用于农药残留快速检测的电流型酶生物传感器检测系统的研制

基于电流型酶生物传感器检测系统的研制基于电流型酶生物传感器检测系统的研制 摘要：本文主要针对电流型酶传感器经过处理之后输出的 05V 的电压信号，用 PCI8310 数据采集板卡，进行数据的采集、处理和保存。通过 VB 程序对数据进行采集、函数换算， 最后能实时的得到电流型酶生物传感器所检测到得电流的大小，并能生成电流随时间变化 的曲线，进而能计算出农作物提取液对电流型酶生物传感器电流的抑制度，通过查表便可 以得到农作物提取液的药物浓度，进而能换算出农作物提取液的药物残留浓度。 关键字：药物残留浓度、数据采集处理 电流型酶传感器经过处理之后输出的 05V 的电压信号，采用北京中泰研创科技有限 公司生产的 PCI-8310 板卡，进行 A/D 转换，和数据的采集，并将采集的数字量信号送入 PC 机微处理器处理，在进行相应的函数关系转换之后便可以得到药物残留浓度的数值。 PCI-8310 模入接口卡适用于提供了 PCI 总线插槽的 PC 系列微机，具有即插即用 （PnP）的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的 Unix 等多种 操作系统以及专业数据采集分析系统 LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单， 使用时只需将接口卡插入机内任何一个 PCI 总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外 部直接接入。 PCI-8310 模入接口卡允许采用 32 路单端输入方式或 16 路双端输入方式。用户可根据 需要选择测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由卡前端的 37 芯 D 型插头直 接接入。 本卡还提供了 TTL 电平的 16 路输入和 16 路输出信号通道，这些信号通道由卡后端的 40 芯扁平电缆转换为 37 芯 D 型插头提供给用户。 5.2.7.1 主要技术参数150 模入部分(标*为出厂标准状态，下同) 输入通道数：单端 32 路*；双端 16 路 输入信号范围： 0V10V*；5V5V； -10V10V 输入阻抗：10M AD 转换分辨率：12 位 AD 转换速率：10S AD 启动方式：程序启动 AD 转换非线性误差：1LSB AD 转换输出码制：单极性原码*双极性偏移码 系统综合误差：0.1 F.S 开关量部分 输入路数：16 路 TTL 电平 输出路数：16 路 TTL 电平 电源功耗：5V(10) 500mA 环境要求： 工作温度： 1040 相对湿度： 4080 存贮温度：-5585 5.2.7.2 工作原理 PCI-8310 模入接口卡主要由模拟多路开关选通电路、差分放大器电路、模数转换电路、 开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成。 1. 模拟多路开关选通电路 模拟通道开关由 4 片 MPC508（或同类产品）及跨接器 KJ1、KJ2 组成，可以从 32 路 单端信号或 16 路双端信号中任选一路，送入差分放大器。 2.差分放大器电路 差分放大器由 3 个运算放大器以及相关的电阻、电容组成一个标准的仪用差分放大器， 用以对通道开关选中的模拟信号进行变换处理。 3.模数转换电路 12 位逐次逼近式 AD 转换器 ADS774 片内自带精密基准源，并经激光修调，具有较 高的转换速率和转换精度，其转换时间仅为 10S。AD 转换器由程序启动，其转换状态 的结束可由程序查询读出或产生结束中断申请。AD 转换器的模拟输入信号幅度由跨接 器 KJ3 选择， AD 转换后的输出代码形式由跨接器 KJ4 选择，可分别输出二进制原码 或双极性偏移二进制码。电位器 W1 用于零点调节，W2 用于双极性偏移调节，W3 用于 满量程增益调节。 4. 接口控制逻辑电路 接口控制逻辑电路用来将 PCI 总线控制逻辑转换成与各种操作相关的控制信号。如表 5-1 所示为模拟输入信号端口定义。表 5-2 为端口地址及功能表。 表表 5-15-1 CZ1CZ1 模拟输入信号端口定义模拟输入信号端口定义( (括号内表示双端方式括号内表示双端方式) ) 插座引脚号信 号 定 义插座引脚号信 号 定 义 1模拟地20模拟地 2CH1(CH1+)21CH17(CH1-) 3CH2(CH2+)22CH18(CH2-) 4CH3(CH3+)23CH19(CH3-) 5CH4(CH4+)24CH20(CH4-) 6CH5(CH5+)25CH21(CH5-) 7CH6(CH6+)26CH22(CH6-) 8CH7(CH7+)27CH23(CH7-) 9CH8(CH8+)28CH24(CH8-) 10CH9(CH9+)29CH25(CH9-) 11CH10(CH10+)30CH26(CH10-) 12CH11(CH11+)31CH27(CH11-) 13CH12(CH12+)32CH28(CH12-) 14CH13(CH13+)33CH29(CH13-) 15CH14(CH14+)34CH30(CH14-) 16CH15(CH15+)35CH31(CH15-) 17CH16(CH16+)36CH32(CH16-) 18NC（空脚）37模拟地 19模拟地 表表 5-25-2 端口地址与功能表端口地址与功能表 端口地址操作命令(字操作)功 能 基地址+0写写通道代码 基地址+2写启动 AD 转换，清除中断申请 基地址+2读读 A/D 转换标志和结果 基地址+4读读 DI 开关量数据 基地址+6写写 DO 开关量数据 5.3.2模入通道代码数据格式 (端口地址为基地址+0) 表 5-3 为对应的模拟通道代码的数据格式。 