<p>2018 年4 月 第29 卷 &nbsp;第2 期 照 明 工 程 學(xué) 報(bào) ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAO Apr. &nbsp; 2018 Vol.29 &nbsp;No.2 LED 植 物 補(bǔ) 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 王 啟 星 1，2 ， 徐 景 宏 1 ， 張 昕 昱 1，2 ， 王 &nbsp;通 1，2 ， 劉 &nbsp;文 1，2 (1. 中 國 科 學(xué) 技 術(shù) 大 學(xué) 物 理 學(xué) 院， 安 徽 合 肥 &nbsp;230026；2. 中 國 科 學(xué) 技 術(shù) 大 學(xué) 先 進(jìn) 技 術(shù) 研 究 院， 安 徽 合 肥 &nbsp;230088) 摘 &nbsp;要: LED 植 物 工 廠 等 都 市 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 和 研 發(fā) 的 基 礎(chǔ) 是 對 植 物 生 長 的 光 環(huán) 境 的 測 量， 由 于 植 物 光 合 作 用 主 要 是 吸 收 可 見 光 中 的 紅 光 和 藍(lán) 光， 因 此 現(xiàn) 在 有 關(guān)LED 植 物 工 廠 的 企 業(yè) 以 及 研 發(fā) 機(jī) 構(gòu) 多 采 用 藍(lán) 光、 紅 光、 遠(yuǎn) 紅 光 等 單 色 LED 進(jìn) 行 植 物 補(bǔ) 光， 然 而 現(xiàn) 在 用 于 對 單 色 補(bǔ) 光 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 多 用 于 測 量400700nm 波 段 的 光 量 子 通 量 密 度， 無 法 同 時(shí) 測 量 紅 光 和 藍(lán) 光LED 的 光 量 子 通 量 密 度， 給 進(jìn) 一 步 研 究 光 質(zhì) 比 的 實(shí) 時(shí) 測 量 及 與 其 他 系 統(tǒng) 的 反 饋 控 制 帶 來 了 阻 礙。 因 此 本 文 提 出 分 別 測 量LED 光 源 中 紅 光 和 藍(lán) 光 的 光 量 子 通 量 密 度 以 解 決 以 上 問 題。 本 文 闡 述 了LED 光 量 子 數(shù) 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 的 整 體 結(jié) 構(gòu) 以 及 硬 件 設(shè) 計(jì) 以 及 軟 件 設(shè) 計(jì)， 并 用 該 系 統(tǒng) 對 紅 藍(lán) 光 光 量 子 數(shù) 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 測， 然 后 和 實(shí) 際 值 進(jìn) 行 比 對， 結(jié) 果 表 明 該 系 統(tǒng) 所 測 數(shù) 據(jù) 在 可 承 受 的 誤 差 范 圍 之 內(nèi)。 關(guān) 鍵 詞: 植 物 工 廠； 補(bǔ) 光 源； LED 光 量 子 數(shù)； 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng)； 光 環(huán) 境 檢 測； PAR； FPGA 中 圖 分 類 號: TM923 &nbsp; &nbsp;文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼: A &nbsp; &nbsp;DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2018.02.012 DesignofPhotoFluxDensityDataCollectionSystemfor LEDPlantLighting WANGQixing 1，2 ，XUJinghong 1 ，ZHANGXinyu 1，2 ， WANGTong 1，2 ， LIUWen 1，2 (1.SchoolofPhysicalSciences，UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei &nbsp;230026， China； 2.InstituteofAdvancedTechnology， UniversityofScienceandTechnologyofChina， Hefei230088， China) Abstract: Urbanagriculture， such as LED plant factory， based its research and development on the