SOC2.txt

STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST
Obor č. 10: Elektrotechnika, elektronika a telekomunikace
Konstrukce zařízení pro měření fluorescence rostlin
Martin Havelka
Jihočeský kraj Suchdol nad Lužnicí 2022
STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST
Obor č. 10: Elektrotechnika, elektronika a telekomunikace
Konstrukce zařízení pro měření fluorescence rostlin
Constuction of a plant fluorescence meter
Autoři: Martin Havelka
Škola: Gymnázium Třeboň, Na Sadech 308, 379 26 Třeboň
Kraj: Jihočeský kraj
Konzultant: Mgr. Jakub Nedbal, Ph. D, Ing. Vojtěch Ouška
Suchdol nad Lužnicí 27.3.2022
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou práci SOČ vypracoval samostatně a použil jsem pouze prameny a
literaturu uvedené v seznamu bibliografických záznamů.
Prohlašuji, že tištěná verze a elektronická verze soutěžní práce SOČ jsou shodné.
Nemám závažný důvod proti zpřístupňování této práce v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb.,
o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů
(autorský zákon) ve znění pozdějších předpisů.
V Suchdole nad Lužnicí dne 27.3.2022 ………………………………………………
Martin Havelka
Poděkování
Rád bych alespoň tímto způsobem poděkoval oběma svým vedoucím práce Ing. Vojtěchovi
Ouškovi a Mgr. Jakubovi Nedbalovi, Ph.D. za neskutečné množství času, které mi
prostřednictvím této práce věnovali. Možná více než rad k ní si vážím všech znalostí a
zkušeností sahajících daleko mimo dosah této práce, které mi tím předali. Jako poděkování snad
můžu jen tuto zkušenost uplatnit a hlavně jednou předat dál.
Anotace
Cílem této práce je předvést novou metodu analýzy fotosyntézy pomocí fluorescenční odezvy
molekul chlorofylu. Hlavním předmětem je návrh a výroba elektronického zařízení
využívajícího tuto metodu. V poslední části je demonstrována funkce přístroje na měření
pokojové rostliny.
Klíčová slova
Fluorometr, Fluorescence, PCB, Fotosyntéza
Annotation
The goal of this thesis is to demonstrate a new method for the analysis of photosynthesis using
the fluorescence response of chlorophyll molecules. The main subject is the design and
manufacture of an electronic device using this method. In the final part, the function of the
device is demonstrated by measuring a houseplant.
Keywords
Fluorometer, Fluorescence, PCB, Photosnythesis
5
OBSAH
Úvod ........................................................................................................................................... 7
1 Metody měření fotosyntézy ................................................................................................ 8
1.1 Stávající metoda PAM ................................................................................................. 8
1.2 Nová metoda měření .................................................................................................... 9
2 Návrh přístroje .................................................................................................................. 11
2.1 Základní schéma ........................................................................................................ 11
2.2 Řídící jednotky .......................................................................................................... 13
2.3 Desky plošných spojů ................................................................................................ 13
2.4 Řídící deska ............................................................................................................... 14
2.4.1 Zapojení Raspberry Pi a Arduina ....................................................................... 14
2.4.2 Zapojení třístavových budičů ............................................................................. 16
2.4.3 Konektor detektoru světla .................................................................................. 18
2.5 Deska aktinického světla ........................................................................................... 18
2.5.1 DAC ................................................................................................................... 19
2.5.2 Direct Digital Synthesis ...................................................................................... 20
2.5.3 Summing preamplifier ........................................................................................ 21
2.5.4 LED Driver ......................................................................................................... 22
2.6 Deska měřících záblesků ........................................................................................... 22
2.7 Deska detektoru světla ............................................................................................... 24
2.8 Návrh podpůrné konstrukce ....................................................................................... 25
2.8.1 Držák měřícího aparátu ...................................................................................... 25
2.8.2 Obal zařízení ....................................................................................................... 27
3 Vývoj software pro zařízení ............................................................................................. 28
3.1 Software Arduina ....................................................................................................... 28
3.1.1 Převod bitů portů na piny Arduina ..................................................................... 29
3.1.2 setup() ................................................................................................................. 30
3.1.3 receiveEvent() ..................................................................................................... 30
3.1.4 loop() .................................................................................................................. 35
3.2 Software Rasberry Pi ................................................................................................. 37
3.2.1 Nastavení DA převodníků .................................................................................. 38
3.2.2 Nastavení DDS ................................................................................................... 39
3.2.3 Ovládání Arduina ............................................................................................... 39
6
3.2.4 Třída Harmonizer ............................................................................................... 40
3.2.5 Soubor main.py ................................................................................................... 42
4 Ukázka měření .................................................................................................................. 45
5 Závěr ................................................................................................................................. 46
6 Diskuze ............................................................................................................................. 47
7 Použité zdroje ................................................................................................................... 48
8 Seznam obrázků ............................................................................................................... 49
Seznam Zkratek ........................................................................................................................ 50
7
ÚVOD
S ohledem na růst populace a zvyšování poptávky je trendem moderního zemědělství vše co
nejvíce zmenšit, zefektivnit a ideálně také srazit náklady na co nejnižší hodnoty. Není proto
divu, že se výzkum fotosyntézy, jejíž správná funkce je pro růst těchto produktů klíčová, stává
čím dál častěji předmětem větší pozornosti.
Jednou z nejslibnějších metod výzkumu fotosyntézy je měření světelného jevu zvaného
fluorescence. Ta v procesu fotosyntézy zjednodušeně figuruje jako energetický odpad, který
rostlina vyzáří, když má přebytek světla. Vztah mezi intenzitou vyzářené fluorescence a
přebytkem energie rostliny je ale silně nelineární a počátky pokusu o jeho popsání sahají až do
třicátých let minulého století.
V této práci navrhuji a vytvářím elektronický přístroj, který dokáže fluorescenci rostlin přesně
změřit. Na rozdíl od ostatních fluorometrů využívá k měření novou metodu, navrženou mým
konzultantem Jakubem Nedbalem, která oproti stávajícím metodám slibuje rychlejší měření,
menší náklady na výrobu přístroje a hlavně sběr daleko rozmanitějších dat než dosud.
V první kapitole vysvětluji principy dosavadních metod a na těchto základech pak předvádím
metodu novou. Zbytek práce zabývající se konstrukcí samotného přístroje je rozdělený do dvou
částí. První popisuje návrh hardware a celkovou funkci přístroje, druhá vývoj software pro řídící
jednotky. V závěru práce předvádím demonstrační měření fluorescence pokojové rostliny.
8
1 METODY MĚŘENÍ FOTOSYNTÉZY
Metody používající emisi fluorescence pro náhled do fotosyntézy typicky cílí na odhalení
nových regulačních vazeb. Podobně jako savci používají negativní zpětnou vazbu při produkci
hormonů i rostliny disponují mechanismy zodpovědnými za regulaci přijímané světelné energie
a jejího využití. Při nedostatku vnějšího světelného záření zajišťují, aby rostlina využila
maximum energie, naopak při přebytku energie chrání fotosyntetický aparát před poškozením.
Tyto regulační mechanismy nejsou ovšem doposud dostatečně prozkoumané a jejich pochopení
povede k výrazně efektivnějšímu využití fotosyntézy. Jelikož je energie vyzářená fluorescencí
prakticky komplementární k energii použité na fotosyntézu, fluorescenční odezva představuje
jeden z nejslibnějších náhledů do zmíněných regulačních mechanismů.
1.1 Stávající metoda PAM
Stěžejní veličinou v této oblasti výzkumu je tzv. kvantový výtěžek fluorescence. Jedná se o
poměr intenzity fluorescence vyzářené rostlinou a vstřebaného světla, které ji způsobilo. O
stavu fotosyntetického aparátu pak vypovídá vývoj této veličiny v čase (porovnaný s intenzitou
osvícení v čase).
Princip metody PAM spočívá v osvitu rostliny pomocí kontinuálního řetězce krátkých záblesků
neměnné intenzity zvaných měřící záblesky. Hodnota fluorescence je poté měřena při každém
záblesku a hned po něm. Obě naměřené hodnoty jsou sice ovlivněné vnějšími světelnými
podmínkami, ale jejich rozdíl přesně určuje fluorescenční odezvu rostliny na záblesk. Jelikož
tyto měřící záblesky v přístrojích probíhají až sto tisíckrát za vteřinu a mají stálou intenzitu,
vytváří tím velice přesný obraz vývoje kvantového výtěžku v čase. [1]
Obr. 1: Schéma měření metodou PAM.
Pro navození optimálních podmínek musí být rostlina před samotným měřením tradičními
měřiči PAM (fluorometry) ~0.5 h ve tmě. Fotosyntetickému aparátu tak dojde světelná energie
a otevře se pro příjem co největšího počtu fotonů. Když pak přístroj začne měřit kvantový
výtěžek a rostlinu přehltí tzv. aktinickým světlem, měření vývoje kvantového výtěžku
9
fluorescence může odhalit regulační vazby, které se s takovou situací vypořádávají. Křivku
kvantového výtěžku typickou pro tento experiment popsali H. Kautsky a A. Hirsch již v roce
1931 a podle svého objevitele byla nazvána Kautsky effect. [2]
Obr. 2: Kautsky effect.
Z křivky je patrné, jak fotosyntetický aparát v části A reaguje na náhlý vzrůst intenzity osvitu
způsobený aktinickým světlem a měřícími pulzy. Po adaptaci na tmu jsou fotosystémy kvůli
nedostatku světla plně otevřeny a připraveny přijímat fotony. Z toho důvodu se chvíli po
začátku osvitu zahltí a fluorescence vzroste. Následný pokles v části B je připisován rozběhnutí
regulačních mechanismů, jako je například přeměna energie do vibrací molekul viditelná jako
vzrůst teploty nebo právě fotosyntéza. V grafu je kvantový výtěžek zapsán bez fyzikální
jednotky. Je to proto, že se jedná o poměr intenzity fluorescence na jednotku intenzity světla,
které ji vyvolalo a jednotky veličin se tak vykrátí.
