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便携式多路植物生理信号采集系统的研发
Ting Lia,c , Zi-Yang Wang a,c , Dong-Jie Zhao a,c , Lan Huang a,b,c,* , Zhong-Yi Wang a,b,c
a中国农业大学信息与电气工程学院，中国北京，100083。
b教育部直属现代精密农业系统集成化研究重点实验室，中国北京，100083。
c农业部下属农业信息采集技术重点实验室，中国北京，100083。
摘要:生物电信号可以反映植物器官或组织的生理状态，并在植物耐受性研究用具有重要潜在价值。为了研究生物电信号和环境之间的关系，一个与生物电研究相关的便携式多路植物生理信号采集系统应运而生。环境参数和电信号可以由采集系统同时在不同通道中测得，同时测得信号被显示在作为系统处理核心的嵌入式集成触摸屏中。经由采集到的向日葵电信号的校准及重复实验证实，该系统稳定可靠。
关键词：采集系统；生物电信号；多通道；便携式设备
1、引言
生物电信号是揭示植物生理状态的重要参数。 植物中的电信号随环境变化以参与调节植物生理过程[1-6]。 植物电信号的研究可以确定植物是否处于正常状态，并且可以反映植物耐受性[7-9]。 为了研究环境因素和植物信号之间的关系，需要一种可以同步获取植物信号和环境参数的便携式生理信号采集系统。然而，目前，大多数商业生物电信号采集装置是为动物设计的，并且对通道数和输入阻抗有限制（输入阻抗比植物高1010Omega;）[10,11]。所有这些都难以满足植物生理信号采集的要求。 此外，几乎所有的传统植物生物电信号采集系统都是基于个人计算机或笔记本电脑[5,12]，然而，这些记录系统是繁琐的，不适合在温室中工作。 在本研究中，设计了用于植物生理学研究的便携式多通道生理信号采集系统。使用嵌入式集成触摸屏作为系统处理核心，实现了系统集成，可以满足便携式，低功耗，易操作的实际需要。
2、系统样机
多通道生理信号采集系统由硬件和软件组成，具有数据采集和数据处理功能。系统包括8个电信号通道，两个光量子通道，两个温度通道，以及一个湿度和热度通道，可根据需要实现14路信号同时采集。系统原型框图如图1所示。 该系统有五个部分：（1）传感器模块，包括温度，湿度传感器和光量子传感器等。（2）信号转换电路，由放大电路，电流 - 电压转换电路等组成。（3）数模转换，由C8051F020微控制器内置的8通道12位ADC转换器（Silicon Laboratories Inc.美国）实现。 （4）通讯模块，通过RS485传输上下级计算机之间的序列和数据。 （5）采集模块由监控发生系统支持（McgsE7.6（03.0002））
图1—多路生理信号采集系统原型
2.1系统硬件
为了完备的记录植物中有高阻抗的弱信号源发出的电信号，系统应该提供高输入阻抗以避免来自放大器、背景或电路的噪声的影响。因此，选择了AD549，因为它是一个具有高输入阻抗、高共模抑制比且连接同相放大器电路有低漂移的放大器（ADI公司美国）。 它可以获得放大十倍却仍未失真的放大信号。 每个放大电路单独封装在一个小盒子中。
控制芯片C8051F020最小的系统包含时钟电路，复位电路，JTAG电路且使用外部基准电压的参考电压3.3 V.