measurementofluminousenvironmentforplantsgrowth. Plantmainlyabsorbsredandbluelighttogrow， therefore，LEDplantfactoriesandresearchinstitutionsusemonochromeLEDlightsforplantsupplemental lighting. The PAR quantum sensors， which could measure the photon flux of radiation in the spectral interval400700nm，cantmeasurephotonfluxofredandblueLEDsimultaneously. Thisblocksthe furtherresearchonrealtimemeasurementsandsystemfeedbackcontrol. Therefore，thispaperpresentsa dataacquisitionsystemformeasuringtheamountofredandbluelightintheLEDlightsourcerespectively， tosolvethe above problems. Thispaperdescribesthe LEDlightquantumdata acquisitionsystem，the overall structure and the hardware design of each part and the host computer design. And the system monitorstheredandbluelightquantumnumberinrealtime，andthencomparesthedatawiththeactual value. Theresultsshowthatthemeasureddatainthesystemiswithintheerrortolerancerange. Keywords: Plantfactory；Filllightsource；LEDlightquantumnumber；datacollectionsystem；Light environmentdetection， PAR， FPGA 基 金 項(xiàng) 目: 安 徽 省 科 技 廳 科 技 重 大 專 項(xiàng) 項(xiàng) 目 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 光 照 傳 感 器 及 智 能 光 照 控 制 系 統(tǒng) ( 批 準(zhǔn) 號:16030701093) 通 信 作 者: 劉 文， E-mail: wenliuustc.edu.cn 54 &nbsp; &nbsp; 照 明 工 程 學(xué) 報(bào) 2018 年4 月 引 言 這 幾 年 隨 著LED 技 術(shù) 的 發(fā) 展， 以LED 為 農(nóng) 作 物 生 長 補(bǔ) 光 源 的 城 市 農(nóng) 業(yè) 快 速 發(fā) 展 1 。 由 于 植 物 葉 綠 素 的 吸 收 光 譜 在 紅 光 波 段 以 及 藍(lán) 光 波 段 有 兩 個(gè) 主 要 的 吸 收 峰 2-3 ， 導(dǎo) 致 這 兩 種 光 的 光 合 效 率 最 高 4 。 此 外， 植 物 從 發(fā) 芽 經(jīng) 過 吸 收 營 養(yǎng) 進(jìn) 行 生 長 再 到 開 花 的 整 個(gè) 過 程 受 到 遠(yuǎn) 紅 光 影 響 5-6 。 所 以 現(xiàn) 在 植 物 工 廠 補(bǔ) 光 源 以 峰 值 波 長450nm 的 藍(lán) 光LED、 峰 值 波 長 660nm 的 紅 光LED 以 及 峰 值 波 長 為735nm 的 遠(yuǎn) 紅 光LED 為 主 要 補(bǔ) 光 源 7 。 又 因 為 光 合 作 用 生 成 的 分 子 數(shù) 與 光 子 能 量 無 關(guān)， 而 近 似 與 光 合 有 效 輻 射 吸 收 的 光 子 的 具 體 數(shù) 量 相 關(guān) 8 ， 所 以 現(xiàn) 在 植 物 工 廠 中 對 補(bǔ) 光 源LED 測 量 多 以 測 量 其 光 合 有 效 光 量 子 通 量 密 度 (photosyntheticphotonfluxdensity， PPFD)。 因 此 設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 可 以 探 測 出 植 物 工 廠 補(bǔ) 光 源LED 的PPFD 數(shù) 值 的 探 測 系 統(tǒng) 勢 在 必 行， 并 且 植 物 生 長 主 要 是 吸 收 紅 光 和 藍(lán) 光， 所 以 本 次 設(shè) 計(jì) 主 要 探 測 紅 光 以 及 藍(lán) 光LED 的PPFD。 為 了 實(shí) 現(xiàn) 上 位 所 述 的 功 能， 本 文 設(shè) 計(jì) 了 一 個(gè) 以 FPGA 芯 片 和USB2.0 芯 片 為 基 礎(chǔ) 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng)。 