Od druhé poloviny dvacátého století bylo tomuto tématu věnováno mnoho prací a měření
fluorescenční emise se stalo objektem intenzivního bádání. Vědecké publikace jako (A. Laisk
a kol., 1989) nebo (W. Rovers a kol., 1994) zkoumají oscilace regulačních mechanismů,
zatímco (A. Stirbet a kol., 2019) shrnuje dosavadní poznatky a postupy. Většina těchto prací
přichází s novými matematickými modely, které si kladou za cíl co nejpřesněji popsat již
zmíněné regulační vazby.
1.2 Nová metoda měření
Klíčovým rozdílem mezi měřením PAM a novou metodou popsanou v této práci je druh
použitého aktinického světla. Zatímco na trhu dostupné fluorometry společností Walz, PSI nebo
Hansatech používají při měření aktinické světlo stálé intenzity, konstruovaný přístroj umožňuje
intenzitu harmonicky modulovat v čase. V praxi to znamená, že lze před měřením nastavit
frekvenci intenzity aktinického světla ve škále od 1 Hz do 10 kHz. Konstruovaný přístroj navíc
podporuje osazení až dvou světel a umožňuje jejich frekvenci a vzájemnou fázi nezávisle
10
ovládat. Jelikož mají obě aktinická světla rozdílnou vlnovou délku, umožňují samostatně cílit
na fotosystémy I a II. Z důvodu náročnosti odladění obou aktinických světel obsahuje soutěžní
verze přístroje pouze jediné cílící na fotosystém II, hlavní zdroj fluorescenční emise.
Obr. 3: Ilustrace měření novou metodou.
Myšlenka ovlivňovat fotosyntetický aparát harmonickým osvětlením má svůj původ již v roce
2002 v práci (L. Nedbal a V. Březina, 2002). Autoři práce předvádí, že lze modulační frekvenci
osvitu vyladit na frekvenci od dosud neznámých regulačních mechanismů po cirkadiánní
rytmus a ve fluorescenční odezvě tak poznat vyšší rezonanční frekvence nad rámec známého
Kautskyho efektu.[3] Frekvenční složku je možno z dat izolovat například Fourierovou
transformací naměřených hodnot. Konstruované zařízení si klade za cíl umožnit daleko
rozsáhlejší možnosti měření a tudíž i hlubší porozumění v této oblasti výzkumu.
Další klíčový rozdíl je také v samotném měření hodnot. Zatímco tradiční přístroje měří hodnoty
ve dvou okamžicích (v momentě záblesku a těsně po něm), konstruovaný přístroj zaznamenává
fluorescenční emisi jen při záblesku. Kvantový výtěžek se tak nezískává digitálně rozdílem
dvou hodnot, nýbrž analogově. Jelikož přístroj pracuje se vzorkovací frekvencí 70 kHz,
analogovými obvody lze nižší frekvence aktinického světla, stejně tak jako stálé vnější
osvětlení, vyfiltrovat. Výsledný signál tak obsahuje pouze frekvenci blízkou té měřící, což je
právě fluorescenční odezva na měřící záblesky. V kapitole popisující návrh přístroje bude tato
problematika blíže popsána. Byť některé z existujících přístrojů umožňují vytvářet aktinické
světlo s harmonickou modulací, nejsou za tímto účelem postavené. Snaha měřit odezvu na
harmonické světlo je limitována mnoha kompromisy těchto přístrojů. Zařízení popsané v této
práci je nejen mnohem jednodušší díky tomu, že je postavené právě za účelem generování
harmonicky modulovaného světla, ale zároveň nabízí zmíněnou vzorkovací frekvenci 70 kHz
s vysokou přesností naměřených dat. Tuto vlastnost žádné z existujících zařízení neposkytuje.
Nová metoda měření si klade za cíl přinést daleko větší možnosti ovlivňování a zkoumání
fotosyntetizujících organismů a dát tak vzniku novým matematickým modelům popisujícím
jejich funkci. Může pomoci k objevení dalších regulačních vazeb a oscilací, na které bychom
s běžným aktinickým osvícením nikdy nemohli přijít.
11
2 NÁVRH PŘÍSTROJE
2.1 Základní schéma
Nedílnou součástí vlastností přístroje je, společně s ovládáním osvitu a akvizici dat, také jejich
zpracovaní a zobrazení uživateli. Z tohoto důvodu jsem jako řídící jednotku zvolil Raspberry
Pi A+. Na této desce je zpřístupněno webové uživatelské rozhraní, stejně tak jako řídící software
celého měření. I když díky své rychlosti umožňuje ukládání i transformaci dat, pro jejich měření
a přímé ovládání elektronických součástek se nehodí. Měření v reálném čase a synchronizaci
komponent proto provádí Arduino UNO, které je Raspberry Pi ovládáno pomocí jednoduchého
protokolu blíže popsaného v softwarové části.
Samotný měřící aparát se skládá ze zdrojů a detektoru světla. Pro měřící záblesky i obě
aktinická světla používám poměrně výkonné LED diody. Kvůli odstranění nechtěných
vlnových délek jsou osazeny barevnými filtry a také čočkami pro lepší soustředění světla na
vzorek. Detekci fluorescence zajišťuje fotodioda osazená další čočkou a také barevným filtrem
propouštějícím pouze fluorescenční záření.
Měřící aparát je před začátkem měření konfigurován Raspberry Pi, ale měření samotné provádí
Arduino. Součástí zařízení jsou také dvě SRAM vyrovnávací paměti, ve kterých jsou po
naměření data uložena před přenosem do Raspberry Pi.
Obr. 4: Základní schéma přístroje.
12
Obr. 5: Ilustrace průběhu měření.
13
2.2 Řídící jednotky
Použití Raspberry Pi jakožto řídící jednotky je pro tento projekt klíčové. Jedná se o
jednodeskový počítač o velikosti platební karty.[4] Díky svému výkonu sahajícímu do řad
starších stolních PC představuje ideální rozhraní mezi uživatelským prostředím a nízko
úrovňovými součástkami jako jsou paměti nebo samotné Arduino. Kromě uživatelského
rozhraní také před měřením zajišťuje nastavení součástek generujících aktinické a měřící světlo.
Poté pošle Arduinu instrukci ke startu měření a čeká na pokyn k načtení dat z pamětí.
Arduino v zařízení ovládá měřící aparát. Z kódu popsaného v kapitole o softwaru je patrné, že
jeho základním stavem po spuštění je čekání na signál z Raspberry Pi. Po tom, co jej obdrží,
spustí ve smyčce sekvenci pro ovládání pulzního a aktinického osvitu a zároveň aktivuje měření
hodnot. Detaily tohoto ovládání blíže popisují následující kapitoly. Arduino zároveň při měření
drží počet naměřených dat a porovnává jej s velikostí paměti SRAM. Ve chvíli, kdy se naplní
kapacita první paměti, přesměruje Arduino tok dat do druhé paměti a zároveň instruuje RPi,
aby přesunem dat uvolnila první paměť. Paměti se tak během měření střídají a vyváží čas
potřebný pro čtení dat Raspberry Pi.
2.3 Desky plošných spojů
Kromě součástek popsaných ve schématu tvoří přístroj celkem čtyři PCB:
• Řídící deska
• Dvě desky aktinického světla (použita jen jedna)
• Deska měřících záblesků
• Deska detektoru světla
Jsou zde kvůli propojení všech součástí, manipulaci s analogovým signálem z detektoru světla,
úpravě vstupního napětí a přenosu digitálních signálů pro ovládání pamětí a dalších součástek.
Jelikož jsem s analogovou elektronikou před projektem neměl žádnou zkušenost, obvody v rané
fázi projektu navrhl vedoucí práce Jakub Nedbal a postupně je se mnou všechny před konstrukcí
procházel. Řídící plošný spoj obsahující Raspberry Pi a Arduino jsem až po několika
konzultacích navrhl sám. V následujících čtyřech kapitolách jsou všechny desky plošných
spojů stručně popsány. Kromě výstřižků schémat jednotlivých součástek v textu jsou v příloze
vloženy výstřižky schématu celé desky.
Pro návrh desek jsme použili CAD software KiCad. Tento software obsahuje nástroje pro návrh
schématického zapojení, stejně tak jako jejich rozmístění na desce. Po exportování jsme tištěné
spoje objednali u Čínského výrobce Seeed a součástky u Britského Farnell. I když Seeed nabízí
i osazení součástek za příplatek, tuto možnost jsme nevyužili kvůli nutnosti odladění
jednotlivých částí obvodu před celkovým sestavením.
14
2.4 Řídící deska
Řídící tištěný spoj obsahuje konektory pro zapojení Arduina, Raspberry Pi a zároveň jsou na
něm také připájeny mezipaměti. Slouží tedy jako rozhraní mezi mikroprocesory a zbytkem
přístroje. Součástí jsou také čtyři budiče, které umožňují přepínat přístup k mezipamětem.
Pomocí dvou řídících pinů lze tedy vybrat, jestli k pamětem přistupuje Arduino, Raspberry Pi
nebo obvod detektoru světla, stejně tak jako ke které ze dvou pamětí se zrovna připojí.
2.4.1 Zapojení Raspberry Pi a Arduina
Obr. 6: Schéma zapojení Raspberry Pi a Arduina.
