原位海水叶绿素a含量检测系统的设计

吴 宁 曹 煊 褚东志马 然 吴丙伟 张颖颖 张述伟 张 颖

(山东省海洋环境监测技术重点实验室1，山东 青岛 266001；山东省科学院海洋仪器仪表研究所2，山东 青岛 266001)

原位海水叶绿素a含量检测系统的设计

吴 宁2曹 煊1褚东志2马 然2吴丙伟2张颖颖1张述伟1张 颖1

(山东省海洋环境监测技术重点实验室1，山东 青岛 266001；山东省科学院海洋仪器仪表研究所2，山东 青岛 266001)

为了检测LED激发海水浮游植物体内的叶绿素a所发出的痕量荧光信号，实现海水叶绿素a含量检测，预防赤潮等灾害，设计了基于STM32单片机和FPGA的数字锁相放大器。FPGA实现系统正交矢量数字锁相放大和LED光源调制驱动信号DDS的产生；STM32单片机主要完成数据处理、温度补偿以及通信接口等功能。试验证明，该方案不仅能在自然环境下完成海水叶绿素a的实时检测，且具有较高的测量精度。基于该方案的原位海水叶绿素a传感器，具有结构简单便携、精度高、稳定性高和抗干扰能力强等特点，具有广阔的应用前景。

叶绿素a 荧光信号 LED 传感器 数字锁相放大器 实时检测

0 引言

海水叶绿素a浓度直接反映了浮游植物的活跃度和生物量，因此叶绿素a浓度检测已经成为评价海洋水质营养化和预测赤潮灾害的最重要参数[1-3]。目前，在线检测海水叶绿素a浓度最有效的方法是荧光检测法，通过中心波长为470 nm的LED激发浮游植物体内叶绿素a发出荧光信号，通过测量荧光信号,间接跟踪水体营养化程度的变化。但激发出的荧光信号为痕量信号，易受到环境光等背景光影响而淹没在强噪声背景下，因此采用传统模拟、放大、滤波等检测方法检测该类信号非常困难[4-5]。为了提取和测量强噪声背景下的痕量荧光信号，提出了一种数字正交锁相放大(digital lock-in amplifier，DLIA)检测技术。该方法基于互相关原理，使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，从而有效地检测出深埋在大量非相关噪声中的痕量荧光信号,完成叶绿素a的检测。该方法显著提高了测量信噪比、灵敏度和准确度，弥补了模拟器件存在的温度漂移、噪声大等缺点[6]。

1 系统方案设计

系统主要由中心波长为460 nm、作为激发光源(窄角15°)的高亮度蓝光LED、S2386- 44K型光电接收器、正交矢量数字锁相放大器以及作为温度补偿的DS18B20温度传感器组成。为了实现高精度、低成本、模块化叶绿素a检测仪器，整个系统的功能框图如图1所示。系统是以STM32和FPGA为核心的检测系统。

图1 检测系统原理图Fig.1 The principle of detection system

1.1 FPGA模块设计

系统中的FPGA模块主要包括直接频率合成器(direct digital synthesizer,DDS)、相敏检波(phase sensitive detection,PSD)和IIR低通数字滤波(infinite impulse response filter,IIR)。DDS信号发生单元采用基于查表法和CORDIC算法相结合的原理设计完成，利用较少的硬件资源和存储资料实现较高精度和较低延时的1 kHz调制正余弦信号的产生，以避除外界背景杂光的影响[7-8]。除此之外,DDS单元也为PSD提供了正交参考信号。PSD主要由乘法器组成，它对同频率的被测信号和参考信号进行乘法运算,得到和频与差频信号。和频信号经过IIR低通滤波器以后，可以滤出所有频率高于截止频率的信号，差频信号为直流信号。为了提高系统的存储容量和运算速度，FPGA选用的是ALTERA Cyclone II器件，它具有丰富的运算单元和RAM存储单元，适合实时性信号处理。

1.2 锁相放大器检测原理

如图1所示，假设输入被测信号Y为Y=s1(t)+n(t)，由DDS信号发生单元产生的正交参考信号f1=s2(t)、f2=s3(t)，假设s1(t)=Asin(2πft+φ)、s2(t)=sin(2πft)、s3(t)=cos(2πft)。由于被测信号Y与参考信号f1、f2的频率相同，则有：

Yf1(t)=Asin(2πft+φ)sin(2πft)+

(1)

Yf2(t)= Asin(2πft+φ)cos(2πft)+

(2)

从式(1)和式(2)可以看出，由于输入信号和参考信号的频率相同，经过积化和差公式后得到一个和频信号和一个差频信号，其中和频信号为高频信号，差频信号为直流信号。经过窄带低通滤波之后(其中截止频率fc≤f),就可以滤除高频，得到如式(3)和式(4)所示的同相输出M和正交输出N。通过STM32运算单元的处理，可以得到待测有用信号Y的幅值A和相位φ[8-11]。

