基于虚拟仪器的荧光监测系统设计与实现

赵旭燕 王莉 毛志鑫

摘要：荧光监测系统在实际工业应用占有重要角色，其中对上位机监测系统的研究越来越多。传统的MATLAB语言对上位机监测系统进行数据分析时，存在系数调整需要修改源代码，操作界面不直观，分析数据困难等问题。本文设计了一种基于Labview的单片机荧光监测系统，采用NRF24L01实现上层监测和下位单片机间的数据通信，解决了传统方案存在问题，能够有效实现用户交互和实时监测，具有一定的实际应用价值。

关键词：荧光监测系统；Labview；上位机；NRF24L01

中图分类号：TN23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0247-03

Abstract： Fluorescence monitoring system plays an important role in practical industrial applications， where research on the host computer monitoring system more and more. When conventional MATLAB language of the host computer monitoring system for data analysis， the presence of adjusted coefficients need to modify the source code， the user interface is not intuitive， the data analysis difficult issues. This article is designed based on Labview fluorescence monitoring system uses NRF24L01 data communication between the upper monitoring and lower-bit microcontroller， to solve the traditional solutions problems can be effectively user interaction and real-time monitoring， has certain practical value.

Key words： Fluorescence monitoring system； Labview； PC； NRF24L01

1 引言

在荧光监测系统的实际工业应用中，上位机监测系统包括用户管理系统和数据管理系统，用户管理系统可实现用户登录、查询用户信息、修改密码、删除用户、添加用户等管理功能，数据管理系统用以实现实时显示测量数据与波形、存储数据、查看历史数据等功能。以往，很多人应用传统的MATLAB语言来进行数据分析，虽然取得了显著的成就[1]，但仍有很多缺陷，比如系数的调整时需要修改源代码，操作界面较复杂，不能方便的分析处理数据等，而应用Labview软件简单直观的图形化编程语言环境，及其操作简洁、功能强大等优点[2]，则可很好地解决这些问题。本文采用LabVIEW设计了单片机荧光监测系统，实现了用户交互与实时监测功能。

2 系统整体控制介绍

该系统硬件部分采用STM32芯片作为荧光检测实验平台的控制器，总体方案结构框图如图1所示。整个系统由光源电路模块、信号处理电路以及NRF24L01无线传输模块与上位机组成。光敏传感器将接收到荧光信号转换为电信号，经过滤波放大电路接入STM32芯片中，然后经过内部A/D转换以及数据处理将信号通过NRF24L01无线传输模块发送给上位机。软件部分使用LabVIEW2015搭建监测系统，实现用户管理和数据管理功能，完成整个实验平台的设计。

3 程序设计与实现

荧光监测系统整体分为两部分：用户管理系统和数据管理系统，两部分后面板程序是分开的，可以相互独立操作，以免用户发生错误的操作，但是显示的效果和按键都在信息管理运行界面上，以达到简化操作的目的[3]。

3.1荧光监测用户管理系统

用户管理系统分为开机登录系统和用户管理系统[4]。在工业应用中，开机需登录才能进入荧光监测系统界面。

当用户首次使用熒光监测系统时，可使用系统自带初始信息登录。登录界面设置了两个按键：登录、取消。用户输入用户名和密码信息，点击登录，系统会将输入的内容与系统保存的内容进行对比，如果正确将会进入监测系统界面，用户可以对数据进行监测。当输入不正确或者输入为空时则会弹出对话框指示相应错误，此时用户也可以选择取消登录，点击取消按键后会结束运行。图2是登录系统的程序流程图。

荧光监测系统中用户权限分为两种：管理员和测试员，添加新用户时可以选择用户权限。用户管理系统只有管理员有权限使用，可实现查询用户信息、修改密码、删除用户、添加用户等功能。在监控系统主界面中，右下角的按钮控制区，点击用户管理按钮可进入用户管理系统。要进入用户管理系统，首先需要验证管理员权限，程序中创建了管理员登录子VI，程序设计与实现用户登录一样。验证成功后进入用户管理界面，进行用户管理操作。