Na obrázku výše je výstřižek schématu Raspberry Pi a Arduina z KiCadu. Ve schématech
složitějších obvodů se spoje kvůli přehlednosti znázorňují pouze stejnými názvy výstupů
jednotlivých součástek. Čára nad některými ze spojů je informativní a indikuje, že je signál
aktivní ve stavu LOW. Jako příklad může posloužit výběr zařízení SPI, který je v normálním
stavu HIGH a při přenosu SPI LOW. Na první pohled je tedy viditelné, že jsou tyto dvě
součástky spojeny výstupy SDA_RPI, SCL_RPI a několika napájecími. Tyto dva spoje jsou
použity pro komunikaci pomocí I2C rozhraní. Dále jsou také vidět dva skoro stejně
pojmenované spoje RESET_ARD a RESETC_ARD. Piny tedy nejsou přímo spojeny, ale oba
vedou do jednoduchého obvodu, který umožňuje jejich interakci přes tranzistor. Tento pin
umožňuje Raspberry Pi resetovat Arduino, například při novém měření.
15
Raspberry Pi
Na levé straně desky vidíme celkem osm spojů s názvem končícím na DAC. Tyto spoje vedou
34pinovým konektorem do ostatních desek a umožňují tak naprogramování DA převodníků,
které jsou použity jak v obvodu aktinického tak pulzního světla. Programování probíhá pomocí
SPI protokolu. Na obrázku níže je vidět zapojení těchto spojů do konektoru.
Obr. 7: Schéma zapojení konektoru a převodníku napětí.
Názvy spojů konektoru nekorespondují s těmi na Raspberry Pi, protože vedou nejdříve do
převodníku napětí. Jeho výstup je pak přímo spojený s konektorem. Na převodníku jsou kromě
spojů samotných zapojené i dva kondenzátory s kapacitou 100 nF pro obě napětí. U součástek,
které nemají stálou spotřebu a pracují na určité frekvenci jsou tyto kondenzátory užitečné pro
vyvážení spotřební zátěže. Když součástka nepoužívá žádnou energii ze zdroje, kondenzátory
se nabijí a následně jsou při sepnutí obvodu schopny vyvážit pokles napětí způsobený
impedancí spojů při vyšších frekvencích. Z pravé strany Raspberry Pi už kromě spojů s
Arduinem zbývají jen čtyři výstupy, které jsou přes budiče připojeny k pamětem a slouží ke
čtení naměřených dat přes SPI.
Arduino
Zapojení Arduina je oproti Raspberry Pi komplexnější o to, že v reálném čase ovládá zdroje i
detektor světla. Na pravé straně se kromě spojů s Raspberry Pi nachází tři spoje. PD vede k
operačním zesilovačům ve všech obvodech a umožňuje je uspat, čímž sníží jejich spotřebu. Pro
funkčnost zařízení ale nemá význam. Zbylé dva výstupy vedou oba do obvodu aktinických
světel. Hlavní součástkou tohoto obvodu je generátor signálu, který tvoří harmonické napětí
pro samotná světla. Tento generátor obsahuje pro nastavení fáze a frekvence rovnou dva
registry. Některá využití součástky můžou totiž vyžadovat tak rychlou změnu těchto parametrů,
že si nemohou dovolit ani ztrátu času při přenosu hodnot pomocí SPI. Můžou si tak nepoužívaný
registr nastavit předem a následně jej velmi rychle aktivovat pomocí jednoho ze vstupů přímo
16
na součástce. FPSELECT je napojen právě na tyto dva piny pro fázi a frekvenci. Poslední pravý
pin RESET vede také do generátoru a slouží k resetování signálu. To umožňuje navzájem
synchronizovat obě aktinická světla. Z levé strany Arduina se nachází kontrolní piny PULSE,
CONV a MCLK. PULSE vede do obvodu měřícího světla a řídí, kdy se má zapnout a CONV
je zase zapojen do AD převodníku na desce detektoru světla. Slouží jako signál pro převedení
hodnoty. Poslední výstup MCLK slouží jako referenční harmonický signál zapojený do
generátoru na desce aktinických světel. Všechny ostatní piny Arduina jsou připojeny k budičům
a zajištují přepínání přístupu k pamětem.
2.4.2 Zapojení třístavových budičů
Obr. 8: Schéma zapojení třístavových budičů.
Budiče mají vždy na levé straně vstup a na pravé odpovídající výstup. Dva přebývající spodní
piny vlevo slouží k ovládání prvních a posledních čtyřech pinů. Už na prvním budiči je patrné,
že jsou v první i druhé části totožné vstupy a výstupy se drobně liší. To umožňuje výběr paměti,
do které má v tomto konkrétním případě přistupovat AD převodník z desky detektoru světla.
17
Ovládání všech budičů má na starost Arduino. Z toho důvodu jsou spoje RAMA_RPI,
RAMB_RPI, RAMA_ADC, RAMB_ADC, RAMA_ARD a RAMB_ARD zapojeny do jeho
pinů. Prakticky všechny výstupy budičů vedou do pamětí, které jsou na schématu níže.
Obr. 9: Schéma zapojení pamětí.
Stejně jako u předešlých budičů jsou na zdroji zapojené kondenzátory k vyvážení napětí. Hlavní
čtyři vstupy SPI jsou napojené na budiče, jejichž prostřednictvím paměti komunikují s
Raspberry Pi, Arduinem a AD převodníkem z detektoru světla.
18
2.4.3 Konektor detektoru světla
Obr. 10: Schéma konektoru pro detektor světla.
Poslední důležitou součástí řídící desky je konektor pro zapojení desky detektoru světla. Jsou
zde zapojeny popsané piny Arduina PD a CONV a dva piny pro přenos pomocí SPI. Na desce
jsou tyto konektory dva, což do budoucna umožňuje připojit další detektor. V takovém případě
je paměť provozována v režimu SDI s dvoubitovou datovou sběrnicí. Na jeden hodinový cyklus
se zapíšou najednou dva bity dat, každý z jiného AD převodníku. I v režimu zápisu SDI bude
ale následný přenos dat z paměti do Raspberry Pi probíhat v režimu SPI s jedno-bitovou
datovou sběrnicí. Druhý detektor světla by mohl být použit například pro měření průběhu
aktinického světla. Nelze totiž dostat bezchybný harmonický signál, proto by podle tohoto
měření mohly probíhat korekce.
2.5 Deska aktinického světla
Funkcí této desky je generace harmonického světla nastavené intenzity a frekvence. Její
součástí je proto také konektor, do kterého je připojena LED dioda osvětlující měřený vzorek.
Obvody na desce připravují harmonický signál a zesilují ho do správného rozsahu napětí pro
diodu. V KiCadu jsou obvody této desky rozděleny do čtyř nákresů, které zvláště blíže popíšu.
Tento tištěný spoj je ovládán řídící deskou pomocí 34pinového konektoru, který je již popsán
v podkapitole Raspberry Pi a je zobrazen na Obr. 7. Na obrázku níže jsou zmíněné čtyři nákresy
propojené s konektorem a výstupy pro LED diody.
19
Obr. 11: Schéma desky aktinického světla.
První nákres DAC obsahuje DA převodník sloužící k regulování amplitudy výsledného signálu.
Jeho výstup je zaveden do vstupu následujícího nákresu – Direct Digital Synthesis. Ten
obsahuje klíčový integrovaný obvod generující harmonický signál. Nakonec je tento signál
ještě veden dvěma bloky Summing Preamplifier a LED Driver, které ho zesilují a pak převádí
na proud pro LED diodu.
2.5.1 DAC
Obr. 12: Schéma zapojení DA převodníku.
Tento nákres obsahuje pouze samotný DA převodník a několik rezistorů a kondenzátorů
sloužících pro vyhlazení šumu. Výstup DA převodníku má být v ideálním případě čistě
stejnosměrný, tudíž kondenzátory neprojde. Pokud se ale do výstupu dostane šum, vybije se
přes ně do země.
20
Z levé strany do DAC přichází pět vstupů. Tři z nich, SCK, SDI a ~CS, slouží pro řízení přes
SPI. Vstup VREF používá obvod jako referenční napětí a ~LAT umožňuje přepsat hodnoty z
registrů na výstup. Po přenosu SPI se totiž rovnou nezmění napětí na výstupu, ale hodnoty se
jen zapíší do interních registrů obvodu. To pak umožňuje výstup rychle změnit na hodnotu
uloženou v registrech pomocí pinu ~LAT. Proces změny hodnoty se tak zkrátí o čas potřebný
k přenosu SPI.
Integrovaný obvod DAC v sobě obsahuje dva DA převodníky, které lze pomocí SPI
individuálně ovládat. Jeden je použit pro regulaci amplitudy harmonického signálu a druhý
pro jeho offset, jeho hodnota je tedy k výslednému signálu přičítána.
2.5.2 Direct Digital Synthesis
Obr. 13: Schéma zapojení generátoru harmonického signálu.
Stejně jako předchozí nákres, i tento obsahuje pouze jeden integrovaný obvod a několik
součástek k jeho správnému chodu. Pro nastavení frekvence a fáze tento obvod také využívá
SPI přes piny SCLK, SDATA a ~FSYNC, který je ekvivalentem ~CS u minulého obvodu. Dále
jsou zde také piny FSELECT a PSELECT, oba připojené na jeden spoj FPSELECT. Mají stejný
účel jako ~LAT u DA převodníku, jen navíc umožňují používat dva registry. Jsou ovládány
stejným spojem, protože využití v zařízení nevyžaduje změnu fáze i frekvence ve stejnou chvíli.
Vstup MCLK slouží jako referenční hodinový signál. DDS pomocí něj nahlíží do paměti s
hodnotami funkce sinus podle zadané frekvence a vytváří tak harmonický signál. Pin SLEEP
umožňuje integrovaný obvod uspat a snížit tak jeho spotřebu. RESET integrovaný obvod
restartuje, což je užitečně pro synchronizaci fází v případě použití dvou aktinických světel. Jako
poslední vstupní pin je na druhé straně obvodu ještě FS_ADJUST. Jedná se o výstup z
předešlého DAC, regulující amplitudu harmonického signálu.
