电阻包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第一运算放大器的反相端与所述第一电阻和所述第二电阻连接，所述第一电阻另一端为第一输入端，所述第一运算放大器的输出端与所述MOS管的栅极连接，所述MOS管的漏极连接所述第六电阻后与驱动电压连接，所述MOS管的源极连接所述第二电阻和所述第五电阻，所述第一运算放大器的同相端与所述第三电阻和第四电阻连接，所述第三电阻的另一端为第二输入端；
所述第二运算放大器的输出端连接第四电阻，所述第二运算放大器的输出端同时连接自身的反相端，所述第二运算放大器的同相端连接所述第五电阻和所述光源模块。
2.如权利要求1所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，所述微控制单元包括至少三个控制端和至少四个SPI通信端，所述控制端连接所述继电器模块，所述SPI通信端连接所述数模转换模块。
3.如权利要求2所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，所述继电器模块包括至少三个继电器，所述继电器的使能端与所述控制端连接，所述继电器的S端与所述数模转换模块的输出端连接，所述继电器的C端与所述差分电流源模块的输入端连接，所述继电器的R端接地。
4.如权利要求3所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，所述数模转换模块包括数模转换芯片，所述数模转换芯片包括至少三个输出通道以及四个输入通道，其中，三个所述输出通道分别与三个所述继电器的S端连接，四个所述输入通道分别与四个所述SPI通信端连接。
5.如权利要求1所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，所述光源模块包括至少三个紫外光源，三个所述紫外光源分别与三路所述差分电流源电路的输出端连接。
6.一种荧光聚合物探测仪光源驱动方法，应用于权利要求1-5中任一项所述的荧光聚合物探测仪光源驱动系统，其特征在于，所述方法包括：
微控制单元通过向继电器模块发送电信号以控制多个通道下光源模块的亮灭；
数模转换模块通过电压控制差分电流源模块电流的输出大小；
所述差分电流源模块通过改变电流大小控制光源模块的亮度。
7.如权利要求6所述的荧光聚合物探测仪光源驱动方法，其特征在于，所述的多个通道下光源模块的亮灭的方法包括：
t1时间内点亮第一通道和第二通道的光源模块；
t2时间内仅点亮第一通道的光源模块；
t3时间内点亮第一通道、第二通道和第三通道的光源模块；
t4时间内点亮第一通道和第三通道的光源模块；
t5时间内点亮第二通道和第三通道的光源模块；
t6时间内仅点亮第三通道的光源模块；
t7时间内点亮第二通道的光源模块；
t8时间内熄灭所有的光源模块；
其中，t1为第一时间段，t2为第二时间段，t3为第三时间段，t4为第四时间段，t5为第五时间段，t6为第六时间段，t7为第七时间段，t8为第八时间段；并且，t1= t2= t3= t4= t5= t6=t7= t8。
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