由 于FPGA 運(yùn) 行 程 序 的 速 度 較 快， 需 要 開 發(fā) 的 時(shí) 間 短， 芯 片 的 集 成 度 較 高， 耗 費(fèi) 的 功 率 較 低， 內(nèi) 部 包 含 高 頻 率 的 時(shí) 鐘， 組 成 形 式 靈 活。 因 此 本 次 設(shè) 計(jì) 采 用FPGA 作 為 主 控 芯 片 可 以 很 好 的 完 成 實(shí) 時(shí) 的 光 量 子 數(shù) 采 集 并 且 該 采 集 系 統(tǒng) 具 有 重 要 的 應(yīng) 用 價(jià) 值 9-10 。 1 &nbsp;系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 該 系 統(tǒng) 主 要 有 六 個(gè) 部 分: 信 號 采 集 處 理 模 塊； ADC 模 擬 量 轉(zhuǎn) 化 數(shù) 字 量 模 塊； FPGA 主 控 模 塊； USB2.0 芯 片 模 塊； 上 位 機(jī) 模 塊； 系 統(tǒng) 電 源 模 塊。 該 系 統(tǒng) 首 先 同 過 信 號 采 集 處 理 模 塊 將 植 物 工 廠 補(bǔ) 光LED 光 源 的 光 強(qiáng) 度 轉(zhuǎn) 化 成 電 流 分 量， 然 后 經(jīng) 過 一 定 處 理 變 成 適 合ADC 的 模 擬 輸 入 信 號， 然 后 信 號 經(jīng) 過ADC 芯 片， 實(shí) 現(xiàn) 模 擬 量 到 數(shù) 字 量 的 轉(zhuǎn) 變， 這 之 后 通 過FPGA 內(nèi) 部 的AD 芯 片 接 口 將 轉(zhuǎn) 化 的 數(shù) 據(jù) 儲(chǔ) 存 到FPGA 內(nèi) 部FIFO 中， 然 后 再 由 內(nèi) 部USB 接 口 從FIFO 讀 取 數(shù) 據(jù) 傳 送 到USB2.0 芯 片 當(dāng) 中， 然 后 經(jīng) 過USB2.0 接 口 將 數(shù) 據(jù) 傳 送 到 上 位 機(jī) 當(dāng) 中， 上 位 機(jī) 將 傳 送 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 一 定 處 理 將 采 集 量 轉(zhuǎn) 變 為 光 量 子 數(shù)， 然 后 在 顯 示 頁 面 將 數(shù) 據(jù) 顯 示 出 來。 而 電 源 模 塊 負(fù) 責(zé) 給 其 他 相 應(yīng) 模 塊 ( 除 上 位 及 模 塊 以 外) 供 電。 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖1 所 示。 圖1 &nbsp;系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計(jì) 框 圖 Fig.1 &nbsp;Systemoveralldesignblockdiagram 1 &nbsp;系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計(jì) 圖2 所 示 為 系 統(tǒng) 硬 件 整 體 設(shè) 計(jì) 框 圖， 硬 件 采 集 板 主 要 包 括 光 學(xué) 傳 感 器 模 塊， 模 擬 信 號 濾 波 整 形 電 路， AD 芯 片 相 關(guān) 電 路， FPGA 主 控 制 芯 片 以 及 其 外 圍 電 路， USB2.0 芯 片 以 及 其 外 圍 電 路 等。 1) 光 學(xué) 傳 感 器 設(shè) 計(jì)。 根 據(jù) 圖3， 植 物 光 合 作 用 主 要 吸 收 太 陽 光 中 的 紅 光 以 及 藍(lán) 光， 所 以 現(xiàn) 在 植 物 工 廠 中 多 采 用 藍(lán) 光LED (450nm 的 峰 值 波 長) 以 及 紅 光LED (660nm 的 峰 值 波 長) 7 ， 因 此 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 需 要 兩 個(gè) 光 學(xué) 傳 感 器， 分 別 采 集 紅 光LED 光 強(qiáng) 以 及 藍(lán) 光LED 光 強(qiáng)。 光 學(xué) 傳 感 器 主 要 由 紅 光 或 藍(lán) 光 濾 光 片， 余 弦 修 正 片， PIN 光 電 二 極 管 構(gòu) 成， 結(jié) 構(gòu) 如 圖4 所 示。 通 過 光 學(xué) 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 可 知， 光 首 先 通 過 余 弦 修 正 片， 然 后 經(jīng) 過 紅 光 和 藍(lán) 光 濾 光 片， 最 后 產(chǎn) 生 光 電 流 傳 給 后 續(xù) 電 路。 光 電 二 極 管 采 用QSB34CGR 封 裝 的 貼 片 式 光 電 二 極 管。 