（生物物理学专业论文）活体叶片综合测定仪的研制.pdf

中国农业大学硕士学位论文 摘要 摘要 本论文主要溺述了搿光谱逶瓣接术开发活髂 片综台测定 定弱软馋、硬转设计。搜器壶 l e d ( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ) 光源、窄带干涉滤光片、菲涅尔透镜、光电转换检测器、单 嚣税系统等组藏。与其它瓣跨绿索测定仪器据磁，活捧鞭+ 片综会溅定仪不餐具弩体积，j 、续 构简单、低功耗等特点、还具有对生长期作物活体叶片中叶绿索a 、叶绿素b 含量及s p a ) 1 蠢迸彳= 同时测定褥优点。 该仪器属于便携式仪器，故在设计系统的软件和硬件时充分考虑了系统对功耗的消耗。 硬件上，荦片褫选用超低功耗的m s p 4 3 0 f 1 4 9 革片祝、辩围器件选雨低电压工作豹低功耗集 成芯片：软件上，通过设麓相应寄存器的控制位，可以使单片机在不同的低功耗模式下工作。 本彼嚣预测鬣来叶片中叶绿素a 、叶绿素b 含量及s p a d 德的相关系数分掰为0 9 8 0 、 0 9 7 4 、0 ，9 0 5 ，标准差分别为0 。2 6 1 4 、0 。0 6 3 2 、2 7 0 7 2 ，变异系数分别为8 9 7 、9 1 0 、 6 4 6 。结栗表明此仪器可以满足科学研究和生产实践对三项指标的甏求。 关键字：l e d 活体叶片，叶绿素a 、叶绿素b ，s p a d 值 中国农业大学硬学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ar e s e a r c hm e t h o di sd e s c r i b e di nt h i sa r t i d ea b o u ts o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n to f t h e m u l t i - d e t e c t o r o f t h e l i v e l e a v e s t h ea p p a r a t u s i s m a d e u po f l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ， i n t e r f e r e n c ef i l t e r , l e n s ，o p t o e l e c t r o n i ct r a n s f o r m a t i o nd e t e c t o r , m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m ，c o m p a r e d w i t ho t h e ri n s t r u m e n t s ，t h ea p p a r a t u sh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sc o m p a c ts p a c e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，l o wp o w e rw a s t e t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h a ti t saf a s td e t e c t o ro fc h l o t o p h y ua ， c h l o r o p h y l lba n ds p a d a tt h es a m et i m ei nt h ee n e r g e t i cl i v el e a f p o w e rw a s t ei sf u l l yc o n s i d e r e dd u r i n gt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei no r d e rt om a k e ap o r t a b l ea p p a r a t u s f o rh a r d w a r e ，w es e l e c tm s p 4 3 0 f 1 4 9m i c r o p r o c e s s o rw i t hu l t r a * l o wp o w e r a n ds e l e c ti n t e g r a t e dc h i p sw i t hl o wp o w e rw a s t ei nt o wv o l t a g ec i r c u m s t a n c e sa sp e r i p h e r a lp a r t s f o rs o f t w a r e ，w ec a nh a v et h em i c r o p r o c e s s o rt ow o r kw i t hd i f f e r e n tl o wp o w e rm o d e sb ys e t t i n g t h ec o n t r o l l e rb i to ft h ec o