(3)

(4)

1.3 数据处理模块

STM32是本系统的主控部分，主要完成数据处理、温度补偿和通信。其中STM32的数据中断程序流程图如图2所示。

图2 STM32中断程序流程图Fig.2 Flowchart of the interrupt routine in STM32

经过锁相放大器输出的数据会触发STM32的外部中断，从而使STM32读取锁相放大器数据并对连续采样得到的100个数据进行算数平均，以抑制干扰。然后将得到的数据通过标定的叶绿素a与荧光强度的线性关系转换为叶绿素a的浓度值，并通过温度补偿算法对得到的结果进行修正，从而得到正确结果，最后通过USB或者RS- 485将结果发送到上位机。

1.4 LED驱动电路设计

图3 LED驱动电路原理图Fig.3 The principle of LED drive circuit

2 试验结果与讨论

2.1 电路系统噪声性能测试

为了验证电路的性能，将输入端用小电阻与地短接，实测10组数据输出，结果如表1所示。

表1 电路输出噪声Tab.1 Output noises of the circuit

2.2 对比试验

基于上述原理所制成的叶绿素a检测仪在经过实验室环境标定之后，分别对不同浓度的叶绿素a标准溶液与美国YSI叶绿素a测试仪进行了对比测试，测试数据如表2所示。

表2 比对试验Tab.2 The inter-comparison tests

从表2可以看出,该仪器表现出良好的性能，反映了叶绿素a浓度与荧光的良好的线性关系。同时，该仪器能够实现最低检出限0.1 μg/L，与美国YSI叶绿素a测试仪基本具有相同的测量精度。此外，该仪器还具有低噪声、低功耗、低漂移以及高灵敏度等特点。

3 结束语

系统以叶绿素荧光诱导检测原理为基础，利用互相关原理实现了痕量荧光信号的检测。基于数字正交锁相放大器原理设计完成的传感器，经过试验证明，该仪器不仅能够实时检测海水中叶绿素a，并且具有谐波抑制能力强、无直流漂移、功耗低、便携化、精度高等特点。系统的反应强度与叶绿素a浓度具有很好的线性关系，能够实时、连续地反映海水中叶绿素a浓度的变化趋势，可与国外传感器媲美。同时该仪器可以作为水质传感器，用于水质多参数浮标监测系统平台实现实时检测，也可用于海水浊度参数的检测。

[1] 王岩石，张杰，孙培光，等.用于海洋现场监测的小型叶绿素a荧光计和浊度计[J].海洋技术，2007，26(1)：29-33.

[2] 胡辉，谢静.叶绿素a在监视赤潮和评价海水环境中的应用[J].环境监测管理与技术，2005，13(5)：43-44.

[3] 董大圣，程群，陈世哲，等.原位叶绿素a和浊度传感器[J].仪表技术与传感器，2012(10)：15-17.

[4] 李璟，乐静，万文博，等.LED诱导叶绿素荧光光谱检测系统的设计[J].分析仪器，2014(2)：11-15.

[5] 武会江，张晓，王蒙，等.叶绿素荧光检测系统的设计与实现[J].电子测量技术，2014，37(7)：121-124.

[6] 康跃腾，胡晓娅，汪秉文.基于锁相放大原理的微弱信号检测电路[J].电子设计工程，2013，21(6)：162-164.

[7] 倪士虎，刘先勇，曹新丹，等.基于FPGA的LIA设计及其在光声检测中的应用[J].电子科技，2013，26(12)：110-113.

[8] 范松涛，周燕，张强，等.基于FPGA的数字锁相放大器在气体探测中的应用[J].计算机测量与控制，2012，20(11)：3027-3041.

[9] 梁世盛，乔凤斌，张燕.基于FPGA的数字相敏检波算法实现[J].自动化仪表，2013，34(11)：13-16.

[10]孙红兵，莫永新.微弱光电信号检测电路设计[J].现代电子技术，2007，30(18)：156-158.

[11]吴明华，郑刚，江斌，等.一种新的应用于锁相放大器的数字相关电路结构设计[J].计算机测量与控制，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

国家自然科学基金资助项目(编号：41206076)；

国际合作基金资助项目(编号：2013DFR90220)；

青岛市基础研究基金资助项目(编号：13-1-4-160-jch)。

吴宁(1987-)，男，2013年毕业于北京化工大学控制科学与工程专业，获硕士学位，高级工程师；主要从事海洋仪器仪表研发、微弱信号检测与处理、智能控制的研究。

TH13

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506020

海洋公益性行业专项科研经费项目(编号：201005025)；

修改稿收到日期：2014-12-24。