LED植物补光源光量子通量密度的数据采集系统

LED植物补光源光量子通量密度的数据采集系统
王启星;徐景宏;张昕昱;王通;刘文
【摘要】LED植物工厂等都市农业生产和研发的基础是对植物生长的光环境的测量,由于植物光合作用主要是吸收可见光中的红光和蓝光,因此现在有关LED植物工厂的企业以及研发机构多采用蓝光、红光、远红光等单色LED进行植物补光,然而现在用于对单色补光的数据采集系统多用于测量400~700 nm波段的光量子通量密度,无法同时测量红光和蓝光LED的光量子通量密度,给进一步研究光质比的实时测量及与其他系统的反馈控制带来了阻碍.因此本文提出分别测量LED光源中红光和蓝光的光量子通量密度以解决以上问题.本文阐述了LED光量子数数据采集系统的整体结构以及硬件设计以及软件设计,并用该系统对红蓝光光量子数进行实时监测,然后和实际值进行比对,结果表明该系统所测数据在可承受的误差范围之内.%Urban agriculture, such as LED plant factory, based its research and development on the measurement of luminous environment for plants growth. Plant mainly absorbs red and blue light to grow, therefore,LED plant factories and research institutions use monochrome LED lights for plant supplemental lighting. The PAR quantum sensors, which could measure the photon flux of radiation in the spectral interval 400~700 nm, can't measure photon flux of red and blue LED simultaneously. This blocks the further research on real time measurements and system feedback control. Therefore, this paper presents a data acquisition system for measuring the amount of red and blue light in the LED light sourcerespectively, to solve the above problems. This paper describes the LED light quantum data acquisition system, the overall structure and the
hardware design of each part and the host computer design. And the system monitors the red and blue light quantum number in real time, and then compares the data with the actual value. The results show that the measured data in the system is within the error tolerance range.
【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2018(029)002
【总页数】8页(P53-59,79)
【关键词】植物工厂;补光源;LED光量子数;数据采集系统;光环境检测;PAR;FPGA 【作者】王启星;徐景宏;张昕昱;王通;刘文
【作者单位】中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学先进技术研究院,安徽合肥 230088;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;
中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学先进技术研究院,安徽合肥 230088;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥 230026;中国科学技术大学先进技术研究院,安徽合肥 230088;中国科学技术大学物理学院,安徽合肥230026;中国科学技术大学先进技术研究院,安徽合肥 230088
【正文语种】中文
【中图分类】TM923
引言
这几年随着LED技术的发展，以LED为农作物生长补光源的城市农业快速发展[1]。

由于植物叶绿素的吸收光谱在红光波段以及蓝光波段有两个主要的吸收峰[2-3]，
导致这两种光的光合效率最高[4]。

此外，植物从发芽经过吸收营养进行生长再到
开花的整个过程受到远红光影响[5-6]。

所以现在植物工厂补光源以峰值波长450 nm的蓝光LED、峰值波长660 nm的红光LED以及峰值波长为735 nm的远红
光LED为主要补光源[7]。

又因为光合作用生成的分子数与光子能量无关，而近似与光合有效辐射吸收的光子的具体数量相关[8]，所以现在植物工厂中对补光源LED测量多以测量其光合有效光量子通量密度(photosynthetic photon flux density,PPFD)。

因此设计一个可以探测出植物工厂补光源LED的PPFD数值的探测系统势在必行，并且植物生长主要是吸收红光和蓝光，所以本次设计主要探测红光以及蓝光LED的PPFD。

为了实现上位所述的功能，本文设计了一个以FPGA芯片和USB2.0芯片为基础的数据采集系统。

由于FPGA运行程序的速度较快，需要开发的时间短，芯片的集
成度较高，耗费的功率较低，内部包含高频率的时钟，组成形式灵活。

因此本次设计采用FPGA作为主控芯片可以很好的完成实时的光量子数采集并且该采集系统
具有重要的应用价值[9-10]。

1 系统设计
该系统主要有六个部分：①信号采集处理模块；②ADC模拟量转化数字量模块；
③FPGA主控模块；④USB2.0芯片模块；⑤上位机模块；⑥系统电源模块。

该系
统首先同过信号采集处理模块将植物工厂补光LED光源的光强度转化成电流分量，然后经过一定处理变成适合ADC的模拟输入信号，然后信号经过ADC芯片，实
现模拟量到数字量的转变，这之后通过FPGA内部的AD芯片接口将转化的数据
储存到FPGA内部FIFO中，然后再由内部USB接口从FIFO读取数据传送到USB2.0芯片当中，然后经过USB2.0接口将数据传送到上位机当中，上位机将传
送的数据进行一定处理将采集量转变为光量子数，然后在显示页面将数据显示出来。