r r e s p o n d i n gr e g i s t e r t h e a p p a r a t u s p r e d i c t t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c m o m p h y l la ，c h l o r o p h y l l b ，a n d s p a d i n c o m l e a v e s r e s p e c t i v e l y , t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sa r e0 9 8 0 , 0 9 7 4 ，0 9 0 5 ，t h es t a n d a r de r r o r sa r e 0 。2 6 1 采0 。0 6 3 2 2 7 0 7 2 ，t h ev a r i a n c ec o e f f i c i e n t sa 8 9 7 ，9 1 0 ，6 4 6 + t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h ea p p a r a t u sm e e t st h en e e d so fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l e d ，l i v el e a f , c h l o r o p h y l la ，c h l o r o p h y l lb ，s p a d 独创性声明 本人声明艨呈交款论文是栽个人在导燃攒导下进季亍的硬究工作及取褥的研 究成果。尽我黪知，除了文中特i i i i 以振注和致谢的地方外，论文中不包含其他 夫已经发表或撰写过的研究成皋，媳不包含为获彳导中国农业大学或其它教育机构 约学位或谖书嚣使月过款材料。与我一闼工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中炸了明确的说明著表示了谢意。 璎究垒签名痞纂硒帆如f 年6 月炒目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中圜农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留邀交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中凿农业大学可以糟不问方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生妣青菜晒 慨加，年川矿日 翩妊移烽 醚阃t i r 卑窍吩翳 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 。 研究目的褪塞义 第一章引言 攘匏哮绔跨绿素含爨与光台速率、营莠羧凝等密甥超关，实践上逶豢溅定时绿豢窘量敬 表铤植物生长状况，也往往把叶叔变化作为作物诊断和肥水管理的重要指标。 叶绿体( c h l o r o p l a s t ) 是进行光合作用最重要的细胞器，其内含有在光台作用的反应 串彀彀先蕤蠹孽色素滗会色素，主要骞三种类型：婶绿素、类龋萝 紊、藻疆素。嵩等植 物中含有前两炭，藻胆紫存在于藻豢中。叶绿素( c h l o r o p h y l l ) 是使植物是现绿色的色素， 约蠢绿叶于螫懿l 篱。攘穆中豹时绿素包拯8 、b 、c 、d 四种，越锋植物孛禽有a 、b 褒静， 叶绿素o 、d 存在于藻类中。类胡萝h 索总照和叶绿索一起存在于高等植物的竹绿体申，具 有使叶绿素免道伤害的光保护作用，一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝h 素的比值约为3 ：1 ， 所以正常的叶子总是呈现绿色的。 叶绿素a 、b 是植物叶片的主要光合色素，农作物干物质产量的9 5 以上是通过叶绿素a 、 叶绿素b 形成的有机物，其含量是评价植株体生理状况的一项重要指标。叶绿素a 、叶绿素 b 含量的比值对于同一作物的不同生长期是不一样的，因此确定植物组织中的叶绿素a 、b 成分之比对于了解作物的生长发育和农业生产状况具有重要意义i l j i 刈l j j 。 s p a i ) ( s o i la n dp l a n ta n a l y z e rd e v e l o p m e n t ) 值是s p a d - 5 0 2 的测量值，与叶片的绿 色程度和氨素含量有关，由于是用s p a d 一5 0 2 仪器直接测得，所以一般文献中就直接称之为 s p a d 值。它是进行作物营养诊断与光合作用研究的一项重要指标；可以通过叶片s p a d 值间 接地掌握作物叶片氮素状况，对于我们研究作物产最、品质及进行施肥管理都有着重要的指 导作用【4 l 【5 】【6 】【7 】【8 】【9 l 。 由于叶绿素a 、叶绿索b 含量是评价植株体生理状况的一项重要指标，对农业生产起 到重要的指导作用，一直以来，对叶绿素a 、叶绿素b 测量方法的研究从未间断过。从传统 费时费力的化学方法改进到如今的双波长直接测定叶片中叶绿素含量的非破坏性方法。