21
Na výstupu integrovaného obvodu jsou důležité dva piny, REFOUT a IOUTB. První slouží
jako výstupní referenční napětí, které je zpátky zapojeno do obvodu DAC. Stejně tak jako DA
převodník i DDS obsahuje dva generátory harmonického signálu s výstupy označenými jako
IOUT a IOUTB. Jak je ale ve schématu vidět, toto zařízení používá jen jeden z nich, a to
IOUTB.
2.5.3 Summing preamplifier
Obr. 14: Schéma zapojení zesilovače signálu.
Po vytvoření harmonického signálu v DDS je třeba k němu přičíst offset nastavený v DA
převodníku, což má na starost právě tato část desky. Obsahuje dva operační zesilovače, jeden
jako filtr šumu vysokých frekvencí a druhý pro sčítání dvou napětí.
22
2.5.4 LED Driver
Poslední nákres obsahuje dva identické obvody pro napájení LED diod. I když je v soutěžní
verzi přístroje použita pouze jedna, toto zapojení umožňuje pro lepší osvětlení připojit až dvě
diody. Obvody se dají rozdělit na dvě hlavní části. První je řada kondenzátorů a cívka, použité
pro vyhlazení vstupního napětí z 5 V adaptéru. Přes tranzistor ovládaný operačním zesilovačem
dodává LED diodě potřebný proud. Druhou částí je poměrně netradičně zapojený operační
zesilovač, který v obvodu slouží jako zdroj proudu. Přes zátěžový rezistor je jeho výstup
zapojen jako zpětná vazba, která reguluje výstupní napětí.
Obr. 15: Schéma zapojení napájení LED diody.
Spoje LEDA+ a LEDA- jsou už zapojeny do konektoru, kterým se připojuje LED dioda. Kromě
samotného harmonického vstupu je do obou operačních zesilovačů také veden spoj PD. Ten
slouží k jejich uspání, a kromě snížení spotřeby hlavně umožňuje aktinické světlo vypnout.
Tento spoj je na řídící desce připojen k Arduinu.
2.6 Deska měřících záblesků
Tento tištěný spoj bude popsán poměrně krátce, protože je ve své podstatě pouze jednodušší
verzí toho předchozího. Díky tomu, že je jeho funkcí jen generace světelných záblesků,
neobsahuje generátor harmonického světla a obvody k němu potřebné. Stejně tak jako
předchozí PCB obsahuje na obou stranách konektory umožňující desky připevnit na sebe. Na
schématu níže jsou vidět dva nákresy do kterých je rozdělen.
23
Obr. 16: Schéma desky měřících záblesků.
Z konektoru desky vedou do DAC opět spoje pro SPI komunikaci. Navíc je zde ale spoj
PULSE, který vede z Arduina a umožňuje mu tak ovládat světelné záblesky. Nákres LED
Driver je identický tomu v předchozí desce.
Obr. 17: Schéma DA převodníku.
Kromě typického zapojení DA převodníku z předchozí desky je zde navíc ještě multiplexer
umožňující ovládání výstupu. V kapitole popisující vývoj software bude pak tento spoj využit
k vytváření záblesků světla jeho krátkým přenesením do napětí 4.5 V.
24
2.7 Deska detektoru světla
Jako jediný z tištěných spojů přístroje je tento téměř čistě analogový. Až do poslední části, kdy
je AD převodníkem hodnota signálu převáděna do digitální podoby se jedná o manipulaci
s diferenciálním napětím z fotodiody a jeho čištění od parazitických frekvencí. I když je i tato
část elektroniky velmi zajímavá, kvůli nedostatku zkušeností bych se v této práci rád zabýval
pouze digitální elektronikou a funkci této desky proto popsal jen na vyšší úrovni.
Stejně jako ostatní desky je i tato rozdělena do několika nákresů oddělujících jednotlivé funkce:
Všechny SPI spoje vedoucí z řídící desky jsou zapojeny do AD převodníku a přenáší tak
naměřená data do pamětí. PD je opět rozveden do všech součástek disponujících možností
uspání. Samotná fotodioda sloužící jako detektor fluorescenčního záření se nachází v nákresu
Photodiode Preamplifier.
Tam je operačním zesilovačem zapojeným jako zdroj napětí vytvářen diferenciální signál na
fotodiodě, ovlivněný jejím osvitem. Při použití diferenciálního signálu jsou data přenášena
dvěma spoji jako rozdíl jejich napětí, oproti klasickému rozdílu napětí mezi jedním vodičem a
zemí. Tím je zajištěna větší ochrana před indukovaným elektromagnetickým šumem, protože
jsou oba spoje ovlivněny stejně a rozdíl jejich napětí se tak nezmění.
Hned po vytvoření diferenciálního signálu je z něj v dalším nákresu vyfiltrováno nízké napětí.
Obvod je navržený tak, že jím projde pouze střídavé napětí s frekvencí v řádech 70 kHz a výše.
To je velmi důležitá vlastnost, která umožňuje vyfiltrovat napětí indukované nejen aktinickým
pozadím, které takových frekvencí nedosahuje, ale hlavně denního světla. Díky tomu je možné
přístroj k měření použít prakticky v jakýchkoli podmínkách a vždy vyfiltrovat jen fluorescenční
odezvu. Filtr nízkých frekvencí je realizován několika kondenzátory a rezistory tvořící
rezonanční RC člen a dvěma operačními zesilovači, které signál zesílí.
25
Obr. 18: Schéma filtru nízkých napětí.
Další nákres obsahuje jediný diferenciální operační zesilovač sloužící k dalšímu zesílení
nosných signálů. I když je použitá fotodioda poměrně přesná, získané napětí je velmi malé a je
třeba jej před převedením do digitální podoby mnohokrát zesílit s co nejmenší ztrátou přesnosti.
Pak už následuje vstup do AD převodníku, který na výstupu odesílá data pomocí SPI. Použitý
ADC převádí všechny hodnoty do 12bitového čísla, je třeba na to proto myslet při zpracování
výsledků měření v Raspberry Pi.
Poslední nákres, který jsem ještě nezmínil, obsahuje zdroje referenčního napětí pro všechny
ostatní součástky. Protože jej používají operační zesilovače k manipulaci s diferenciálním
signálem, je třeba aby byl co nejčistším a neovlivňoval tak datový výstup.
2.8 Návrh podpůrné konstrukce
2.8.1 Držák měřícího aparátu
Pro návrh konstrukce bylo nejdříve potřeba vymodelovat důležité části měřícího aparátu. Model
desky detektoru světla jsem exportoval z KiCadu. LED diody spolu s čočkami, chladiči a filtry
jsem následně vymodeloval v online CAD nástroji OnShape, stejně tak jako konstrukci
samotnou.
Měřící aparát se skládá z desky detektoru a tří modulů zajišťujících osvit vzorku. Dva z nich
slouží jako zdroje aktinického světla, ten poslední zajišťuje měřící záblesky. Světelné moduly
jsou kolem měřící desky namířeny na vzorek pod úhlem 40°. Účelem podpůrné konstrukce je
fixace této pozice a také co nejlepší světelná izolace pro zajištění přesných výsledků.
26
Obr. 19: Model měřícího aparátu v aplikaci OnShape.
Nejdříve jsem obalil pomyslné paprsky světla z LED modulů dutým válcem, sahajícím až
k měřenému vzorku. Následně vede podobná tuba emisní záření vzorku svisle až k desce
detektoru. Z této konstrukce je také vedeno upevnění a podložka pro tištěný spoj. Měřený
vzorek je držen na místě protilehlou plochou připevněnou na spodek modelu samozavíracím
pantem.
Obr. 20: Model podpůrné konstrukce
Model jsem si nechal vytisknout metodou FDM z materiálu PLA. Jedná se o tradiční, často
používanou kombinaci, při které se tiskový materiál ve formě filamentu před tiskem taví
v tiskové hlavici. Software pro komunikaci s tiskárnou do modelu automaticky přidá podpůrné
konstrukce pro tisk horizontálních ploch bez svislého podepření, proto jsem tento problém
27
například u držáku PCB nemusel řešit. Po vytisknutí jsem aparát sestavil a pomocí konektoru
na tištěném spoji připojil ke zbytku zařízení.
Obr. 21: Sestavený měřící aparát.
2.8.2 Obal zařízení
Na závěr jsem celé zařízení připevnil na desku vyříznutou z truhlářské překližky. Z horní strany
jsem na ni závitovými tyčemi připevnil identickou desku, na kterou jsem přišrouboval měřící
aparát vytvořený v předchozí části. Ze strany je na horní desce ještě připevněn LCD display
umožňující zobrazení webového rozhraní přímo na zařízení.
Obr. 22: Foto sestaveného přístroje.
28
3 VÝVOJ SOFTWARE PRO ZAŘÍZENÍ
Veškerý software konstruovaného přístroje se týká pouze řídících jednotek Arduina a
Raspberry Pi. Tato kapitola je proto rozdělena do dvou částí, ve kterých popisuji programování
obou z nich.
3.1 Software Arduina
I když existují i jiné alternativy, pro účely tohoto přístroje nebyl důvod nevyužít oficiální
vývojové prostředí Arduino IDE a jazyk Wiring. Ten je prakticky frameworkem C++, je tedy
staticky typovaný a po kompilaci je nahrán do paměti Arduina přes programátor zabudovaný
na desce. Životní cyklus programu Arduina je typicky postaven na dvou funkcích setup() a
loop(). Jak název napovídá, první funkce je zavolaná jednou po spuštění Arduina a slouží proto
k nastavení počátečního stavu zařízení. Funkce loop() je pak volaná pořád do kola až do jeho
vypnutí.