表表 5-35-3 模入通道代码数据格式模入通道代码数据格式 5.3.3读 AD 转换标志和结果的数据格式(端口地址为基地址+2) 表 5-4 为对应的读 AD 转换标志和结果的数据格式。 表表 5-45-4 读读 A AD D 转换标志和结果数据格式转换标志和结果数据格式(x(x 表示任意表示任意) ) 命令 D15 D14 D13 D12 D11 D10D9D8D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 AD 转换状 态 读1xxxxxxxxxxxxxxx正在转换 读0000DB1 1 DB1 0 DB9 DB8 DB 7 DB 6 DB 5 DB 4 DB 3 DB 2 DB 1 DB 0 转换结束 5.3 软件设计软件设计 上述采集板卡获得的值是经过放大转换的电压信号，还要通过软件转换成相应的电流 信号。本课题通过 VB6.0 实现数据的采集、实时显示、存储及实时曲线绘制等。 5.3.1 数据采集抗干扰措施 通道号 十进制代码 十六进制代码输入方式通道号 十进制代码十六进制代码输入方式 1000H单双171610H单 2101H单双181711H单 3202H单双191812H单 4303H单双201913H单 5404H单双212014H单 6505H单双222115H单 7606H单双232216H单 8707H单双242317H单 9808H单双252418H单 10909H单双262519H单 11100AH单双27261AH单 12110BH单双28271BH单 1312OCH单双29281CH单 1413ODH单双30291DH单 15140EH单双31301EH单 16150FH单双32311FH单 由于数据采集时干扰的存在，容易产生采样误差，为此常采用数字滤波的方法予以消 除。常用的数字滤波方法有以下几种： (1)算术平均值法 对一点连续采样多次，取平均值。这种方法适用于对压力、流量一类信号的平滑处理， 这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。 (2)中值法 对某一个被测信号连续采样 n 次，然后把 n 个采样值按一定的顺序排队，取队列的中 间值作为本次采样值。中值滤波法，对于去掉脉动性质的干扰比较有效，但对快速变化过 程的参数则不宜采用。 (3)比较取舍法 当个别数据存在偏差时，为剔除个别错误，采用比较取舍法。例如“采三取二” ，即 对每个采样点连续采样三次，取两次最相近的数据作为采样结果。 (4)加权平均滤波法 加权平均滤波法适用于系统纯滞后时间常数 较大，采样周期较短的过程，它对不同 采样时间得到的采样值分别给予不同的权系数，以便能迅速反应系统当前所受干扰的严重 程度。 (5)一阶滞后滤波法 一阶滞后滤波法适用于波动频繁的被测量的滤波，它能很好地消除周期性信号，但也 带来了相位滞后。 (6)防脉冲干扰复合滤波法 此方法将算术平均值法和中值滤波法相结合，有利于消除脉冲干扰并能对采样值进行 平滑处理。 对于本检测系统而言，乙酰胆碱酯酶催化底物产生的电流信号是瞬间变化的微弱电流 信号，我们采用算术平均值法实现信号的平滑处理。 图图 1212 未接入检测信号时的数据采集测试界面未接入检测信号时的数据采集测试界面 图图 1313 接入检测信号时的数据采集测试界面接入检测信号时的数据采集测试界面 采集程序运行后，弹出对应的测试界面，检测通道的干扰情况，如图 12 所示，在未 接入检测信号时，所有通道均为 0。接入检测信号时（图 13） ，第一路通道显示了对应的电 压信号，而其他通道均为 0，说明其他通道无干扰信号。 5.3.2 数据采集及驱动程序 本课题数据采集采用 PC6311 数据采集板卡完成数据采集任务，对数据采集板卡的驱 动程序和数据采集程序如下： 1.驱动程序： Private Sub readAllDI() 所有通道开关量输入，从 16 到 1，十六进制显示 If ZT8310_GetLastErr 0 Then If m_showMode Text1(0).Text Then 比较 把较小值存入 min 中 min = Text1(0).Text End If Text5.Text = “ & Format(Now(), “YYYY-MM-DD HH:MM:SS“) & “ Text6.Text = “ & Format(Now(), “YYYY-MM-DD“) & “ Data1.Recordset.AddNew End If Else Text1(i).Text = ZT8310_AIonce(m_cardNO, i + 1, m_AIrange, 60) If i = 0 Then Text1(0).Text = Text1(0).Text / Text7.Text If min Text1(0).Text Then 比较 把较小值存入 min 中 min = Text1(0).Text End If Text5.Text = “ & Format(Now(), “YYYY-MM-DD HH:MM:SS“) & “ Text6.Text = “ & Format(Now(), “YYYY