但能 直接分别测定植物活体叶片中叶绿素a 、叶绿素b 含量和s p a d 值的仪器尚未见报道。基于 此，开发一种体积小、低功耗、快速、不破坏叶片，能够对生长期作物叶片中叶绿素a 、叶 绿素b 含量和s p a d 值进行测定的便携式仪器具有很大的实际意义。 2国内外研究琥状 测量植物瀵体叶片卧绿素含囊的方法有：反射法帮遴射法。反射法可用于测定一瓣块植 株群体状况，也可用于测定单叶。反射法所用仪器比较复杂，而鼠叶片对光的反射与叶片的 表露凝瑷寿美，也与峙缫素在砖砖孛静分毒蠢芙，因戴误差也魄鞍大，曩魏就秘方法癌用在 海城里的叶绿索测定比较多，而且相对陆地而言测氲蒜准确一些。 中闲农业大学铆i 士学位论文 第一章引言 用透射法直接铡建叶片率的时绿素岔惫对需要考虑叶片中的其它色索及时片状况对铡 定的产生的影响，一般采用双波长法来消除这种影响【l o 1 1 】【1 2 】f 1 3 1 。 1 9 5 1 筝c h a n c e 擞邀震波长势毙盎疫滚磬溺予臻究生镌色素。1 9 6 0 霉b i r t h “l l ”稠该 法测定农作物中色素的含量。以后( 1 9 6 3 1 9 6 5 年) 日本稻甜胜美研究了用该法赢接测定 叶片中叶绿索含量。1 9 8 5 年，j b 京农业大学严衍禄教授等人对叶绿素潴体测量法的原理作 了迸一步酌研究，提爨“掰寿横物砰片的i 鬏投峰垮在6 8 0 r i m 附近，两最小吸收区在7 5 0 r i m 以后，而且6 8 0 r m 和7 5 0 n m 吸光度之差与叶片中叶绿素的含量有很好的相关性”。并研制出 蜂绿素活体蒺l 定豹专用坟爨，霹塔壹接测定涯傣作甥鸵砖绿素。疆这些方法县毙测定砖绿素 的总量，不能得到叶绿寨a 和时绿素b 各自含量1 1 翻l 埘1 1 8 l m t 2 0 l 2 ”。 到目前为止，能分别测定植物活体叶片叶绿索a 、叶绿素b 含量的仪器尚未见报道。 矮费式s p a d 一5 0 2 溯垂技，楚通过溅定时冀静藤德来反浚 棼耪懿氮营养虢况。s p a n 静工 作原理是采用两个不同波长的光源分别照射植物叶片寝面。通过比较穿过叶片的透射光的光 密度差异藤褥出s p a d 馕，嚣本驰m i n o l t a 公司推出s p a d - 5 0 2 仪器，能穗便、快速、不破坏 叶片地进稃s p a d 值的测囊，成功地应用予水稻氮l b 管理上。在其他如小凌、玉米、莴苣、 棉花、马铃藉等作物上也进行了广泛的研究j 。 尽管s p a d - 5 0 2 仪器应用广泛，但它只能衡量叶片叶绿素含量的相对大小，不能反映计 绿素的实际含量，目前还没有综合测定活体叶片中叶绿素a 、叶绿素b 、叶绿素总量和s p a d 值的仪器。只有分别测s p a d 值和叶绿素总量的两类仪器，这两类仪器功能比较单一，而且 测量的侧重点亦不同价格也偏高。 近年来，随着电子技术的不断发展，各类现代分析仪器也大量涌现，而且仪器在各个领 域得到广泛的应用，仪器本身也朝着便携式仪器的方向发展。仅仅是生产测量植物相关指标 的分析仪器厂家就很多。而且各大科研院所也在积极开发类似的仪器。但到目前为止，能够 综合测定活体叶片中叶绿素a 、叶绿素b 、叶绿素总量和s p a d 值的便携式测定仪更是未见报 道。 所以，为满足科研工作的实际要求和顺应时代发展的步伐，开发一种便携式活体叶片综 合测定仪器很有必要。 1 3理论依据 比尔定律是用比色法测定样品中的某一组分的基础。该定律适用于低浓度的溶液。求解 公式如公式( 卜1 ) 所示： a ( a ) = b c ( 1 1 ) 其中e 为待测组分的摩尔吸光系数，b 为光程，c 为该物质的浓度，a 为该物质在波长 为a 时的单色光的吸光度l m l 2 4 1 。 当有两个组分时，求解公式如公式( 卜2 ) 所示， l 名n 皤1 ) + 以l 何2 ) ( 1 2 ) 爿“一爿i 2 ( 射1 ) + 爿 2 僻2 ) 其中，a ，、以2 分别为物质在波长为t 、如的单色光处的吸光度值，一 1 ( x o 、 2 串垂塞韭夫学壤毒学整论文第一章瑙寓 a 4 l ( x 2 ) 及a 柏( x 1 ) 、一 2 ( x 2 ) 分别为物质中x i 、x 2 两种纸分在 、a 2 波k 处的吸光 度值。 。 羁样对多缎努匏测鬣，邀霹褥峦类弦静求蜒公式+ 翔公式( 1 - 3 ) 掰示， 爿 1 = 1 ( x 1 ) 十一 l ( x i ) - i - + 爿 1 ( 以) a 2 = a 1 2 ( x 1 ) + ( x 2 ) + - i - 4 1 2 ( 。) ， 、ld ， 一翩= 翩 z 1 ) + 一抽z 2 ) + + 名跏( 以) 其中，公式( 1 - 3 ) 中备符号的意义与公式( 1 - 2 ) 相同，欲求山物质中n 个组分值，黼 满足m 挎。 话薅辞琦综合溺定坟著获溅定薛绿素a 、时绿素b 释s p a d 僮，嚣剐上至少需三个浚长。 为此，在进行本仪器的开发前期用曰立5 5 7 趔双波长救光束紫外可见分光光度计进行模 拟实验对叶片在7 个波妖点处进行光谱的扫描，升利用多元线性同归分析方法进行同归曲 线戆揪台，发现所崩波疑数越多，测越效摹越封：但这种变化越来越缓懂，尤其楚3 令波装 以后，随着波妖数韬增翔，溯鼙效聚改善举最莠。