而电源模块负责给其他相应模块(除上位及模块以外)供电。

系统框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图Fig.1 System overall design block diagram
1 系统硬件设计
图2所示为系统硬件整体设计框图，硬件采集板主要包括光学传感器模块，模拟
信号滤波整形电路，AD芯片相关电路，FPGA主控制芯片以及其外围电路，
USB2.0芯片以及其外围电路等。

图2 系统硬件整体设计框图Fig.2 System hardware overall design block diagram
1)光学传感器设计。

根据图3，植物光合作用主要吸收太阳光中的红光以及蓝光，所以现在植物工厂中多采用蓝光LED(450 nm的峰值波长)以及红光LED(660 nm 的峰值波长)[7]，因此系统设计需要两个光学传感器，分别采集红光LED光强以及蓝光LED光强。

光学传感器主要由红光或蓝光滤光片，余弦修正片，PIN光电二
极管构成，结构如图4所示。

通过光学传感器结构可知，光首先通过余弦修正片，然后经过红光和蓝光滤光片，最后产生光电流传给后续电路。

光电二极管采用QSB34CGR封装的贴片式光电二极管。

图4中余弦修正片主要作用是消除非垂直光照射时产生光电流所造成的误差。

蓝
色滤波片峰值波长在550 nm，带宽大约为20 nm；红色滤波片峰值波长660 nm，带宽大约为30 nm左右。

图3 植物叶绿素吸收光谱及典型植物照明LED光谱[11]，红色实线为植物叶绿素
a吸收光谱，橙色虚线为植物叶绿素b吸收光谱。

蓝色、红色、黑色光谱分别为峰值波长为450 nm的蓝光LED、峰值波长为660 nm的红光LED和峰值波长为735 nm的远红光LEDFig.3 Absorption spectra of Plant chlorophyll and typical LED spectrums of plant lighting[11]. The red solid line is the absorption spectra of Plant chlorophyll a, the orange dotted line is the
absorption spectra of Plant chlorophyll b. blue/red/black spectra respectively are blue(peak wavelength 450 nm) red(peak wavelength 660 nm)/far-red(peak wavelength 735 nm) LED
图4 光学传感器结构示意图Fig.4 Optical sensor structure diagram
2)模拟信号滤波放大电路设计。

LED光经过光学传感部件转化为一定量的光电流和开路电压，但是此信号中包含一些噪声(暗电流等)。

因此需要通过滤波电路将噪声处理掉，又因为光传感装置所产生的光电流和开路电压很小，所以要经过一定放大，已达到后边AD芯片的输入信号要求。

因此光传感器产生的光电流要经过滤波放大电路进行初步处理。

图5所示就是具体的滤波放大电路的电路设计。

3)AD芯片选型以及接口电路设计。

本设计采用某公司的AD7980芯片。

其具体接口电路示意图如图6所示。

图5 滤波放大电路的电路设计Fig.5 Circuit Design of Filter Amplifier Circuit
图6 AD接口电路Fig.6 The interface circuit of AD
当开始进行数据采集时，首先FPGA先将SDI端口信号置为高电平，然后FPGA
将CNV端口信号从低电平变成高电平，芯片在CNV信号上升沿时检测到SDI端
口信号为高电平，芯片选择CS模式，并强制SDO端口进入高阻态。

此模式下，CNV端口信号在转换阶段和随后的数据回读期间必须保持高电平(如果SDI和CNV为低电平，SDO变为低电平)。

最小转换时间之前SDI端口信号返回低电平，接着在最大转换时间内保持低电平，然后SDO端口在一段时间低电平信号之后的第一个时钟下降沿开始传输数据，当16位数据传输完毕时SDO端口变成高阻态，此时FPGA需要将SDI端口信号拉高，等待下一次的数据传输。

4)USB2.0芯片选型以及接口电路设计。

当信号通过主控芯片FPGA处理之后，通过USB接口电路将处理后的数据传送到USB2.0中，然后由USB2.0芯片将上位
机进行处理读取，因此USB接口电路尤为重要。

本设计采用公司设计的高集成度、
低功耗的EZ—USB FX2LP系列，具体芯片的型号是CY7C68013A的采用
USB2.0协议的集成芯片。

其具体接口电路如图7所示。

图7 USB接口电路[4]Fig.7 USB interface circuit
1.2 软件设计
为了让系统正常工作，除了硬件设计以外，还需要相应的软件开发，软件部分主要分两个部分：主要控制芯片FPGA的相应程序开发，采用USB2.0通信协议的集成芯片的固件程序编写。