Arduino má ale společně s jazykem Wiring jedno specifikum. Díky mnoha vestavěným
funkcím sice umožňuje jednoduché přepínání napětí na pinech a je tak ideální pro jednoduché
projekty. Kromě toho ale také umožňuje Arduino ovládat na úrovni jednotlivých portů a za
cenu menší přehlednosti kódu tak některé funkce zrychlit. Při popisu konkrétního kódu budu
proto tuto nepřehlednost kompenzovat tabulkou, přiřazující každému bitu manipulovaného
portu název pinu ze schématu, se kterým koresponduje.
Stručný běh programu Arduina demonstruje následující schéma.
Obr. 23: Schéma běhu programu Arduina.
29
3.1.1 Převod bitů portů na piny Arduina
PORTD:
Číslo bitu pin Arduina Název ve schématu
0 D0 x
1 D1 PULSE
2 D2 SDO0_ARD
3 D3 SDO1_ARD
4 D4 CONV
5 D5 SCLK_ARD
6 D6 ~CS_ARD
7 D7 ~RAMA_ARD
PORTB:
Číslo bitu pin Arduina Název ve schématu
0 D8 ~RAMB_ARD
1 D9 MCLK
2 D10 ~RAMA_ADC
3 D11 ~RAMB_ADC
4 D12 ~RAMA_RPI
5 D13 ~RAMB_RPI
6 crystal x
7 crystal x
PORTC:
Číslo bitu pin Arduina Název ve schématu
0 A0 PD
1 A1 FPSELECT
2 A2 RESET
3 A3 OVERFLOW
4 A4 SDA_RPI
5 A5 SCL_RPI
6 reset RESET_ARD
7 x x
30
3.1.2 setup()
Funkce setup() obsahuje následující kód:
Kromě volání další funkce setupPins() jsou také na začátku volány dvě metody knihovny Wire.
Jedná se o nastavení I2C rozhraní, pomocí kterého Arduino komunikuje s Raspberry Pi. Metoda
onReceive(receiveEvent) zajistí, že se (dále popsaná) funkce receiveEvent() zavolá pokaždé,
kdy do Arduina přes I2C přijdou data.
Volaná funkce setupPins() pomocí manipulace s porty nastavuje počáteční hodnoty pinů:
Operátory |= a &= jsou postupně bitové OR a bitové AND. Jejich použitím lze v portu přepsat
jen určité piny při zachování původních hodnot těch ostatních. Za zmínku také stojí nastavení
módů pinů v registrech DDR*.
3.1.3 receiveEvent()
Funkce receiveEvent() implementuje reakci na přijatá data přes I2C rozhraní. Pro celý průběh
měření je potřeba do Arduina přenést pouze dvě hodnoty. Tou první je nastavení frekvence pinu
MCLK. Ten vede z Arduina do generátoru harmonického signálu na desce aktinického světla,
jak bylo popsáno v návrhové části. Regulací jeho frekvence lze lineárně měnit frekvenci
aktinického světla. V softwaru Raspberry Pi se tak podle požadované frekvence tato hodnota
spočítá spolu s hodnotou frekvence zapsanou rovnou do DDS. Druhou přenášenou hodnotou je
počet pamětí, které se mají naměřit, což zároveň slouží jako příkaz k začátku měření.
Kód funkce:
void setup() {
// i2c setup
Wire.begin(0x8);
Wire.onReceive(receiveEvent);
setupPins();
}
void setupPins() {
// set default states for all pins
PORTD = B01000010;
PORTB = B00011101;
PORTC |= B00000001;
PORTC &= B11110001;
// set pinModes for all pins
DDRD = B11111110;
DDRB = B00111111;
DDRC |= B00001111;
}
31
Argument funkce howMany indikuje počet příchozích bytů. Toto číslo ale není ve funkci
využito a namísto něj je zde while loop který pomocí funkce available() kontroluje, jestli ještě
nějaký byte zbývá. Ten se pak v každé této smyčce voláním read() přečte a podle jeho hodnoty
se zavolá jedna za dvou funkcí. V obou případech se ještě po načtení znaku čeká na další
příchozí byty, které se pak převedou na počet měřených pamětí nebo frekvenci MCLK.
Funkce setMCLK() je definována následujícím způsobem:
MCLK signál je generován pomocí tzv. timerů, které jsou svými ovládacími registry nastaveny
na určitou frakci frekvence základních 16 MHz Arduina. TCCR1A a TCCR1B jsou registry pro
nastavení prvního ze tří dostupných timerů Arduina. Nastavuje se jimi způsob generace signálu
a pin, na který se výstup připojí. OCR1A je registr pro nastavení čísla, kterým se základní
frekvence bude dělit a představuje tak způsob, jak frekvenci ovládat.
void receiveEvent(int howMany) {
while (Wire.available()) {
char c = Wire.read();
// set MCLK divider
if (c == 'R' && Wire.available()) {
String divider = "";
// wait for the whole number
while(Wire.available()) {
divider += char(Wire.read());
}
setMCLK(divider.toInt());
} else if (c == 'M' && Wire.available()) {
String number = "";
// wait for the whole number
while(Wire.available()) {
number += char(Wire.read());
}
// set the desired number of blocks
blocks = number.toInt();
startExperiment();
}
}
}
void setMCLK(int divider) {
TCCR1A = bit (COM1A0);
TCCR1B = bit (WGM12) | bit (CS10);
OCR1A = divider;
}
32
V případě přijmutí signálu startu měření se zavolá funkce startExperiment():
První nastavení proměnné writeRAMA se týká přepínání dvou pamětí. Pak následuje nastavení
pinu PD do 0, čímž se zapnou součástky na desce aktinického a pulzního světla. Kvůli
předešlým měřením se resetují globální proměnné počítající naměřené paměti a hodnoty. Na
závěr se ještě resetuje obvod generátoru harmonického světla a globální proměnná
measurement je konečně nastavena na true, čímž v následujícím volání funkce loop() začne
měření.
Ještě před kódem funkce loop() ale stručně popíšu mechanismus přepínání zápisů a čtení z
jednotlivých pamětí ve funkci setupMemory(). Tato funkce zajišťuje správné nastavení pamětí
a třístavových budičů, které jsou zachyceny na následujících schématech:
Obr. 24: Schéma třístavových budičů. (1/2)
void startExperiment() {
// select first memory
writeRAMA = true;
// run the memory setup script
setupMemory();
// PD 0 (LED driver enabled)
PORTC &= B11111110;
// reset to 0
wordCounter = 0;
memoryCounter = 0;
// reset DDS
PORTC |= B00000100;
PORTC &= B11111011;
measurement = true;
}
33
Obr. 25: Schéma třístavových budičů. (2/2)
Z první části schématu je patrné, že jsou oba budiče ovládány identickými spoji z Arduina, i
když je pořadí písmen A a B na prvním budiči prohozené. Pokaždé, když totiž do jedné paměti
přistupuje RPi, do té druhé má být zapojen hodinový SCLK signál i ~CS z Arduina. Na rozdíl
od druhého budiče, ale obstarává pouze tyto dva piny SCLK_ARD a CS_ARD – ne všechny
čtyři potřebné k SPI přenosu. Je to proto, že ne vždy, kdy Arduino do pamětí posílá SCLK, do
nich také zapisuje/čte. AD převodník použitý v tomto přístroji není schopen sám generovat
hodinový signál ani přepínat CS. Proto Arduino vždy na začátku převodu pošle do pamětí
krátkou sekvenci bitů nastavující mód zápisu a adresu. Pak vymění výstup budiče přepínajícího
datové spoje do ADC a jen ovládá CS a vytváří hodinový signál.
Zbylé dva budiče na druhé části schématu tuto funkčnost přesně doplňují – umožňují přepínat
mezi daty z ADC nebo Arduina. Na závěr se ještě hodí zmínit, že spoje SDO_ADC1 a
SDO_ARD1 jsou tu kvůli možnosti připojení další desky detektoru světla, např. pro snímání a
následnou korekci harmonického aktinického světla.
Kód funkce setupMemory() je už jen praktickým provedením výše zmíněné funkce:
void setupMemory() {
if (writeRAMA) {
PORTD = B00000010;
PORTB = B00011101;
PORTD = B00100010; // instruction bit 7
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010; // b6
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010; // b5
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010; // b4
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010; // b3
PORTD = B00000010;
34
Funkce se hned na začátku větví podle aktuálně požadované paměti. Jako první jsou nastavené
správné hodnoty budičů. Pak je opakovaným zápisem do portů vytvářen hodinový signál pro
přenesení instrukce k zápisu do paměti. Na konci jsou přepnuty poslední dva budiče tak, aby
přesměrovaly data z ADC do paměti.
Za zmínku také stojí ručně vypsané přepínání hodnot portů namísto použití nějaké formy
smyčky jako třeba for loop. I když by v tomto případě šlo takový for loop při kompilaci přeložit
jako pouhý sled příkazů za sebou, jsou případy, kdy se kód uvnitř for smyčky dynamicky mění
např. podle řídící proměnné. Kompiler který používá Arduino IDE by proto neuměl kód
zjednodušit a přeložil by ho jako for smyčku. To by znamenalo, že by kromě kódu uvnitř
smyčky přidal instrukce k obstarání for smyčky (zvyšování kontrolní proměnné, jump equal
…) a kód by se tím výrazně zpomalil.
Druhá větev programu má identickou strukturu:
PORTD = B00100010; // b2
PORTD = B00000110; // set SDO0_ARD to 1
PORTD = B00100110; // b1
PORTD = B00000010; // set SDO0_ARD to 0
PORTD = B00100010; // b0
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010; // address bit 23
PORTD = B00000010;
PORTD = B00100010;
PORTD = B00000010;
.
.
.
PORTD = B00000010; // address bit 0
// set RAMA_ARD 1 and RAMA_ADC 0
PORTD = B10000010;
else {
PORTD = B10000010;
PORTB = B00011100;
// zaslání instrukce do paměti
.
.
.