根据电压信号，光，温度和湿度的特点，系统使用轨到轨波形输出运算放大器芯片TCL2272连接到信号转换电路（美国德州仪器）。 C8051F020中的A / D端口是单极信号输入端口，然而，植物电信号是双极的，因此信号转换电路由TCL2272实现。 由于光量子传感器输出的是电流信号，因此构建了电流 - 电压转换电路。 温度传感器是精度为0.1℃的电压式负温度系数热敏电阻。 AMT2001是温湿度模块（广州洛阳），湿度工作范围为0-100％RH，电压输出范围是0-3.0V，电压与湿度呈线性关系; 温度传感器选用LM35（美国国家半导体公司），工作范围为0-80℃，电压输出范围为0-0.8V，用TCL2272接入同相放大器，放大4倍。需要一个通道选择电路CD4053，使C8051F020的八通道12位ADC可用于十四个信号通道系统（包括八通道电信号和六通道环境因素），上下电脑通过RS485实现串口 。系统选用数字隔离芯片Si8422（美国硅实验室公司）以隔离数字和模拟信号，并选择了1B0505LS电压隔离模块以降低功率噪声（MORNSUN。中国）。该系统包括最小系统电路，信号转换电路，模拟开关电路，开关控制电路和电源电路等。在PCB上进行电路板布局应注意每个模块分布的位置，并且要注意隔离数字和模拟信号。 PCB布局采用大面积铺路，并且大部分组件和电路分布在顶部电路板中，而电路板的底部仅包含芯片的去耦电容器和电源部分以减小接地阻抗。
2.2 系统软件
2.2.1基于有限状态机的界面管理设计
接口流是一组表示各表格间关系的表单的集合。有限状态机（FSM）是交互系统中的一种数学模型，可以有效代表动态系统的生命周期[17,18]。因此，FSM可以描述接口流的基本特性。便携式多通道生理采集系统是嵌入式系统，具有与多个窗口对应的多个功能，它们之间的关系可以通过FSM来实现。
FSM可以被形式地定义为5元组M =（Q，q 0，Sigma;，delta;，F）这里Q是非空有限状态的集合，而q 0是特殊的状态称为初始状态[17-19]。 在这个系统中，Q由主界面、通道设置界面、数据图、历史曲线、历史数据、数据导出端口、实时曲线、报警界面和14条实时单通道曲线构成。 其中，初始状态是主界面。Sigma;和F是可能的输入或状态的非空集合和终端状态。 转移函数delta;定义为：Qtimes;Sigma;1Q显示窗口的迁移。图2是状态机图，其中输入数据是键或标签，“1”表示输入另一个窗口，而“0”表示返回到上一个窗口。
图2 状态机图，其中输入是键或标签，“1”表示输入另一个窗口，而“0”表示返回上一个窗口。 当设备连接中断时，软件将自动转移到警报窗口。
2.2.2软件的主要界面
图3显示主界面，图4显示通道设置界面。 通道设置窗口可以设置采集周期，以及选择所需的通道。设备转动后，触摸屏可以与下位机通信。图5是单通道的实时曲线的界面，其显示目标通道的信号。图6是历史界面，可以显示所需的历史曲线。
图3 系统主界面，包括软件名称（由第1行指出）; 通道设置，历史曲线，实时曲线和存盘数据（从上到下由线2指示）和复位按钮（由线3指示）。
图4 通道设置界面。 设备参数：采样周期，设置按钮，返回信息的文本框（由第1行指出）; 通道选择（由线2指示），其包括从顶部到底部的五个文本框，即电位通道，光量通道，温度通道，湿度通道; 面板开关和状态LED（由线3指示）;通道和传感器之间的对应关系（由线4指出）;数据查看（由第5行指出）; 存储数据（由线6指示）; 实时曲线（由第7行指出）; 历史曲线（由线8指示）;报警显示（由线9指示）; 回到主窗口（由线10指出）。
图5 实时数据窗口; 标题为电位1实时曲线，Y轴值为电位（mV），X轴为时间; 实时电信号值（由线1指示）; 实时曲线（由线2指示）的x轴总长度设置，默认值为20 s。
图 6 历史曲线界面，Y轴值为电位（mV），X轴为时间。 在界面的底部，按顺序有十个按钮：设置预设曲线，设置最后指示的曲线，上翻页，下翻页，移动到顶部，移动到结束，打开或关闭信息框，曲线选择对话框，轴设置对话框和轴起点（由线1指示）的对话框; 通道设置（由线2指向）; 回到主界面（由线3指出）。 在黄色表中（由线4指出），存在不同通道颜色的当前值; 第一列中的单元格包含单元格的内容，时钟信息和九个通道编号注释; 第二列中的单元格为Y轴范围，实时曲线的x轴总长度设置（例如30s），不同通道的设置范围; 第三列中的两个单元分别是当前值和时间; 最后一列中的单元格是这些通道的单位。
历史数据可以在数据视图窗口中查看（图7）。 当触摸屏插入U盘时，数据可以通过导出数据的接口保存到.csv格式文件（图8），以便为最后处理。
