（生物医学工程专业论文）水污染动态监测的电子舌分析仪的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h ep o r t a b l ee t o n g u ef o rr e a l t i m ew a t e rp o l l u t i o nd e t e c t i o n t h ei n s t r u m e n tc a nd e t e c ts e v e r a lt r a c em e t a l s ( z n ，c d , p b ，c u , a s , h g ，f c ) i nw a t e rq u i c k l y f i r s t l y , t h es t a t u so fh e a v ym e t a lp o l l u t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m m o n d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya l ei n t r o d u c i - x i t h ei n s t r u m e n ta d o p t sm u l t i p l em e a s u r e m e n t t e c h n i q u e ss u c ha sf i g h t - a d d r e s s a h l ep o t e n t i a m e t r i cs e n s o ra n dd i f f e r e n t i a lp u l s t r i p p i n gv o l t a m m e t r y t h ei n s t m m e u tc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：t h ec o m p u t e r , t h ee t o n g u e ( i n c l u d i n gt h ee l e c t r o d e sa n dt h ee l e c t r oc i r c u i t ) ，t h ew a t e r w a y ( i n c l u d i n gt h ep u m p s ， v a l v e sa n dp i p e s ) a n dt h es y s t e mo fs u p p o r t i n gs o l u t i o n t h es y s t e mf e a t u r e sh i g h r e l i a b i l i t y , h i g hi n t e g r i t y , f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o na n dw o n d e r f u le x t e n s i b i l i t y a n dt h e w a t e r w a yi sd e s i g n e dt ot h r e es e c t i o n s ，w h i c ha r ei n d e p e n d e n tf r o m e a c ho t h e r s t h es o f t w a r es y s t e mi sc o n s i s t e do fs e v e r a lm o d u l e s i n c l u d i n gd a t ap r o c e s s i n g ， d a t ac o m m u n i c a t i o n , p r o c e s sc o n t r o la n dd a t as t o r a g ee t c t h ed a t ap r o c e s s i n g m o d u l eu s e ss e v e r a lm e t h o d ss u c ha so u t l i e rd e t e c t i o na n dc o r r e c t i o n ，d i g i t a l f i l t e r s ，c u r v ec o r r e c t i o n , e t c ，t op r o c e s st h er a wd a t aa n dt h e ns t o r et h e s er e s u l t s t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h ei n s t r u m e n ti sb a s e do n s e r i a lp o r tr s 2 3 2 ，a n dt h em e s s a g em e c h a n i s mi nw i n d o w si su s e dt oi m p l e m e n t t h ec o m m u n i c a t i o na m o n gt h em o d u l e si nt h es o f t w a r es y s t e m f i n a l l y , al o to fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt o t e s tt h ei n s t r u m e n t t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ei n s t r u m e n t , w h i c hc o n s i s t so fa u t o m a t i cs a m p l ei n j e c t i o na n da n a l y s i s ， i sn o to n l yb r i c fb u ta l s oq u i t es u i t a b l ef o rm e a s u r e m e n to ft r a c eh e a v ym e t a l si n w a t e l k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a ld e t e c t i o n , i n s t r u m e n td e s i g n , d a t ap r o c e s s i n g , d a t a c o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸 江盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：滩跣山孥签字日期： z 。