圖4 中 余 弦 修 正 片 主 要 作 用 是 消 除 非 垂 直 光 照 第29 卷 第2 期 王 啟 星 等: LED 植 物 補(bǔ) 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 55 &nbsp; &nbsp; 圖2 &nbsp;系 統(tǒng) 硬 件 整 體 設(shè) 計(jì) 框 圖 Fig.2 &nbsp;Systemhardwareoveralldesignblockdiagram 圖3 &nbsp;植 物 葉 綠 素 吸 收 光 譜 及 典 型 植 物 照 明LED 光 譜 11 ， 紅 色 實(shí) 線 為 植 物 葉 綠 素a 吸 收 光 譜， 橙 色 虛 線 為 植 物 葉 綠 素b 吸 收 光 譜。 藍(lán) 色、 紅 色、 黑 色 光 譜 分 別 為 峰 值 波 長 為450nm 的 藍(lán) 光LED、 峰 值 波 長 為660nm 的 紅 光LED 和 峰 值 波 長 為735nm 的 遠(yuǎn) 紅 光LED Fig.3 &nbsp;AbsorptionspectraofPlantchlorophyllandtypicalLEDspectrums ofplantlighting 11 . TheredsolidlineistheabsorptionspectraofPlant chlorophylla，theorangedottedlineistheabsorptionspectraofPlant chlorophyll b. blue/red/black spectra respectively are blue (peak wavelength450nm)red (peakwavelength660nm) /far-red (peak wavelength735nm)LED 圖4 &nbsp;光 學(xué) 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 Fig.4 &nbsp;Opticalsensorstructurediagram 射 時(shí) 產(chǎn) 生 光 電 流 所 造 成 的 誤 差。 藍(lán) 色 濾 波 片 峰 值 波 長 在550nm， 帶 寬 大 約 為20nm； 紅 色 濾 波 片 峰 值 波 長660nm， 帶 寬 大 約 為30nm 左 右。 2) 模 擬 信 號 濾 波 放 大 電 路 設(shè) 計(jì)。 LED 光 經(jīng) 過 光 學(xué) 傳 感 部 件 轉(zhuǎn) 化 為 一 定 量 的 光 電 流 和 開 路 電 壓， 但 是 此 信 號 中 包 含 一 些 噪 聲 ( 暗 電 流 等)。 因 此 需 要 通 過 濾 波 電 路 將 噪 聲 處 理 掉， 又 因 為 光 傳 感 裝 置 所 產(chǎn) 生 的 光 電 流 和 開 路 電 壓 很 小， 所 以 要 經(jīng) 過 一 定 放 大， 已 達(dá) 到 后 邊AD 芯 片 的 輸 入 信 號 要 求。 因 此 光 傳 感 器 產(chǎn) 生 的 光 電 流 要 經(jīng) 過 濾 波 放 大 電 路 進(jìn) 行 初 步 處 理。 圖5 所 示 就 是 具 體 的 濾 波 放 大 電 路 的 電 路 設(shè) 計(jì)。 3) AD 芯 片 選 型 以 及 接 口 電 路 設(shè) 計(jì)。 本 設(shè) 計(jì) 采 用 某 公 司 的AD7980 芯 片。 其 具 體 接 口 電 路 示 意 圖 如 圖6 所 示。 當(dāng) 開 始 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 采 集 時(shí)， 首 先FPGA 先 將SDI 端 口 信 號 置 為 高 電 平， 然 后FPGA 將CNV 端 口 信 號 從 低 電 平 變 成 高 電 平， 芯 片 在CNV 信 號 上 升 沿 時(shí) 檢 測 到SDI 端 口 信 號 為 高 電 平， 芯 片 選 擇CS 模 式， 并 強(qiáng) 制SDO 端 口 進(jìn) 入 高 阻 態(tài)。 此 模 式 下， CNV 端 口 信 號 在 轉(zhuǎn) 換 階 段 和 隨 后 的 數(shù) 據(jù) 回 讀 期 間 必 須 保 持 高 電 平 ( 如 果SDI 和CNV 為 低 電 平， SDO 變 為 低 電 平)。 