翊三个波疑测量对黔最优渡菠为6 0 0 a m 、 6 4 5 n m 和6 7 5 n m 2 5 1 2 6 。 所以，本仪器将选用以上三个波长，同时为消除叶片厚度和叶绿素以外的其它组分的吸 收等方嚣露潮袋缝暮缒影确，莉j ：l ；| 9 4 0 a m 波受俸海参魄渡。 仪器歼靛过程是：选一定墩的卧片( 魏5 0 片) ，准确测定卧绿素a 、州绿素b 和s p a d 值，并在开发的仪器上测定邀些叶片在兰个波长上的吸收值；用多元线性嗣i | 建立两者的关 系，印模型；把模型存入仪器申，测定叶片程三个波长上的吸收值就可得到叶绿素a 、 叶 绿素b 彝s p a d 篷。 3 中鞋农业太学硕士学位论文 第二章系统磷件设计 第二章系统硬件设计 2 ，l 系统整体设计思路 活体时膀综合溅定仪的设计方案采用圈定波长光的透射方法。 仪器静耧体设计采耀模块纯瓣想，按照便器的组成结构，可将其分为：光学部分、样品 室及其附件部分、检测器部分、信号放大调珊部分、控制系统等激个部分。信号在系统中的 接递链可曩嚣2 - 1 夔摹表示。 圈2 - 1 仪器组成结构圈 其中，控制系统是仪器的核心部分。主要包括：信号采集与控制、人机接口( 键盘和显 示器) 、数据存储及上位机接口五个功能模块，如图2 - 2 所示。 r 。- 1 1l 动电路 卜一显示器 j i 样品室 h | 数据存储 l 控制器 h y 忡 l 检测器 0 _ 一数据上传 l 信号放大调li 信号采集 - 一键盘l 理l 口 二二爿与控制 1 图2 2 控制嚣及其外围模块框蛋 2 2系统各功能部件设计方案 4 孛晷农鼗犬学磺士学往论文第二章系统醺俘设计 2 。2 。 控制器部分霹7 l 渊溯1 3 0 l 控制器采用粥p 4 3 0 f 1 4 9 激单片枫，此款单片机楚? i 公司推出的m s p 4 3 0 系列举靖机中 功能较强的一种，它有以下特点。 m s p 4 3 0 f 1 镬系麓单冀撬的系缓特熹： ( 8 ) m s p 4 3 0 具有王她缀1 6 谴r i s c ，冀i 0 秽鼍以运牙拦不弱懿时钟下。 ( b ) 采用超低功糯设计理念，1 8 卜q 6 v 的供电电压，在2 2 v 电压3 2 1 z 晶辗系统 中工份电流7 鼻a ，在2 2 v 嗽压l 自删毫晶振系婉中工作电流2 8 0 pa ，电池霹保持长 酎润的工作。c p u 肉虢态寄存器鞠中的s c 6 1 、s c g 2 、o s c o f f 与功耗有关，可由牧 终缎会戚6 静王搏模式。如瓣2 蜉获示 c c ，p a 图2 _ 3 刚0 f l m 单片机低功耗耩式工作电流示意圈 ( c ) 采用f l a s h 存储器作为程序代码及信息的存储，具有6 0 k b 的f l a s h r o m 、2 k br a m ， f l a s h 擦写次数高达l o 万次。 ( d ) j t a g 下载代码，具有在线擦写，在线调试功能。 璐p 4 3 0 f 1 4 x 系列单片机包括下面的片内外设： ( a ) 基本时钟系统( 片内一个d c o + 和两个晶体振荡器) ( b )看门狗定时器通用定时器 ( c ) t i m e ra 3 ( 带3 个捕获比较寄存器和p w w 输出的1 6 位定时器) ( d ) t i m e r _ b 7 ( 带7 个捕获比较寄存器和p 哪输出的1 6 位定时器) ( e ) i o 端口l 、2 ( 每一个有8 个i 0 ，均具有中断功能) ( f )i o 端口3 、4 、5 、6 ( 每一个有8 个i 0 ) ( g )比较器- a ( 精确的模拟比较器，常用于斜边s l o p ea d 转换) ( h )a d c l 2 ( 1 2 位a d ，带有采样保持功能，电压基准等) ( i )u s a r t 0 ( 通用同步异步串行通讯接口0 ) ( j )u s a r t i ( 通用同步异步串行通讯接口1 ) ( k )硬件乘法器 5 c 4 4 3 3 2 2 1 1 中嘲农业大学醐士学位论文第二章系统硬件设计 !iiiiiiii,ii i i i i i i i 葛喜烹量拳篡兰竺! 詈篁拳詈詈詈詈皇烹拦兰! ! 巴 ( 1 )内部集成一个温度梅感器 由于活体叶片综合钡i 定仪属便携式仪器，需电池长期供电，而m s p 4 3 0 p 1 4 9 微控制器具 害菝上特意，十劳逶奢歼发蠖携锭器静要袋，教选瑙萁箨为系统耱主控潮器。 蜗p 4 3 0 f 1 4 9 控制器在本仪器应用中的几点说明【3 1 】【3 2 】【3 3 】m 】【3 5 】 考虑到系统对电路接体功耗的要求，将控制器的高频晶体振荡器管脚外接8 埘z 晶体， 低频晶体振荡器管脚外接3 2 k h z 晶体。这样针对不同的工作方式和不同的功能模块可以 选择不同的时钟源进行驱动。有利于系统整体功耗的降低。如在进行a d 转化时可以选 用高频晶体振荡器作为系统工作的时钟源，而在进行数据上传时可以选用低频晶体振荡 器作为驱动时钟等。 