// set RAMB_ARD 1 and RAMB_ADC 0
PORTB = B00100101;
}
35
Rozdílem je samozřejmě nastavení budičů, které nyní připojí RPi do první paměti a Arduino
s AD převodníkem do té druhé.
3.1.4 loop()
Funkce loop() implementuje měření jedné hodnoty a jejího převodu do paměti a svou rychlostí
tak určuje jeho vzorkovací frekvenci.
Kód pro měření vzorku je podmíněn globální proměnnou measurement, která vždy Arduino
pozastaví do spuštění měření. V dalším příkazu je již zapnuto měřící světlo, následováno
několika prázdnými instrukcemi, které mu zajistí dostatek času k rozsvícení.
Stejným způsobem je také poslán příkaz ke konverzi analogové hodnoty. Po tomto příkazu
ADC převedl hodnotu do digitální podoby a čeká na hodinový signál při kterém ji pomocí SPI
odešle. Stejným způsobem jako při nastavení pamětí je proto vytvořen hodinový signál pro
přenos všech 12 bitů naměřené hodnoty.
void loop() {
if (!measurement) {
return;
}
// turn pulse light on (active low)
PORTD &= B11111101;
// nops to wait for the LED to turn on
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
// CONV to 1 to start AD conversion
PORTD |= B00010000;
// nops to wait for the conversion to finish
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
__asm__("nop\n\t");
36
S posledním hodinovým signálem je hodnota převedena do aktuálně používané paměti. Na
samém konci je ještě třeba zkontrolovat, jestli již nebyla naplněna maximální kapacita paměti,
či nebylo dosaženo potřebného počtu měření.
První podmínkou je přetečení paměti. V případě, že je v ní ještě místo se proto jen zvýší
hodnota proměnné wordCounter a zavolá se funkce nops(). Tato funkce obsahuje pouze několik
prázdných instrukcí, které simulují časovou prodlevu v případě přeplnění paměti a jejího
přepnutí. Perioda měření tak zůstává stejná nezávisle na větvení programu. Pokud je ovšem
paměť plná, Arduino provede sled instrukcí k její výměně. Nejdříve její CS přepne do HIGH a
resetuje čítač. Pak také navýší hodnotu celkových naměřených pamětí, která je níže
kontrolována. Nakonec prohodí hodnotu proměnné writeRAMA, čímž se v budičích při
následujícím volání funkce setupMemory() paměti prohodí. Zápis 1 a následně zase 0 do portu
C uvědomí RPi o naplnění paměti, a to si ji následně v mezičase vyprázdní.
Druhá podmínka kontroluje, jestli již nebyl naměřen požadovaný počet pamětí. Pokud ano,
Arduino se přepne do základního stavu a ukončí měření. V opačném případě přenastaví paměti
a měření pokračuje.
// 12x sclk 1, sclk 0 to transfer the data from ADC to memory
PORTD |= B00100000;
PORTD &= B11011111;
.
.
.
PORTD |= B00100000;
PORTD &= B11011111;
if (wordCounter == memoryLength) {
PORTD |= B01000000;
wordCounter = 0;
memoryCounter++;
writeRAMA = !writeRAMA;
PORTC |= B00001000;
PORTC &= B11110111;
// end of experiment
if (memoryCounter == blocks) {
setupPins();
measurement = false;
} else {
setupMemory();
}
} else {
wordCounter++;
nops();
}
}
37
3.2 Software Rasberry Pi
Na rozdíl od Arduina přináší Raspberry Pi daleko větší výběr programovacích jazyků, prostředí
a technologií. Díky operačnímu systému Raspbian, který přímo vychází z Linuxového Debianu,
na něm lze spustit prakticky cokoli. Při výběru programovacího jazyka jsem proto kromě
obstojné podpory a komunity hledal platformu, která nejlépe implementuje manipulaci s piny
RPi, kterou budu v projektu hojně využívat. Po zkoušce implementace jednoduchého příkladu
jsem se mezi finální dvojicí Pythonem a nižším C rozhodl pro Python a jeho knihovny GPIO a
SpiDev.
Kód RPi už je oproti tomu v Arduinu strukturovaný do objektů a několika souborů. Je ale
podstatně delší, proto zde popíšu pouze jeho důležité části a především jeho životní cyklus jako
celek. Všechny soubory jsou pak k dohledání na online repositáři. Software Raspberry Pi také
obsahuje grafické uživatelské rozhraní, které je ale pouze jednoduchým spouštěčem hlavního
skriptu main.py, proto ho na samotném konci pouze krátce zmíním.
Objektová struktura softwaru je znázorněna na jednoduchém schématu:
Obr. 26: Objektové schéma softwaru RPi.
Ovládání DA převodníků a generátoru harmonického signálu je implementováno ve třídách
Dac a Dds ve svých samostatných souborech. Tři pomocné soubory zajišťují nastavení
základních hodnot pinů Raspberry Pi, I2C komunikaci a reset Arduina krátkým pulsem jeho
reset pinu. Všechny tyto třídy a funkce pak sjednocuje hlavní třída Harmonizer, která obsahuje
metody pro nastavení frekvence a spuštění měření. Na vrcholu stojí soubor main.py, který
objekt harmonizer vytvoří a nastaví mu požadované hodnoty. Tento soubor lze volat z terminálu
nebo pomocí grafického rozhraní.
38
3.2.1 Nastavení DA převodníků
Stejně tak jako paměti nebo DDS i DA převodníky používají pro komunikaci protokol SPI. Kód
pro jejich nastavení jsem implementoval ve třídě Dac, která obsahuje metody k jejich zapnutí a
zápisu do registrů. Konstruktor třídy nastaví potřebná čísla pinů Raspberry Pi, čímž lze kód
použít pro libovolné zapojení DA převodníků:
Za popsání také stojí funkce writeWord(), která implementuje odeslání tří bytů do DAC. Právě
tři byty posílá z toho důvodu, že je to daná délka potřebná k odeslání jednoho příkazu, který je
v datasheetu definovaný následujícím způsobem:
Obr. 27: Stuktura jednoho 24bitového příkazu. Dostupné z:
https://www.mouser.co.uk/datasheet/2/268/MCP48CXBXX-Data-Sheet-DS20006160A-1774111.pdf
Při používání následující metody je tedy rozložení bitů potřeba brát v potaz.
Nejdříve je nastaven CS pin do nuly, čímž se DAC připraví na přenos. Poté je pomocí dvou
smyček iterováno všech 24 bitů a postupně jsou zapsány změnou datového pinu MOSI a
střídáním hodnoty hodinového pinu SCLK. Na konci je zase CS nastaven do HIGH a
komunikace je tak ukončena.
Metody writeFirstRegister() nebo writeSecondRegister() už jen používají tuto metodu
k odeslání požadované hodnoty. Poslední zajímavostí je zapínání DA převodníku, které tuto
metodu také používá. DAC může být totiž ve stavu, kdy má kvůli nižší spotřebě energie některé
def __init__(self, csPin, latPin, mosi, sclk):
self.cs = csPin
self.lat = latPin
self.mosi = mosi
self.sclk = sclk
def writeWord(self, value):
GPIO.output(self.cs, GPIO.LOW)
for n in range(3):
for i in range(8):
GPIO.output(self.mosi, (value[n]>>(7-i))&1)
GPIO.output(self.sclk, GPIO.HIGH)
GPIO.output(self.sclk, GPIO.LOW)
GPIO.output(self.cs, GPIO.HIGH)
39
obvody odpojené a jeho funkce je tak pozastavena. Ve funkci powerUp() je proto DAC zapnut
zápisem do registru, který tento stav ovládá.
3.2.2 Nastavení DDS
I když je svou interní strukturou DDS složitější než DAC, jejich ovládání je téměř identické.
Třída Dds proto stejným způsobem implementuje metodu writeWord(), která ale posílá pouze
dva byty, tj. 16 bitů. Metody writeFirstPhase() a writeSecondPhase() ji opět jen volají se
správným parametrem pro nastavení registrů s fázemi.
Poslední čtyři bity slouží jako instrukce k zápisu do správných registrů a oproti funkci
writeFirstPhase() se tak v jednom bitu liší. K těmto bitům se ale už jen přidá hodnota samotná
a všech 16 bitů se odešle do DDS. Zajímavější jsou metody zapisující frekvenci -
writeFirstFrequency(), nebo téměř identická writeSecondFrequency().
Oproti fázím jsou frekvence uloženy jako 28bitová čísla. Proto je třeba je před odesláním
rozdělit na dvě poloviny označené v kódu jako f_msb a f_lsb (z anglického least/most
significant bit). Poté už jsou k nim přidány bity značící instrukci a následně jsou zvlášť za
použití funkce writeWord() odeslány.
Tato třída také stejně jako Dac obsahuje kód pro spuštění a nastavení integrovaného obvodu.
Protože se ale pouze jedná o jednu instrukci, odeslání 16 bitů, není třeba se jí více zabývat.
3.2.3 Ovládání Arduina
Raspberry Pi s Arduinem komunikuje pomocí rozhraní I2C, přes které mu posílá instrukci
k měření. Jednoduchou funkci sloužící k odeslání libovolné (binární) hodnoty jsem
implementoval v souboru i2c.py.
def writeFirstPhase(self, value):
phase = 0b11 << 14 | 0 << 13 | value
self.writeWord(phase)
def writeFirstFrequency(self, value):
f_msb = value >> 14
f_lsb = value & 0b11111111111111
freq_reg = 1 << 14
freq_lsb = freq_reg | f_lsb
freq_msb = freq_reg | f_msb
self.writeWord(freq_lsb)
self.writeWord(freq_msb)
40
K samotnému přenosu jsem použil knihovnu smbus2, která po vytvoření objektu
reprezentujícím I2C bus umožňuje odeslat data pomocí metody write_i2c_block_data().