最 小 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 之 前SDI 端 口 信 號 返 回 低 電 平， 接 著 在 最 大 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 內(nèi) 保 持 低 電 平， 然 后SDO 端 口 在 一 段 時(shí) 間 低 電 平 信 號 之 后 的 第 一 個(gè) 時(shí) 鐘 下 降 沿 開 始 傳 輸 數(shù) 據(jù)， 當(dāng)16 位 數(shù) 據(jù) 傳 輸 完 畢 時(shí)SDO 端 口 變 56 &nbsp; &nbsp; 照 明 工 程 學(xué) 報(bào) 2018 年4 月 圖5 &nbsp;濾 波 放 大 電 路 的 電 路 設(shè) 計(jì) Fig.5 &nbsp;CircuitDesignofFilterAmplifierCircuit 圖6 &nbsp;AD 接 口 電 路 Fig.6 &nbsp;TheinterfacecircuitofAD 成 高 阻 態(tài)， 此 時(shí)FPGA 需 要 將SDI 端 口 信 號 拉 高， 等 待 下 一 次 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸。 4) USB2.0 芯 片 選 型 以 及 接 口 電 路 設(shè) 計(jì)。 當(dāng) 信 號 通 過 主 控 芯 片F(xiàn)PGA 處 理 之 后， 通 過USB 接 口 電 路 將 處 理 后 的 數(shù) 據(jù) 傳 送 到 USB2.0 中， 然 后 由 USB2.0 芯 片 將 上 位 機(jī) 進(jìn) 行 處 理 讀 取， 因 此USB 接 口 電 路 尤 為 重 要。 本 設(shè) 計(jì) 采 用 公 司 設(shè) 計(jì) 的 高 集 成 度、 低 功 耗 的EZUSBFX2LP 系 列， 具 體 芯 片 的 型 號 是 CY7C68013A 的 采 用USB2.0 協(xié) 議 的 集 成 芯 片。 其 具 體 接 口 電 路 如 圖7 所 示。 1.2 &nbsp;軟 件 設(shè) 計(jì) 為 了 讓 系 統(tǒng) 正 常 工 作， 除 了 硬 件 設(shè) 計(jì) 以 外， 還 需 要 相 應(yīng) 的 軟 件 開 發(fā)， 軟 件 部 分 主 要 分 兩 個(gè) 部 分: 主 要 控 制 芯 片F(xiàn)PGA 的 相 應(yīng) 程 序 開 發(fā)， 采 用USB2.0 圖7 &nbsp;USB 接 口 電 路 4 Fig.7 &nbsp;USBinterfacecircuit 通 信 協(xié) 議 的 集 成 芯 片 的 固 件 程 序 編 寫。 1) 主 控 芯 片F(xiàn)PGA 的 軟 件 設(shè) 計(jì)。 本 次 設(shè) 計(jì) 關(guān) 于 FPGA 設(shè) 計(jì) 主 要 分 為 三 個(gè) 部 分: AD 接 口 模 塊 設(shè) 計(jì)， FIFO 模 塊 設(shè) 計(jì)， USB 接 口 相 關(guān) 設(shè) 計(jì)。 具 體FPGA 軟 件 系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計(jì) 框 圖 如 圖8 所 示。 USB 接 口 設(shè) 計(jì)。 主 控 芯 片F(xiàn)PGA 里 的USB 邏 輯 接 口 部 分 主 要 有 兩 個(gè) 功 能， 一 個(gè) 是 將 上 位 機(jī) 命 令 進(jìn) 項(xiàng) 接 收 并 將 其 “ 解 讀” 成 對 應(yīng) 芯 片 完 成 相 應(yīng) 功 能 的 控 制 信 號， 另 一 個(gè) 是 將 之 前 獲 得 數(shù) 據(jù) 傳 送 到 USB2.0 芯 片 內(nèi) 部FIFO 中， 等 待 上 位 機(jī) 的 讀 取 處 理。 其 具 體 連 接 如 圖9 所 示。 AD 接 口 設(shè) 計(jì)。 AD 接 口 部 分 主 要 是 控 制AD 采 集 的 讀 取 時(shí) 間 以 及 將AD 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 讀 取 出 來 送 到FPGA 內(nèi) 部 的FIFO 中 進(jìn) 行 存 儲(chǔ)。 具 體 的 設(shè) 計(jì) 連 接 如 圖10 所 示。 AD 采 樣 部 分 主 要 由 四 部 分 組 成: 控 制 信 號 產(chǎn) 第29 卷 第2 期 王 啟 星 等: LED 植 物 補(bǔ) 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 57 &nbsp; &nbsp; 圖8 &nbsp;FPGA 總 體 設(shè) 計(jì) 模 塊 Fig.8 &nbsp;FPGAoveralldesignmodule 圖9 &nbsp;USB 接 口 模 塊 設(shè) 計(jì) 圖 Fig.9 &nbsp;USBinterfacemoduledesign 生 模 塊； AD 采 集 時(shí) 鐘 產(chǎn) 生 模 塊； 計(jì) 數(shù) 模 塊； 數(shù) 據(jù) 傳 輸 模 塊。 2) USB 的 固 件 程 序 設(shè) 計(jì)。 