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