Jedinou další zajímavostí je snad jen importování souboru constants.py, ve kterém je uložena
I2C adresa Arduina. Stejným způsobem jsou také v souboru pins.py uloženy čísla pinů
Raspberry Pi, aby se z kódu pro větší přehlednost daly referencovat svými názvy a také
jednoduše změnit. Seznam pinů importuje i následující soubor resetArd.py:
Ten jen na 10 μs zvedne RESET pin Arduina do HIGH a tím ho resetuje.
3.2.4 Třída Harmonizer
Kód z předešlých kapitol už by prakticky skoro stačil k nastavení a spuštění většiny zařízení.
Je třeba jej ale seskupit do jednoho objektu, který objektový návrh logicky dokončí a bude
zastupovat samotné zařízení. Tuto funkci plní právě třída Harmonizer, kterou již instancuje
soubor main.py, který je spouštěn uživatelem.
Jako první se v konstruktoru pomocí importované funkce init() nastaví základní hodnoty pinů
Raspberry Pi. Jedná se pouze o použití knihovny GPIO a přepnutí všech pinů do stavu, který
odpovídá vypnutému zařízení – všechny CS piny jsou HIGH a ostatní piny aktivní v HIGH jsou
LOW. Další je na řadě instancování popsaných tříd Dac a Dds.
from smbus2 import SMBus
import sys
sys.path.append('../constants')
import constants
def sendToArduino(value):
bus = SMBus(1)
b = bytearray()
b.extend(map(ord, value))
bus.write_i2c_block_data(constants.arduinoSlaveAdress, 0, b)
bus.close()
import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep
sys.path.append('../constants')
import pins
def reset():
GPIO.setup(pins.arduinoReset, GPIO.OUT)
GPIO.output(pins.arduinoReset, GPIO.HIGH)
sleep(1e-5)
GPIO.output(pins.arduinoReset, GPIO.LOW)
41
Čísla pinů v parametrech konstruktorů Dac a Dds jsou opět importovány ze seznamu pinů. Také
jsou hned v konstruktoru zapnuty všechny DA převodníky, protože budou zanedlouho poté
použity.
Kromě reference na všechny DA převodníky a DDS obsahuje tato třída ale také několik
pomocných metod. Jednou z nich je metoda setMclkDivider(), která do Arduina pomocí funkce
ze souboru i2c.py pošle instrukci k nastavení děliče (a tím rychlosti) MCLK signálu. Celá
zpráva se skládá pouze z jednoho písmena signalizujícího instrukci a následné hodnoty MCLK
děliče.
S tím souvisí i následující funkce frequencyToValues(). Ta vstupní frekvenci převede na dvojici
hodnot – hodnotu registru DDS a dělič MCLK v Arduinu, které jsou následně nastaveny a tím
také dosažena požadovaná frekvence aktinického světla, která je udána následujícím vzorcem:
𝑓 = !!!"×!#$%&
$'( (1)
Jelikož 28bitová frekvence nastavovaná v DDS samotná pokrývá většinu frekvencí, které by
uživatel chtěl generovat, dělič MLCK je skoro vždy nastaven na 0 (tj. frekvence 8 MHz). Jen
pro hodnoty menší než stanovená hodnota 0.3 Hz je změněn na 1, čímž redukuje frekvenci
MCLK na 4 MHz a umožní tak nastavení nižších frekvencí. Funkce pak hodnotu pro DDS
zaokrouhlí na celé číslo a následně obě hodnoty vrátí.
def __init__(self):
# init pins
initPins.init()
# set up DAC
self.firstActinicDac = dac.Dac(pins.actinic0DacCS, pins.latDac,
pins.ddsMOSI, pins.ddsSCLK)
self.secondActinicDac = dac.Dac(pins.actinic1DacCS, pins.latDac,
pins.ddsMOSI, pins.ddsSCLK)
self.pulseDac = dac.Dac(pins.pulserDacCS, pins.latDac, pins.ddsMOSI,
pins.ddsSCLK)
# power up DAC
self.firstActinicDac.powerUp()
self.secondActinicDac.powerUp()
self.pulseDac.powerUp()
# set up DDS
self.firstDDS = dds.Dds(pins.FSYNCA, pins.ddsMOSI, pins.ddsSCLK)
self.secondDDS = dds.Dds(pins.FSYNCB, pins.ddsMOSI, pins.ddsSCLK)
def setMclkDivider(self, value):
i2c.sendToArduino("R" + str(value))
42
Poslední důležitou metodou třídy je arduinoStartSignal(), která jednoduše pošle instrukci
začínající písmenem M a tím spustí měření požadovaného počtu pamětí.
3.2.5 Soubor main.py
Skript main.py je spouštěn s následujícími parametry:
Uživatel mu tedy předá potřebné parametry a skript pak běží podle následujícího scénáře:
Obr. 28: Schéma běhu skriptu main.py.
Kontrola argumentů je pouze řadou podmínek, které v případě vykročení z nastaveného limitu
program ukončí a vypíšou chybu. Zajímavější je ale druhý krok, ve kterém je registrován
def frequencyToValues(self, frequency):
dds = 0
mclk = 0
if (frequency > .3):
dds = (frequency * 2**28)/8e6
mclk = 0
else:
dds = (frequency * 2**28)/4e6
mclk = 1
return [mclk, round(dds)]
def arduinoStartSignal(self, blocks):
i2c.sendToArduino("M" + str(blocks))
sudo python3 main.py [actinicAmplitude] [pulseAmplitude] [actinicPhase]
[mesurementLength] [actinicFrequency]
43
interrupt handler, což je stejně jako u Arduina funkce, která reaguje na příchozí signál. Nejdříve
jsou nastaveny parametry knihovny SpiDev, která bude použita pro čtení paměti.
Poté je funkcí add_event_detect() zaregistrována funkce readBlock() tak, aby se spustila na
každé vzestupné hraně pinu overflow. Tato funkce pak v případě naplnění paměti čte data a
ukládá je do RAM. Hned poté jsou už použity metody z objektů Dac a Dds k nastavení
parametrů měření:
Data ze spouštěcích argumentů byly pro přehlednost uloženy do proměnných podle jejich
názvů. Nakonec se do Arduina odešle měřící signál jednoduchým:
Potom už je na řadě Arduino, které provádí měření a hlídá zaplnění paměti. V případě jejího
přetečení odešle interrupt signál a v Raspberry Pi se spustí zaregistrovaná funkce readBlock().
Do té doby Raspberry Pi čeká a dokola kontroluje, jestli již měření neskončilo:
# setup spi interface
spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0,1)
spi.max_speed_hz = 3000000
# setup CS pin
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup(pins.memoryCS, GPIO.OUT)
GPIO.output(pins.memoryCS, GPIO.HIGH)
# setup hardware interrupt
GPIO.setup(pins.overflow, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
GPIO.add_event_detect(pins.overflow, GPIO.RISING, callback=readBlock,
bouncetime=10)
h = harmonizer.Harmonizer()
# set dac and dds values
h.firstActinicDac.writeFirstRegister(0)
h.firstActinicDac.writeSecondRegister(actinicAmplitude)
frequencyValues = h.frequencyToValues(actinicFrequency)
h.setMclkDivider(frequencyValues[0])
h.secondDDS.writeFirstFrequency(frequencyValues[1])
h.secondDDS.writeFirstPhase(actinicPhase)
h.pulseDac.writeFirstRegister(pulseAmplitude)
# start the measurement
h.arduinoStartSignal(measurementLength)
# wait for the measurement to finish
while(measurement<measurementLength):
pass
44
Funkce readBlock() musí nejprve do paměti odeslat instrukci signalizující čtení, proto hned na
začátku funkce stáhne CS pin do LOW.
Na rozdíl od implementace SPI protokolu ve třídách Dds a Dac jsem zde použil knihovnu
SpiDev, jelikož celý proces usnadní. Po přenesení instrukce a adresy začátku čtení je do paměti
metodou xfer3() odesláno 90 000 bytů. Ta totiž byty zapisuje, ale zároveň za každý odeslaný
byte jeden přečte a uloží ho do pole, které následně vrátí. Po skončení přenosu jsou tedy data
uložena v proměnné data a CS je zase vráceno do HIGH. Následně jsou data přidána do
globálního pole obsahujícího celé dosavadní měření a také je navýšena globální proměnná
umožňující detekci konce měření.
Celý proces zakončí funkce saveBitString(), která načtená data uloží do textového souboru
obsahujícího řetězec bitů načtených hodnot.
Funkce hodnoty postupně převede do binární hodnoty, formátuje je do tvaru bytu a následně
uloží do souboru s názvem z parametru funkce. Odsud jsou již zpracovány do jednoduchého
grafu v uživatelském rozhraní, nebo je lze analyzovat v softwaru jako například Matlab, který
pro větší možnosti zobrazování dat používám v kapitole Měření.
def readBlock(channel):
GPIO.output(pins.memoryCS, GPIO.LOW)
readInstruction = 0b00000011
spi.writebytes([readInstruction, 0b00000000, 0b00000000, 0b00000000])
data = spi.xfer3([0b00000000]*90000)
GPIO.output(pins.memoryCS, GPIO.HIGH)
values.extend(data)
print(len(data))
global measurement
measurement += 1
def saveBitString(data, fileName):
bits = []
for i in range(len(data)):
bit = bin(data[i])[2:].zfill(8)
bits.extend(bit)
bitString = "".join(bits)
with open(fileName, "w") as text_file:
text_file.write(bitString)
return
45
4 UKÁZKA MĚŘENÍ
Po sestavení zařízení je konečně na čase provést kontrolní měření pro ověření jeho funkčnosti.
Měření ale poslouží pouze jako ukázka výstupních dat. Předmětem práce není vyvozování
skutečností souvisejících s fotosyntézou a bude proto ponecháno budoucím vědeckým pracím
zabývající se touto problematikou. Toto téma bude také blíže rozvedeno v diskuzi.