本 文 所 使 用 的 固 化 程 序 是 在keiluvision2 這 個(gè) 軟 件 環(huán) 境 下 編 寫 然 后 在 將 此 程 序 傳 輸 到USB 芯 片 外 部 的ROM 存 儲(chǔ) 器 中， 用 于 令USB2.0 芯 片 可 以 完 成 基 于USB2.0 協(xié) 議 下 的 數(shù) 58 &nbsp; &nbsp; 照 明 工 程 學(xué) 報(bào) 2018 年4 月 圖10 &nbsp;AD 接 口 模 塊 設(shè) 計(jì) 圖 Fig.10 &nbsp;ADinterfacemoduledesign 據(jù) 傳 輸， 具 體 的 程 序 流 程 圖 如 圖11 所 示。 圖11 &nbsp;USB 固 件 程 序 流 程 圖 12 Fig.11 &nbsp;USBfirmwareprogramflowchart 12 如 圖11 所 示， 在 給 系 統(tǒng) 通 電 并 通 過 外 部 復(fù) 位 按 鍵 將 系 統(tǒng) 復(fù) 位 以 達(dá) 到 將 程 序 中 所 使 用 的 程 序 變 量 置 為 初 始 狀 態(tài)， 這 之 后 采 用TD_ lnit () 函 數(shù)， 令 USB2.0 芯 片 變 為 初 始 狀 態(tài) 并 且 讓USB 芯 片 中 各 種 中 斷 處 于 使 能 狀 態(tài)， 然 后 就 是 通 過 判 斷 重 枚 舉 FLAG 位 是 不 是1， 如 果FLAG 位 為1 的 話 這 說 明 該 芯 片 需 要 重 枚 舉， 然 后PC 機(jī) 將 相 應(yīng) 的 驅(qū) 載 程 序 下 載 到USB2.0 芯 片 中。 如 果FLAG 位 不 為1， 則 該 程 序 需 要 等 到 上 位 機(jī) 傳 送 過 來 命 令 信 號 包 之 后 才 繼 續(xù) 運(yùn) 行， 而 后 程 序 將 對 收 到 的 命 令 信 號 包 進(jìn) 行 “ 解 析”， 看 是 不 是SETUP 包， 如 果 收 到 了SETUP 信 號 包 則 解 析 剩 余 控 制 命 令 包 并 完 成 相 應(yīng) 的 指 令， 如 果 沒 有 收 到SETUP 包， 則 運(yùn) 行 自 定 義 的 循 環(huán) 查 詢 程 序， 如 果 在 查 詢 之 中 接 收 到 中 斷 信 號， 芯 片 立 刻 掛 起 直 到 有 效 的 喚 醒 信 號 傳 送 進(jìn) 來。 2 &nbsp;實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 數(shù) 據(jù) 通 過USB2.0 通 信 協(xié) 議 從 電 路 板 上 傳 輸 到 上 位 機(jī) 中， 此 時(shí) 探 測 到 的 數(shù) 據(jù) 為 經(jīng) 過 處 理 后 的PIN 光 電 二 極 管 兩 端 的 電 壓 而 不 是 我 們 所 要 的PPFD 值， 所 以 我 們 需 要 對 探 測 到 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 一 定 標(biāo) 定， 又 由 于 紅、 藍(lán) 光 的PPFD 值 分 別 與 其 對 應(yīng) 的PIN 光 電 二 極 管 兩 端 電 壓 成 線 性 關(guān) 系 13 ， 所 以 只 需 將 所 測 的 PIN 光 電 二 極 管 兩 端 電 壓 與 實(shí) 際 的PPFD 值 進(jìn) 行 擬 合 即 可 以 完 成 相 應(yīng) 標(biāo) 定。 具 體 標(biāo) 定 的 方 法 是 將 加 載 了2.2V 電 壓 的 單 顆 紅 色LED， 放 在 標(biāo) 準(zhǔn) 暗 室 之 中， 用 相 應(yīng) 的 控 制 器 完 成 光 通 量 控 制 ( 該 控 制 器 主 要 是 通 過 基 于DMX512 協(xié) 議 的PWM 調(diào) 制 實(shí) 現(xiàn) 的)。 并 且 通 過 該 控 制 器 將 單 顆LED 兩 端 的 電 壓 占 空 比 以 每 次 提 高5 的 刻 度， 從 初 始 的0 到 最 后 的100， 記 錄 上 位 機(jī) 采 集 到 的 電 壓 值， 以 及 用 放 上 了和 系統(tǒng) 中PIN 光電 二極管 同 材 料、 同 厚 度的 紅 光 濾 光 片 的PQS-1 傳 感 器 讀 出， 然 后 第29 卷 第2 期 王 啟 星 等: LED 植 物 補(bǔ) 光 源 光 量 子 通 量 密 度 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 59 &nbsp; &nbsp; 經(jīng) 兩 組 數(shù) 值 進(jìn) 行 擬 合。 藍(lán) 光 的 擬 合 方 式 也 是 如 此。 從 圖16、 圖17 可 以 得 出 紅 光 通 道 以 及 藍(lán) 光 通 道 的 擬 合 方 程 為 圖12 &nbsp;采 集 系 統(tǒng) 紅 光 通 道 標(biāo) 定 曲 線 Fig.12 &nbsp;REDchannelscalibrationcurveofsystem V Ra Ra PPFD Ra Ra 1.0233PPFD Ra -5.692 (1) V Ba Ba PPFD Ba Ba 1.5545PPFD Ra - 10.501 (2)將 式 (1)、 式 (2) 寫 入 到 上 位 機(jī) 程 序 中， 將 顯 示 的 電 壓 值 轉(zhuǎn) 化 成PPFD 值， 上 位 機(jī) 顯 示 界 面 如 圖14 所 示。 