i 0 端口l 、2 ( 每一个有8 个i 0 ，均具有中断功能) ，本系统的键盘接口就是利用i o 端口的巾颧劈能实现的，不健电路麓攀、可靠、动耗 毳，褥且控剑器能够在 5 2 1 5w rl w r i t em o d ep 5 3 1 6 v c c 3 3 v s u p p l yv o l t a g e d v c c 1 7v s s0 vg r o u n db g n b 1 8 娆 n oc o n n e c t e dn oc o n n e c t e d 2 2 1 1 键斑的设计 键盘是另一种形式的人机接口，如果把显示器接口称为“视觉接口”，那么键盘可以称 为人机之间的“触觉接口”，通过它用户可以对仪器进行控制，以实现所需功能。 本系统利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的p 2 端口设计键盘的连接，键盘结构为矩阵键盘。 微控制器对键盘的响应采用中断方式，这样可以节省时间使系统工作在低功耗模式，有 利于系统功耗的降低。 2 2 1 2 数据保存【4 3 】 便携式仪器特点之一是能够随时随地进行数据的简单处理与保存，为实现数据掉点保护 功能，本系统选用m i c r o c h l p 公司的2 4 l c 0 4 作为数据保存模块，其与微控制器的连线简单， 且通用性强，可以应用在多种场合。 使用1 2 c 串行接口的2 4 l o m b 存储芯片优点很多，尤其是这类芯片的兼容性强，如果 存储空间不够用，可以换上更大容量的芯片如a t m e l 公司的2 4 w c 2 5 6 等；如果觉得速度 不够快，或者功耗大，还可以选择r a m t r o n 公司的铁电存储器f r 2 4 c l 6 4 芯片等。 总之，按照本系统设计的数据存储模块。一定可以找到适合应用的芯片。 2 2 1 3 数据上传接口【删 数据上传接口的功能是实现数据从下位机到p c 机的上传，以便p c 机对数据进行处理。 采用r s 2 3 2 串行通讯可以满足本系统开发对软件和硬件的要求。而且r s 2 3 2 串行通讯的硬 件连接和软件设计相对简单，开发周期短、价格低廉，相对来说更适合本仪器的开发。 r s 一2 3 2 电平转换芯片用m a x i m 公司的m a x 3 2 2 1 收发器。m a x 3 2 2 1 也是具有低功耗特点 的接口器件，通过e n 、f o r c e o n 、f o r c e o f f 引脚可以控制驱动器、接收器的工作状态，启动 或禁止自动降低功耗功能，从而使其_ 作在不同的能耗状态，达到降低功耗的目的。 1 4 孛营表整天学硬圭学证论文 第二章系统醺俸设计 i i i i i p i n o p i l l n a r n cf u n o t i o nc o n n e c t e di n4 3 0 舷4 9 l厦n r e c e i v e re n a b l ec o n t r o l p 3 t 4 5 c 2 + p o s i t i v et e r m i n a lo f i n v e r t l u g管脚5 ，6 之阉连接一十 c h a r g e - p u m pc a p a c i t o r 0 1 f 电容 6 c 2 一 n e g a t i v e t e r m i n a lo fi n v e r t i n g c h a r g e - p u m pc a p a c i t o r 7 v 一 5 5 vg e n e r a t e db yt h ec h a r g ep u m p 姆地之间连一个0 1p f 毫容 8 r n r s - 2 3 2r e c e i v e ri n p u t s r s 2 3 2 输癌3 脚 1 3 t0 u t髂- 2 3 2t r a n s m i t t e ro u t p a t sr s 2 3 2 输出2 脚 1 1t t t l c g o st r a n s m i t t e ri n p u t s p 3 6 9 r0 u t t t l c m o sr e c e i v e r0 u t p u t s p 3 7 1 0压n 虹西 o u t p u to ft h ev a l i ds i g n a ld e t e c t o r 枣连接 1 6 整毽鼬：昏甍警d r i r el o wt os h u t d o w nt r a n s m i t t e r sa n d p 3 5 o n - b o a r dp o w e rs u p p l y 1 2f o r c e o nd r i v eh i g ht o o v e r r i d ea u t o m a t i cd v c c c i r c u i t r yk e e p i n gt r a n s m i t t e r so i l 4c 1 -n e g a t i v et e r m i n a lo ft h ev o l t a g ed o u b l e r 管脚4 ，2 之间遴接一个 c h a r g e - p u m pc a p a c i t o r 0 1 “f 电容 1 4g 硒g r o