图7 历史数据视图和标签接口。 它包括时间和通道号（由线1指出）; 按钮从左到右依次为页面向上按钮，页面向下按钮，顶部和底部，保存数据，返回主界面和设置按钮（由线2指向）; 历史数据视图和标签（由线3指向）。 软件可以从此界面进入清单界面。
图 8 导出数据窗口。 可以通过输入开始时间和结束时间导出历史数据，也可以删除。 数据导出（由线1指示）; 开始时间（由线2指示）; 结束时间（由线3指示）; 返回值（由线4指向）; 导出数据（由第5行指出）; 导出状态（由第6行指出）; 删除保存的数据（由第7行指向）; 复制保存的数据（由第8行指向）; 回到主界面（由线9指出）。
如果设备未打开或上下计算机之间的传输中断，系统将迁移到报警接口并及时处理（图9）。
图9 报警窗楼，界面提示用户通信中断。 它包括时间，对象名，报警类型，报警事件和报警描述（由第1行指出）; 报警提示（由线2指出）; 回到主界面（由线3指出）。
在MCGS中，设备窗口配置了不同类型的组件，并根据外部设备的类型和特性设置相关属性。在系统操作过程中，设备组件窗口由设备统一调度和管理， 实时数据库与从外部设备通过通道连接获取的数据。 在该系统中，驱动类型是安装在“通用串行母设备”上的串行子设备，并且由脚本驱动开发工具（图10）写设备驱动程序。
图10 组态软件和C8051F020之间的通信。
2.3系统的实现
采集系统包括具有用于信号收集的控制芯片C8051F020的电路板，用于控制和显示数据的嵌入式集成触摸屏，信号输入接口和电源模块等（图11）。
图11 示意图
系统采用RS485串口完成上下位机之间的通信，14路输入信号与航空插头连接。 使用220V交流电源输入24V直流电源作为开关电源支持触摸屏。 为了减少开关电源的干扰，信号采集电路由锂电池供电。 当系统不工作在采集时，锂电池可以通过充电电路由220V交流电充电。 此外，为了扩展外部设备，系统侧板通过延长线与触摸屏的USB连接。
图12是系统的物理图。 从左到右，它们是前视图，右视图和左视图。 设备侧面有14通道输入信号接口，220 VAC输入端口，开关和USB接口。
图12 原型系统描述
3、实验方案
3.1 植物材料和生长条件
向日葵植物在温室中在16小时光照/ 8小时黑暗光周期状态下生长，白天温度30℃、夜间温度25℃。 生长培养基包括70％蛭石和30％腐殖质其中包含所有必需的营养物。用于实验的植物是3-4周龄，茎直径为2-2.5mm。
3.2 生理电实验
在实验中使用两种类型的电极。 首先，我们使用甘汞电极，并通过吸收棉线连接样品。记录电极和参考电极均放置在茎上，距离为3-6厘米。 Ag / AgCl电极分别用作记录和参考电极。 将记录电极置于叶上，将参考电极置于茎的底部。用火柴火焰在叶尖下面大约3mm2的面积中进行3秒的刺激。 刺激点和记录区域之间的距离为7-9cm。
4、结果和讨论
在实验中，记录由燃烧诱导的电信号以验证仪器的稳定性和准确性。参考其他论文，在实验中使用甘汞电极[16,20,21]。 如图13所示，将棉线的一端连接到植物上，而另一端浸泡在塑料管中，电极也插入导电溶液中。
图13 记录由燃烧诱导的电活动的实验。
图14和15显示了由燃烧引起的电信号的重新记录的结果。 在具有相同实验环境的实验中使用不同的植物。 结果表明，当植物休息时，信号相对稳定（图14a），并且在烧灼植物叶片后信号具有明显的变化（图14b）。在图14c中，我们可以看出，通过U盘输出的数字与实时数据一致形成采集系统。
图14 实验结果1.通道4的实时数据（由线1指出）。 （a）当植物休息时，信号相对稳定。 （b）植物叶片燃烧后信号有明显变化。 （c）用U盘导出的数字。
图15 实验结果2.通道4的实时数据（由线1指出）。
特殊设计用于确认可靠性和抗干扰性。 我们利用高性能组件来确保电路中硬件的可靠性。 每个芯片的功率由旁路电容器滤波。 数字和模拟信号被隔离，以提高串行端口通信中整个电路的抗扰度。 触摸屏和电路板的电源单独提供，以减少来自电源打开信号的干扰，并且锂电池单独充电，以避免干扰硬件电路。 此外，器件和前置放大器的外壳连接到地，以保证实验环境在应用中稳定。
为了验证便携式设备的准确性，同时应用多通道生理电记录系统（RM6240，中国成都仪器厂）记录电信号。 信号通过用作电压跟随器的高阻抗（2times;10 13 Omega;）运算放大器（SWF-1B，中国成都仪器工厂）。 然后将信号数字化存储在使用定制软件（中国成都仪器工厂）的多通道生理电记录系统中以及计算机硬盘驱动器中。 该植物位于法拉第笼（Inbio Life Science Instrument Co.，China）的抗振台上。 在这个实验中，这两个系
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