圖13 &nbsp;采 集 系 統(tǒng) 藍(lán) 光 光 通 道 標(biāo) 定 曲 線 Fig.13 &nbsp;Bluechannelscalibrationcurveofsystem 圖14 &nbsp;上 位 機(jī) 顯 示 界 面 Fig.14 &nbsp;PCdisplayinterface 3 &nbsp;結(jié) 語 為 了 實(shí) 現(xiàn) 實(shí) 時(shí) 準(zhǔn) 確 探 測 植 物 工 廠 中 紅 光LED 以 及 藍(lán) 光LED 的PPFD 值， 本 次 設(shè) 計(jì) 采 用 了 一 個(gè) 以 FPGA 芯 片 和USB2.0 芯 片 為 基 礎(chǔ) 的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng)。 由 于FPGA 運(yùn) 行 程 序 的 速 度 較 快， 需 要 開 發(fā) 的 時(shí) 間 短， 芯 片 的 集 成 度 較 高， 耗 費(fèi) 的 功 率 較 低， 內(nèi) 部 包 含 高 頻 率 的 時(shí) 鐘， 組 成 形 式 靈 活。 此 文 中 給 除 了 相 應(yīng) 的 硬 件 設(shè) 計(jì)、FPGA 程 序 開 發(fā) 流 程 圖 以 及USB 固 化 程 序 流 程 圖。 并 通 過 實(shí) 驗(yàn) 測 試 驗(yàn) 證 了 該 系 統(tǒng) 的 硬 件 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 的 合 理 性 以 及 軟 件 系 統(tǒng) 的 有 效 性， 通 過 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 證 實(shí) 了 該 系 統(tǒng) 可 以 穩(wěn) 定 并 且 準(zhǔn) 確 采 集 到 相 應(yīng) 的 數(shù) 據(jù)， 實(shí) 現(xiàn) 了 對 植 物 補(bǔ) 光 源LED 的PPFD 值 實(shí) 時(shí) 準(zhǔn) 確 測 量。 參 考 文 獻(xiàn) 1 KOZAI T. Plant Factory in Japan-Current situation and perspectives J. ChronicaHorticulturae，2013，53 (53 (2):8-11. 2 GOINSGD，YORIONC，SANWOMM，etal. Photo morphogenesis，photosynthesis， and seed yield of wheat plantsgrownunderlightemittingdiodes (LEDs) withor without supplemental blue lighting J. J Exp Bot， 1997，48:1407-1413. ( 下 轉(zhuǎn) 第79 頁) 第29 卷 第2 期 李 偉 平 等: 公 路 隧 道 照 明 的 數(shù) 值 計(jì) 算 方 法 及 設(shè) 計(jì) 程 序 開 發(fā) 79 &nbsp; &nbsp; 算 模 塊 是 程 序 的 核 心 模 塊， 提 高 了 照 明 設(shè) 計(jì) 的 精 細(xì) 化 水 平； 結(jié) 果 輸 出 和 繪 圖 模 塊 則 直 接 提 高 了 設(shè) 計(jì) 的 效 率。 參 考 文 獻(xiàn) 1 公 路 隧 道 照 明 設(shè) 計(jì) 細(xì) 則: JTG/TD70/2012014 S. 重 慶: 人 民 交 通 出 版 社，2014. 2 Technische Universiteit Eindhoven (TUE)， Stan Ackermans Instituut. Information and Communication Technology (ICT). Zero energy Tunnel-concept R. Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven， 2012: 14-15 3 James Peeling， Matthew Wayman， Isabela Mocanu， et al. Energyefficienttunnelsolutions C. 6thTransport ResearchArena， Warsaw，Poland，2016:1472-1481. 4 涂 耘， 王 少 飛， 侯 伶， 等. 浙 西 南 山 區(qū) 高 速 公 路 隧 道 洞 外 亮 度L20 (s) 研 究 J. 照 明 工 程 學(xué) 報(bào)， 2011， 22(5):34-41. 