1)主控芯片FPGA的软件设计。

本次设计关于FPGA设计主要分为三个部分：AD 接口模块设计，FIFO模块设计，USB接口相关设计。

具体FPGA软件系统总体设计框图如图8所示。

①USB接口设计。

主控芯片FPGA里的USB逻辑接口部分主要有两个功能，一个是将上位机命令进项接收并将其“解读”成对应芯片完成相应功能的控制信号，另一个是将之前获得数据传送到USB2.0芯片内部FIFO中，等待上位机的读取处理。

其具体连接如图9所示。

②AD接口设计。

AD接口部分主要是控制AD采集的读取时间以及将AD采集到
的数据读取出来送到FPGA内部的FIFO中进行存储。

具体的设计连接如图10所示。

AD采样部分主要由四部分组成：①控制信号产生模块；②AD采集时钟产生模块；
③计数模块；④数据传输模块。

图8 FPGA总体设计模块Fig.8 FPGA overall design module
图9 USB接口模块设计图Fig.9 USB interface module design
图10 AD接口模块设计图Fig.10 AD interface module design
2)USB的固件程序设计。

本文所使用的固化程序是在keil uvision2这个软件环境
下编写然后在将此程序传输到USB芯片外部的ROM存储器中，用于令USB2.0
芯片可以完成基于USB2.0协议下的数据传输，具体的程序流程图如图11所示。

图11 USB固件程序流程图[12]Fig.11 USB firmware program flow chart[12]
如图11所示，在给系统通电并通过外部复位按键将系统复位以达到将程序中所使用的程序变量置为初始状态，这之后采用TD_lnit()函数，令USB2.0芯片变为初
始状态并且让USB芯片中各种中断处于使能状态，然后就是通过判断重枚举FLAG位是不是1，如果FLAG位为1的话这说明该芯片需要重枚举，然后PC机
将相应的驱载程序下载到USB2.0芯片中。

如果FLAG位不为1，则该程序需要等到上位机传送过来命令信号包之后才继续运行，而后程序将对收到的命令信号包进行“解析”，看是不是SETUP包，如果收到了SETUP信号包则解析剩余控制命
令包并完成相应的指令，如果没有收到SETUP包，则运行自定义的循环查询程序，如果在查询之中接收到中断信号，芯片立刻挂起直到有效的唤醒信号传送进来。

2 实验验证
数据通过USB2.0通信协议从电路板上传输到上位机中，此时探测到的数据为经过处理后的PIN光电二极管两端的电压而不是我们所要的PPFD值，所以我们需要
对探测到的数据进行一定标定，又由于红、蓝光的PPFD值分别与其对应的PIN
光电二极管两端电压成线性关系[13]，所以只需将所测的PIN光电二极管两端电
压与实际的PPFD值进行拟合即可以完成相应标定。

具体标定的方法是将加载了2.2 V电压的单颗红色LED，放在标准暗室之中，用相应的控制器完成光通量控制(该控制器主要是通过基于DMX512协议的PWM调
制实现的)。

并且通过该控制器将单颗LED两端的电压占空比以每次提高5%的刻度，从初始的0%到最后的100%，记录上位机采集到的电压值，以及用放上了和系统中PIN光电二极管同材料、同厚度的红光滤光片的PQS-1传感器读出，然后经两组数值进行拟合。

蓝光的拟合方式也是如此。

从图16、图17可以得出红光通道以及蓝光通道的拟合方程为
图12 采集系统红光通道标定曲线Fig.12 RED channel’s calibration curve of system
VRa=εRaPPFDRa+βRa=1.023 3PPFDRa-5.692
(1)
VBa=εBaPPFDBa+βBa=1.554 5PPFDRa-10.501
(2)
将式(1)、式(2)写入到上位机程序中，将显示的电压值转化成PPFD值，上位机显示界面如图14所示。

图13 采集系统蓝光光通道标定曲线Fig.13 Blue channel’s calibration curve of system
图14 上位机显示界面Fig.14 PC display interface
3 结语
为了实现实时准确探测植物工厂中红光LED以及蓝光LED的PPFD值，本次设计采用了一个以FPGA芯片和USB2.0芯片为基础的数据采集系统。

由于FPGA运行程序的速度较快，需要开发的时间短，芯片的集成度较高，耗费的功率较低，内部包含高频率的时钟，组成形式灵活。

此文中给除了相应的硬件设计、FPGA程序开发流程图以及USB固化程序流程图。

并通过实验测试验证了该系统的硬件系统设计的合理性以及软件系统的有效性，通过实验数据证实了该系统可以稳定并且准确采集到相应的数据，实现了对植物补光源LED的PPFD值实时准确测量。

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