3.2 荧光监测数据管理系统

荧光监测数据管理系统需要对采集到的检验结果进行分析、显示，同时还需要为用户提供数据存储和结果调用等功能，根据功能进行模块化的设计，分为数据采集模块、数据分析模块、数据显示模块、数据存储模块。数据管理系统的设计根据数据的流向可分为两部分。第一部分负责基本的工作，主要接收数据、分析以及结果的显示。另一部分负责数据保存以及历史数据查询调用[5]。

数据采集模块需要完成的工作是将电脑端无线模块接收到的仪器发送的数据采集过来，电脑端无线模块采用USB接口与计算机进行通信，利用USB接口虚拟出一个串口，可以使用VISA模块函数进行数据的读取，并使用字符串显示控件显示接收到的数据及采集时间[6]，后面板设计如图3所示。

数据分析模块主要任务是将获取的数据解析出来，然后对数据进行分析，并判断他们是否正常。由于NRF24L01无线模块采用 FSK 调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议，可实现数据实时透传，在VISA读取可直接输入串口接收数据字符串。创建一个数据转换子VI，将字符串通过转换控件按位转换为数值，就可以进行数据分析了。

荧光监测数据分析是对每次实时的检测值和参考正常值进行比较，给出比较的结果，为直观方便的查看检验结果，可将几组警戒值所对应的数值与数据转换子VI输出的当前数值直接捆绑成簇一同显示在波形图中[7]。

为了达到更好的提示功能，为此在前面板设置预警值对应的警报器，当接收到的荧光信号超出预警时，前面板相应警报灯灯闪烁预警，实时告知用户监测结果，并进一步采取措施。

数据存储模块主要实现数据保存和查询历史数据功能。为实现数据存储功能，创建数据存储子VI，通过文件读写等函数实现存储，在主程序中将测量结果与测量时间添加成数组，并通过移位寄存器将接收到的数据暂存，在数据存储子VI中将输入的数组通过“数组至电子表格字符串转换”函数转化为电子表格字符串，然后写入文本文件中[8]。

查看历史数据时，在主程序中点击查询历史数据按钮，进入查询界面，点击查询按钮，弹出历史数据。程序实现与数据存储方式相同。

4 实验结果及分析

启动监测系统，对荧光信号进行模拟实验。配置VISA参数，设置波特率38400，数据位8位，无奇偶校验。运行系统，改变LED驱动电路电流大小，实验结果主界面如图6所示。部分数据如图7所示。

①VISA串口配置区②数据分析模块③按钮控制区④数据显示模块

5 结语

本文介紹了基于虚拟仪器的荧光监控系统上位机软件设计，利用PC机、NRF24L01无线透传模块和单片机，构建完整的监测系统。通过设计与实验，说明与传统MATLBE方案相比，该系统操作简单、响应速度快，能够连续动态地实时显示单片机荧光信号，可用于生物类荧光检测工业应用，具有一定的实用性。

参考文献：

[1] 马敏，杨胜伟.基于LabVIEW的气体监测系统串口通讯设计[J].总线与网络，2016

[2] 耿丹.基于LabVIEW的多通道数据分析系统设计[J].电子测量技术，2017.

[3] 牛群峰，王莉.基于虚拟仪器的火焰尺寸测量系统设计[J].新技术新仪器，2016.

[4] 辛王毅.基于虚拟仪器的温湿度测控系统设计[J] 哈尔滨商业大学学报，2018.

[5] 牛群峰， 王莉 .基于PXI总线和LabVIEW的压缩机状态监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2009.6.

[6] 张昆， 张铁民.基于Labview 的无人机飞行状态实时监测评估系统设计[J].农业工程学报，2016，32（8）.

[7] 杨重骏，黄金力.基于 LabVIEW 的力觉检测系统[J].传感器与微系统 ，2018，37（3）.

[8] 辛王毅.基于虚拟仪器的 VCU 自 动测试系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（4）.

【通联编辑：梁书】