5 于 娜， 丁 偉 智. LED 光 源 在 隧 道 照 明 中 的 應(yīng) 用 及 節(jié) 能 分 析 J. 照 明 工 程 學(xué) 報(bào)，2016，27 (1):32-37. 6 涂 耘， 王 少 飛， 張 琦， 等. “ 低 碳 經(jīng) 濟(jì)” 背 景 下 公 路 隧 道 照 明 節(jié) 能 策 略 J. 現(xiàn) 代 隧 道 技 術(shù)，2011，48 (3): 14-21. 7 涂 耘， 王 少 飛， 陳 建 忠， 等. 承 德 市 干 線 公 路 隧 道 節(jié) 能 照 明 設(shè) 計(jì) 方 案 J. 地 下 空 間 與 工 程 學(xué) 報(bào)，2012，8 ( 增 刊):1501-1502. 8 梁 波， 崔 璐 璐， 潘 國 兵， 等. 基 于 反 光 蓄 光 理 念 的 輔 助 隧 道 節(jié) 能 照 明 理 論 與 技 術(shù) J. 現(xiàn) 代 隧 道 技 術(shù)，2014， 51 (5):15-22. 9 鄒 吉 平. 燈 具 配 光 曲 線 及 其 電 子 文 檔 標(biāo) 準(zhǔn) 格 式 J. 建 筑 電 氣，2008.1:37-41. 10 ANSI Approved Standard File Format for Electronic Transfer of Photometric Data and Related Information. IES Publication ANSI/IES LM - 63 - 02 S. New York， NY: Illuminating Engineering Society of North America. ( 上 接 第59 頁) 3 盧 東 昱， 崔 新 圖， 黃 鏡 榮， 等. 葉 綠 素 吸 收 光 譜 的 觀 測 J. 大 學(xué) 物 理，2006，25 (1):50-53. 4 SABZALIANMR，HEYDARIZADEHP，ZAHEDIM，et al. Highperformanceofvegetables，flowers，andmedicinal plants in a red-blue LED incubator for indoor plant production J. AgronomyforSustainableDevelopment， 2014，34 (4):879-886. 5 BROWNCS，SCHUERGERCS，SAGERJC. Growthand photomorphogenesisofpepperplantsunderredLEDswith supplementalblueorfar-redlighting J. AMER. SOC. HORT. SCI. 1995，120 (5):808-813. 6 CRAIGDS，RUNKLEES. AModeratetoHighRedto Far-red Light Ratio from Light-emitting Diodes Controls Flowering of Short-day Plants J. Journal of the American Society for Horticultural Science American Society for Horticultural Science， 2013， 138 (3): 167-172. 7 劉 文 科， 楊 其 長. 植 物 工 廠LED 照 明 應(yīng) 用 的 幾 點(diǎn) 思 考 J. 照 明 工 程 學(xué) 報(bào)，2015，26 (4):98-102. 8 MCCREEKJ. AgriculturalMeteorologyAsolarmeterfor measuring photosynthetically active radiation M. Volume3，Issues5-6，August1966，Pages353-366. 9 李 英 偉， 王 成 儒. USB2.0 原 理 與 工 程 開 發(fā) ( 第 二 版) M. 北 京: 國 防 工 業(yè) 出 版 社，2007. 10 田 耕， 徐 文 波. XilinxFPGA 開 發(fā) 實(shí) 用 教 程 M. 北 京: 清 華 大 學(xué) 出 版 社，2008. 11 KOZAI T， KAZUHIRO F. LED Lighting for Urban Agriculture M. Singapore:Springer，2016. 12 關(guān) 守 平， 尤 富 強(qiáng)， 董 國 偉. 基 于FPGA 的 高 速 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J. 控 制 工 程，2013，20 (5):970-975. 13 張 昕 昱， 徐 景 宏， 何 子 力， 等. 多 通 道 光 量 子 傳 感 器 的 設(shè) 計(jì) 與 應(yīng) 用 J. 照 明 工 程 學(xué) 報(bào)，2017，28 (6).</p>