u n d d g n d 1 5v c c + 3 o vt o + s 5 vs u p p l yv o l t a g e d v c c 3 v + 5 5 vg e n e r a t e db yt h ec h a r g ep u m p 与地之间连一个0 , 1 f 电容 2 c l +p o s i t i v et e r m i n a lo ft h ev o l t a g ed o u b l e r管脚4 ，2 之间避接一个 c h a r g e - p u m pc a p a c i t o r 0 , 1p f 电窑 中国农业大学硕士学位论文 第三章系统下位机软件设计 第三章系统下位机软佟设计 3 1 下位机编程软件的选择 m s p 4 3 0 系列单片机可以利用i a r 公司的w o r k b e n c h 和c - s p y 编译器。通过j t a 6 直接下 载至片内f l a s h 内存，脱机运行即可实现用户软件所需实现的功能。整个用户界面友好，调 试过程中可以在上层软件中看到各寄存器的内容并在线修改，支持单步运行，在线观察定义 的各个变量实时值。 本次开发使用i a re m b e d d e dw o r k b e n c hi d e 的e w 4 3 0 v 2 2 1 b 版本软件，其采用把所有 相关文件放入一个项目中的组织方式，编译运行时软件会自动将文件按内在联系自动组合在 起支持汇编和c 语言的编程。追求效率的用户可自由选择只有2 7 条精简指令的汇编语 言，直接实现对寄存器的控制；般的用户可以选择c 编程，i a r 的c 与a n s i 的规格一致； 兼容i e e e 的浮点算法；长识别符快速编译性能、优化的代码、灵活的变量分配和可移植性 能、易于理解的出错和警告信息。 所有这些优点都将大大缩短开发周期，降低开发难度。可以说m s p 4 3 0 的软件使用是相 当简洁、方便、高效的。 3 2主程序工作流程 系统主纛滓楚仪器熬糖款搏运费瓣框絮，瞧是囊鬻鞔侮程痔褥潋执孬熊入鬈。程这里完 成袭统参数的设置和外部各个功能模块的初始化，针对于本仪器还增加了对背景能黛的测 量。 对于非实时操作系绕而言，策统主程序中必须包含一个死循环语句体，这样程净才能在 上电复位后得以持续的邀行。本系统的主程序仍采用此法，在主襁序中加入一个死循环语句 体。 需要强调的是，在礅仪器主程序的结构组成中，包括对大凝按键功能函数的转移调用， 所以主程序的代码量相对较大，蕾起来相对复杂些，但是这样做掰以减少童程序对各个功能 模块的调用次数。即可眩提高程序的执行效攀。 1 6 中衡农业大学硕士学位论文 第三章系统_ f 位机软件设计 皇皇鼍量曼摹皇量鼍暑量嘲嘲嘲圈量_ i i i ii li i 嘲舞兽 3 2 1 童程序工作流强阂 返回 圈3 1主程序工作流程圈 3 ，3初始纯各功麓模块 各功能模块豹初婚纯主要是对系统所需豹模块避符运行魏的参数设嚣，凡点谎嘴： 1 本仪器属于便携式仪器，设有手动复位按键，如出现死机现象，可以手动强行复位 系绫，薮不嚣装系统看门狗。美瓣蠹熟鑫豢的番门麴定鞋器，也楚出予尊露功耗的 考虑。 1 7 中国农业大学硬士学位论定 第三章系统下位机软件设计 l u i 鼍鼍皇皇量墨爿礤删皇皇量置芭 2 ，5 l s 鹣3 0 f 1 4 9 徽控裁嚣懿i o 演d ，是难霹自强，两置是多静功辘裹矮戆，簌秘矮i t o 口进行外设控制时，簧首先选择备i 0 d 的功能，即燃用来作为普通端口使用还是 鼹馋第三功缝。此后述必须对i o 端蜀_ 进行方惫设置，才可以蠢裳工作。代码量掘 对较大，但怒使用起来很灵活。 3 本仪器的模数转换器( a d c l 2 ) ：是l i s p 4 3 0 f 1 4 9 部自带的，a d c l 2 功能相当强大，对它 豹镑建稼摇对复杂些，不毽要竣鬟a 瓮强豹内帮参数，还需要对a 蕊1 2 攘号豹赣a 遥 道和输出通道进行设鬻。 4 。 本仪器霈要驻对进行数据的保存，所以外部掉电保护枣储器是必需的。辩枫后不但 鼙对其进行翻始纯，褥虽要对其谶行必要的自检，戳僵随时获敬它缒工律状态。 5 外部通讯模块初始化脏关闭使能，节省功耗需要时樽打开。 6 ， 渡器显示器戆翅戆健我翅户提承潺夔显录。 7 键盘中断响艘函数的韧始化及调度。 8 。不需要的系绞参数进杼节能设誉。 瓣3 - 2 繁统耪始豫搬成藩 中麓农戴大学硕士学位论文第羔黎系虢下位枫软秘设计 一i i i 1 1 1 1 i ii i i i i i i i i l l 曼 3 4液晶盛瀑器襁始仡和键盘亨j 描流耩设计 3 ，4 。 