K zobrazení výsledků do této práce nepoužívám grafické rozhraní zařízení, ale zkušební verzi
programu MATLAB. Pro generování ilustračních výstřižků se hodí více díky lepším
možnostem přibližování a manipulace s daty. Jakožto nejvíce vypovídající jev jsem pro ukázku
zvolil Kautsky efekt, který nastane při osvícení rostliny po její adaptaci na tmu. Reakce rostliny
na harmonický osvit není dosud přesně popsána, proto je dobře známý Kautsky efekt ideální
pro zkoušku měřícího aparátu zařízení a také zpracování dat.
List pokojové rostliny Kulkas zamiolistý jsem nejdříve na 20 minut připevnil do vypnutého
přístroje. Pak jsem odstartoval měření s frekvencí aktinického osvitu nastavenou na 0 Hz, což
zapříčinilo stálý osvit jako u měření klasickou metodou PAM. Aktinické světlo jsem ale připojil
až v průběhu měření, aby byla v datech jasně vidět celá reakce listu na saturační záření. Data
jsem následně v MATLABu rozdělil do vektoru po 12 bitech, každých 5 hodnot zprůměroval
pro odstranění šumu, a nakonec zobrazil v grafu:
Obr. 29: Graf hodnot v software MATLAB.
Na obrázku je jasně vidět náhlý vzrůst fluorescenční emise při zapnutí aktinického světla.
V další části je stejně jako v první kapitole zřetelný pomalý pokles značící rozběhnutí procesu
fotosyntézy a následné ustálení emise na stabilní hodnotu.
46
5 ZÁVĚR
Cílem této práce bylo sestrojit funkční fluorometr splňující několik požadavků týkajících se
ceny, použitelnosti a jednoduchosti. Tohoto cíle se mi podařilo dosáhnout během necelého
roku, který probíhal následujícím způsobem.
Nejdříve jsem většinu času trávil dohledáváním informací a hovory s Jakubem Nedbalem, který
mě do problematiky během prvního měsíce „zasvětil“. I když jsme hned stavěli na prvotním
návrhu zařízení, KiCad schémata a první zkoušky softwarových knihoven přišly až druhým
měsícem. Následující půlrok jsme pak stále distančně pracovali na návrhu tištěných spojů a
následně i kreslili 3D model podpůrné konstrukce. Největší skok nastal při mém pobytu u
Jakuba v Londýně, kde jsme během jednoho lednového týdne přístroj z objednaných součástek
složili a opravili při tom mnoho návrhových a softwarových chyb. I když nechybělo mnoho
času, přístroj jsem si nakonec funkční neodvezl, a tak jsem ihned po příjezdu co nejlevněji
koupil starý analogový osciloskop Hameg HM 512, bez kterého bych analogovou elektroniku
přístroje odladit nedokázal.
Vybaven osciloskopem jsem se tedy konečně pustil do řešení několika posledních problémů,
které stály v cestě úspěšnému změření Kautskyho efektu. Nakonec jsem ještě celé zařízení
obalil dvěma překližkovými deskami, displejem a pustil se do focení a dodělání této práce.
Práce na tomto projektu mi umožnila ideální propojení mých spíše softwarově zaměřených
znalostí s elektronikou, problematikou, která mě vždy předtím přitahovala.
I přes všechny nástrahy elektroniky spojené s návrhem a realizací elektrického zařízení se mi
nakonec podařilo pomocí přístroje změřit známý fluorescenční efekt a dokázat tak jeho
funkčnost. Ten navíc splňuje původní požadavky na jednoduchost a se vzorkovací frekvencí 70
kHz je schopen velmi přesné akvizice dat.
47
6 DISKUZE
Velkou nezodpovězenou otázkou práce zůstává budoucnost tohoto projektu a využití zařízení
v praxi, o kterém bych v této kapitole rád pohovořil. I když je nyní zařízení plně funkční a
splňuje stanovené požadavky, od jeho využití ke zlepšení pěstování rostlin jej dělí ještě kus
cesty.
První fází dalšího postupu určitě bude komunikace s vědci, kteří by o využití přístroje mohli
mít zájem. Je potřeba provést několik měření v laboratorních podmínkách, ze kterých půjde
v případě úspěchu začít vyvozovat teorie funkce nových mechanismů regulace
fotosyntetického aparátu. Klíčový je vývoj matematických modelů, které by nalezené chování
dokázali s dostatečnou přesností popsat.
S nimi už by poté bylo možné přístrojem měřit rostliny a záměrně je podle naměřených dat
ovlivňovat. Nalezení dosud neznámé rezonanční frekvence regulačního mechanismu může
například umožnit rostlinu harmonicky osvětlovat tak, že se významně zvýší efektivita jejího
využití záření.
Pokud by na toto téma vznikla vědecká práce, která by jej dobře popsala, další fází by pak
mohla být výroba zařízení ve větším množství a jeho použití v praxi. Poučeni z prvního
prototypu bychom několik věcí v návrhu zařízení upravili. Kromě opravy několika omylů
v zapojení by hlavní úpravou byla výměna všech třístavových budičů za FPGA. To by nejen
ušetřilo místo a zmenšilo tak řídící desku, ale hlavně zařízení zjednodušilo a pravděpodobně i
redukovalo jeho cenu. Další fází by pak bylo nahrazení samotného Arduina programovatelným
hradlovým polem. Pokud by se ukázalo, že by se to z hlediska dostupnosti a ceny nevyplatilo,
Arduino by se alespoň nahradilo samotným čipem Atmel ATMega 328P integrovaným na řídící
desce.
Poslední částí by pak byl lepší obal zařízení a sepsání manuálu přesně popisujícího jeho funkci
a ovládání. Pak by se už zařízení dalo využít v praxi a zlepšit tak dosavadní screening a analýzu
rostlin.
48
7 POUŽITÉ ZDROJE
[1] Pulse-Amplitude-Modulation (PAM). Wageningen [online]. [cit. 2022-01-12].
Dostupné z: https://www.wur.nl/en/show/PulseAmplitudeModulation.htm
[2] Kautsky Effect. Fluoromatics Software [online]. [cit. 2022-01-12].
Dostupné z: https://www.fluoromatics.com/kautsky_effect.php
[3] Complex Metabolic Oscillations in Plants Forced by Harmonic Irradiance [online].
Photosynthesis Research Center, Laboratory of Applied Photobiology and Bio-Imaging,
Institute of Landscape Ecology CAS and Institute of Physical Biology, University of S.
Bohemia, Zámek 136, CZ-37333 Nové Hrady, Czech Republic, 2002 [cit. 2022-01-13].
Dostupné z: https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0006-3495%2802%2973978-
7
[4] Raspberry Pi. Wikipedia [online]. San Francisco (CA), [cit. 2022-01-13]. Dostupné z:
https://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi
49
8 SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1: Schéma měření metodou PAM. ..................................................................................... 8
Obr. 2: Kautsky effect. ............................................................................................................... 9
Obr. 3: Ilustrace měření novou metodou. ................................................................................. 10
Obr. 4: Základní schéma přístroje. ........................................................................................... 11
Obr. 5: Ilustrace průběhu měření. ............................................................................................. 12
Obr. 6: Schéma zapojení Raspberry Pi a Arduina. ................................................................... 14
Obr. 7: Schéma zapojení konektoru a převodníku napětí. ....................................................... 15
Obr. 8: Schéma zapojení třístavových budičů. ......................................................................... 16
Obr. 9: Schéma zapojení pamětí. .............................................................................................. 17
Obr. 10: Schéma konektoru pro detektor světla. ...................................................................... 18
Obr. 11: Schéma desky aktinického světla. .............................................................................. 19
Obr. 12: Schéma zapojení DA převodníku. ............................................................................. 19
Obr. 13: Schéma zapojení generátoru harmonického signálu. ................................................. 20
Obr. 14: Schéma zapojení zesilovače signálu. ......................................................................... 21
Obr. 15: Schéma zapojení napájení LED diody. ...................................................................... 22
Obr. 16: Schéma desky měřících záblesků. .............................................................................. 23
Obr. 17: Schéma DA převodníku. ............................................................................................ 23
Obr. 18: Schéma filtru nízkých napětí. ..................................................................................... 25
Obr. 19: Model měřícího aparátu v aplikaci OnShape. ............................................................ 26
Obr. 20: Model podpůrné konstrukce ....................................................................................... 26
Obr. 21: Sestavený měřící aparát. ............................................................................................ 27
Obr. 22: Foto sestaveného přístroje. ......................................................................................... 27
Obr. 23: Schéma běhu programu Arduina. ............................................................................... 28
Obr. 24: Schéma třístavových budičů. (1/2) ............................................................................. 32
Obr. 25: Schéma třístavových budičů. (2/2) ............................................................................. 33
Obr. 26: Objektové schéma softwaru RPi. ............................................................................... 37
Obr. 27: Stuktura jednoho 24bitového příkazu. ....................................................................... 38
Obr. 28: Schéma běhu skriptu main.py. ................................................................................... 42
Obr. 29: Graf hodnot v software MATLAB. ............................................................................ 45
50
SEZNAM ZKRATEK
PCB Printed Circuit Board, Deska plošného spoje, druh realizace obvodu pomocí
strojově zavedených miniaturních spojů na nevodivém podkladu.
DAC Digital-to-analog converter, integrovaná součástka převádějící digitální signál
do analogového.
ADC Analog-to-digital converter, integrovaná součástka s opačnou funkcí k DAC,
s určitou přesností převede data do digitální podoby a předá je pomocí SPI.
RPi Raspberry Pi, Jednodeskový počítač použitý jako jedna z řídících jednotek
přístroje.
SPI Serial Peripheral Interface, často používané rozhraní pro komunikaci mezi
integrovanými obvody.
FPGA Field-programmable gate array - Programovatelné hradlové pole