滚摄显示嚣耪始纯 表3 - 1k s 0 7 1 3i n s t r u c t i o n i n s t r u c t i o n趣7斑璐秘5 脚4嘴黯2豫l嫩 d i s p l a y l ol0ll l黼o x a f o n o f f i n i t i a lol s t 弓甜4 s t 3 s t 2s t ls 佝o x 4 0 d i s p l a yl i n e s e tr e f e f e n c elooooo ooo x 8 l v o l t a g em o d e s e tr e f e r e n c e s 铥s 辩s v 2s y ls v oo x 2 e v o l t a g e r e g i s t e r a d cs e l e c t l0l000o d co x a o r e v e r s elol0oll槲o x a 6 d i s p l a y 嫩 噼 e n t i r el0l0 0 l0嚣o no x a 4 d i s p l a y o n o f f “灌b i a slolo00lb l so x a 2 s e l e c t r e s e tlll o00 l oo x e 2 s h ls e l e c tl100s 甩o x c o p o w e rc o n t r o l 0 o l0lv cv rv f0 1 2 f r e g u l a t o r ooloo黼r 1 r o o x 2 5 r e s i s t o r s e l e c t s e ts t a t i c 1olo1l0鞭o x a d i n d i c t o rm o d e 1 9 孛蕈敷照大学磺士学缘论文第兰章系统下盛壤软赞设计 皇曼董姊一i i 胃曩薯置息皇曼鼍皇皇基燎皇寰鼎燃舞墨墨 3 4 。2 键盘扫攘滚毽 曩3 3 羧键娃理浚程 2 0 中酋农业大学碛士学位论义第三章系统下位机软件设计 3 ，5灏声界面设计 3 。5 。 瘸声雾覆援豢语 表3 - 2开帆韧始化用户界面提示语 界面提示语功能描述 可操作的按键 欢迎使用本仪器 开机画面无 初始化中请稍后进入系统初始化无 外部存储器自检完毕检查外部存储器正常无 系统工作电压白检完毕电压过低检测无 模数转换模块初始化完毕准备用来测量背景能量 无 关闭样品室按测量键开机一次性初始化背景能量m e a s u r e k e y 测量背景能量中数据处理中无 背景能量测量完毕提示用户可以进行实际测量p u n c t i o n k e ym e a s u r e k e y 请按功能键或测量键仪器操作功能选择m e a s u r e k e yf u n c t i o n k e y 上传数据到上位机与p c 机通讯u p k e yd o w n k e yo k k e y 上传数据完毕 通讯结束所有按键 保存数据存数据到外部存储区u p k e yd o w n k e yo k k e y 删除外部存储区数据将外部存储区数据删除u p k e yd o w n k e yo k k e y 读外部存储区数据并显示 察看外部存储区数据u p k e yd o w n k e yo k k e y 3 5 2 用户界面状态转换流程 魏娃搿说豹翔产努嚣是撸纹攀豹滚暴箍示器赛禚，遴建瑶产：雾覆秘褥示语，搜翊者霹豁 髓过操作键盘来进行仪器功能的选择，进而实现对仪器的使用。 一个德单、友好驰用户界露，对使用纛来说相当壤要，它戡搂影响用户操作仪嚣的效率。 奉仪器在用户界面静开发上力求操作篱举、功能齐全、使餍灵活。 由于用户界面属于多级菜孳界面，为编程方便黹鬻对各个界面进行驻示状态的定义，即 将不同戆翔户秀嚣定义残枣羁豹妖拳，翔蛰毙嚣麴鹜爨能量测定宠瑷蓐遴入毂雾嚣敬态定义 为状态0 等。 在下颟的流程圈中，为节衡空间用键璐值表示所按下的按键 i 键码值 123456 l 功能描述m c a s u 墙k c yf t m c t i o n k c yu p k c yd o w n k e yr e s e t k c yo k k e y 袭3 3 孛番令按键懿麓戆攒述搬下； 1 测量键( m c a s u r e k e y ) ：此键朋来测量实际的结粟，按一次进行一次测繁。 2 功能键( f u n c t i o n k t y ) ：按下此键可以选择仪器所能实现的每个功能，常结合下穆键和上 移键使瑁。 3 上移键( u p k e y ) ：此键用于翻屏，显示上一个鳍槊或者上一个功能菜单。 4 f 移毽( d o w n k c y ) ；她键鼹手藏屡，搬示下一个缝果或老”f 一个功熊菜单。 5 ，复位键( r e ”t k c y ) ：当软件不能正常工作时，按此键可对系统复位。 6 确定键( o k 如y ) ：当屏幕上鼹示某一个功能菜单附，按此键可以实现菜单显示的功能。 中国农业大学硕士学位论文第三章系统下位机软件设计 hh q l l li i 鼍舅邕寡黑皇皇s s 毫 圆圈圈 l 1 。，1 。，一1 。，。一 翻3 - 4键盘实诱圈 图3 5液晶用户界面状态转换圈 说明：图中所标注的数字是按键的对廊键码值。 2 2 中篷农业大学硕士学位论文第三章系绫下垃帆软件设计 曩雹嘲姻簟墨墨尊螭邕期皇皇酬筹嘲_ l l l l l l l l l i l l l i i i i i ! l 葛麓鼍 3 。6a d c l 2 模块的软粹设计 3 。6 ，1a d c l 2 模块餐寄存舔控截位较髂设量 寄存器控制德所在露存辩功扼避蛾 取攘 a d e i 2 秣 a 饕1 2 c 誉鸯 关瓣a d c z 2 蠹棱控涮垃，惫“l ”鞋打开a d c l 2 内核， i 可避彳予转换，不用时可彗菇闭 i i e f o n a d c l 2 甜l o 内部参考电压控制位，为”i ”时内部参考电压发生 l 器打开，将消耗能量 r e f 25 va d c l 2 c r l o 内部参考电压的电压值i 敷择位，为“1 ”时选择内部 l 豹2 。￥参考电压 锄 a d c l 2 c 釉 采襻搽持定对m o ，定史了痿l 存在转抉绻莱存储嚣 1 2 a d c l 2 1 t 糊o a d c l 2 删7 巾的转换采样对序 m s ca d c l 2 c t l o 多次采样转换位， 1 s h pa d c l 2 c t l l 采样信号选择控制位，为“i ”采样信号直接源自采l 样定时嚣 c o n s c 1 2 c 1 龟l 转捺攘式选辑链，为“2 ”选择萃遥遵多次转换 2 i ! 稳l0& d e l 裔科 选择横糕输入迸遂矗。 l s r e fla d c i 删l o正负檄静考电压深翡能选择位1 d c l 2 i b oa d c l 2 i e 中断使黻位，使能在中断标蒜寄存器中的对德 l a d c l 2 i i 堪x 位 e n c a d c l 2 e r 转换兔弹证。为“l ”时允许a i ) c 1 2 模块进行转转，不 l 焉对饕虢芙辩 矗d c l 2 s c d e l 2 饼l o 采样转换控制谴，为“l ”时启动转换操作 l 3 。6 2a d c l2 模块弱攀遘遂多次转攘较释流程 图3 _ 6a i ) c 1 2 模块单通道工作方式软件设置溉程 3 7低功耗的软件控制 3 7 1 微控制器工作方式的选择 0 m s p 4 3 0 的工作模式通过模块的智能化运行管理和c p u 的状态组合以先进的方式支持 超低功耗的各种要求。c p u 内状态寄存器s r 中的s c g 0 、s c g l 、o s c o f f 、c p u o f f 与低 功耗有关，可由软件组合成六中工作模式。 中国农业大学硕士学位论文 第三章系统下位机软件设计 3 7 2 软件低功耗应用的一般原则 很多情况下，减少系统功耗消耗的最熏要的因素是使系统工作在l p m 3 的时阎媸长。在 实时时钟和所有中断都激活的情况下，l p m 3 的功耗热型值不超过2 a 。3 2 k h z 的钟表晶 体振荡嚣佟为a c l k 静潜锋濂，弗量硎鼹嚣6 i ls 勰胃瑷被d e 0 唤醒。 使用中断方式唤醒微控制器及控制程序流程 癸垂嚣转哭嘉在爨要鹊斑镞才题软搏抒野 快速鸯找表应该适当的被威用 液晶显示用的汉字码以常蘸的形式保存 避免频繁豹子稷穿鞫西数调羯 少用类似于软件髓时的子程序，并且膨优化内部的语句体，使其能柱单个c p u 周期能 完成执行。 ：耋鍪兰銮耋鎏考兰笔鎏耋慧鎏茎釜耋譬釜鍪兰茎耋 第四章系统上位视软件设计 4 s 1 1 4 6 4 7 4 1系统上位机软件开发目的 本仅器的软件开发不值魏括下位机软件开发，也包括崧不可少的上诬帆软件豹开发。其 毽戆是剃用p c 枫与咛嚣综台测定纹进雩亍避讯，迸嚣建立适会某一类植物时肆测定方法的模 型。最后将得到的模型参数下传到叶片综食测定仪，叶片综合测寇仪利用所得到的参数组合 藏模型帮胃进行奸片攒秣豹灏耋。 4 2上位祝软件编程语富的选撵 上位机软件开发选用c + + b u i l d e r 5 编程语言，c + + b u i l d e r 5 编程语言是一种与c + + 兼容 的面向对象的程序设计语言实质是在c + + 语言的基础上增加了可视化编程所需的控件对 象，在可视化软件编程中受到很多用户的青睐。优点如下 软件与c + + 兼容，易于学习 语言规则简单，易于理解 集成控件丰富，功能强大 开发周期短，容易维护和进行功能的扩展 4 3 上位机软件的界面设计及编程思路 上位机软件开发力求做到界面友好，功能简单易用，操作流程清晰易懂。大体上可以将 软件面板分成下面几个区， 1 数据接收区；数据接收区用来接收来自下位机的数据，具体来说是用c + + b u i l d e r 5 自带 的栅格控件来对数据进行放置，在1 2 行9 列的栅格( 1 2 9 ) 中，将每一行定义一个标号， 用来表明传输数据的次数，最后两行分别表示某一列数据的平均值和相对于参考电压所 对应的电压值。 2 功能控制区；此区中定义了5 个按钮，分别对应不同的功能。 关闭串口按钮：用来关闭通讯串口，中断进行中的通讯；按钮右侧设有一个状态指 示灯，当串口关闭时指示灯为“红色”，此时通讯参数设置区的串e l 号一项变为灰 色，表明此时的通讯串c i 不能用；当状态指示灯为“绿色”时串口可用。 求平均值按钮：此按钮的功能是对某一列数据进行平均值的计算。 保存数据按钮：保存位于数据接收区中的所有数据，可以选择文本格式( t x l ) 和e x c e l 格式进行存储。 清除数据按钮：清除数据接收区中所有数据，为下一次通讯做准备。 关闭窗口按钮：关闭整个通讯程序的逛行，同时窗口界面消失。 2 6 ：誊奎鏊查耋薹奎耋譬鲨銮篓登耋鍪鎏占譬鎏警盐兰未 3 逡最参数设置嚣：魏醒中浚骞赢个维合攥，瓣痊予不翔静通讯参数设鬻。 串秘号：霹选据c o m i 袋c o m 2 渡特搴：霹选括鲻、1 9 2 0 0 0 或4 8 0 0 数据健：可选择7 戏8 侥 停业像：