口7 年g 月j 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留# 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名3 裔砾峰 签字日期：y d 7 年6 月1 3 日= ：黧川3 日签字日期：扩。年g 月拶日 学位论文作者毕业后去向： 工作靴绿缄洲) 髓技术璃限公司 通讯地址： e - m a i l 地址尹耵5 w m 0 i 沈、 电话：i 弓8 眄7 7 z 6 2 牛 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 重金属的危害及水中重金属污染的现状 由于经济社会的迅速发展，人类的活动对环境造成了深刻的消极影响。工业 废水、生活污水等废弃物直接排入河流海洋，造成了水资源的污染，其中以重金 属污染尤为严重。水污染事故的频频发生。让人不禁担忧：水污染会不会制约经 济社会的进一步发展。 重金属指比重大于4 或5 的金属，约有4 5 种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、 钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨，钼、金、银等【l 】尽管锰、铜、锌等重金属 是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动 所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。从环境污染方面所说的重 金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属， 也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、镍、锡等。目前最引起人们注意 的是汞、镉：铬等。重金属随废水排出时，即使浓度很小，也可能造成危害。 重金属一般以天然浓度广泛存在于自然界中，但由于人类对重金属的开采、 冶炼、加工及商业制造活动日益增多，造成不少重金属如铅、汞、镉、钴等进入 大气、水、土壤中，引起严重的环境污染。以各种化学状态或化学形态存在的重 金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，造成危害1 2 1 。如随废水 捧出的重金属，即使浓度小，也可在藻类和底泥中积累，被鱼和贝类的体表吸附， 产生食物链浓缩，从而造成公害。如日本的水俣病，就是因为烧碱制造工业排放 的废水中含有汞，在经生物作用变成有机汞后造成的；又如痛病，是由炼锌工业 和镉电镀工业所排放的镉所致。 重金属会因吸附沉淀作用而富集于排污口附近的底泥中，成为长期的次生污 染源。还可被生物富集，通过食物链进入人体，造成慢性中毒。如亲硫重金属元 素( 汞、镉、铅、锌、硒、铜、砷等) 与人体组织某些酶的巯基( - s h ) 有特别 大的亲合力，能抑制酶的活性，亲铁元素( 铁、镍) 可在人体的肾、脾、肝内累 积，抑制精氨酶的活性。六价铬可能是蛋白质和核酸的沉淀剂，可抑制细胞内谷 胱甘肽还原酶，导致高铁血红蛋白，可能致癌，过量的钒和锰( 亲岩元素) 则能 浙江大学硕士学位论文 损害神经系统的机能【3 】。 因此，痕量重金属的定量分析在药物、食品、临床和环境检测方面是非常重 要的实时监测水中重金属的含量，无论对生态环境的可持续发展，还是对人类 的生活健康都具有及其重要的意义。 1 2 重金属元素检测技术的研究进展 传统的重金属元素检测的手段主要是依靠原子吸收分光光度计、质谱、中子 活化分析等仪器方法。 原子吸收分光光度计是基于试样中待测元素原子蒸汽，对该元素原子特征谱 线的吸收程度进行定量分析的一种方法1 4 】。原子吸收分析的过程大致是：将试样 制成溶液或直接至于原子化器中，在高温下进行原子化，将试样中待测元素转变 成原子蒸汽。让元素灯发射的特征光谱线穿过有一定厚度的原子蒸汽，该特征光 谱线部分被原子蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，强度减弱，经分光系统后照 射在检测器上，经放大后读数或记录。 质谱法是是将待测物质的分子转变成带电粒子，利用稳定的磁场( 或交变电 场) 使带电粒子按照质量大小顺序分离开来，形成有规则并可以检测的质量谱。 目前质谱法测定成分的质量可精确到1 0 9 相对原子质量单位，其分析速度最快 可测定1 0 - 4 秒瞬间物质成分的变化【弱。 中子活化分析是一种核分析方法，它的基础是核反应它是用一定能量和流 强的中子，带电粒子或者高能 r 光子轰击待测试样，然后测定核反应中生成的放 射性核素衰变时放出的缓发辐射或者直接测定核反应中放出的瞬发辐射，从而实 现元素的定性和定量分析。这是由于射线的能量和半衰期是放射性核素的特征， 通过测定放射性核素的半衰期或者放射线的能量，便能作出定性鉴定，而通过测 定射线强度，便可完成定量分析i q 。 这些方法存在的缺点主要是：成本高；仪器复杂；对操作人员技术要求高； 不能或不方便在户外使用，一般是在实验室进行，即现场采样后进行离线分析， 存在耗时，分析步骤复杂，分析仪器昂贵，采样频率低以及样品不易保存等缺点。 在有些情况下，需要及时了解环境污染情形，及时迅速制定相应的处理对策。研 2 浙江大学硕士学位论文 究集现场富集、分离和检测于一体的小型分析测试仪器，特别是对用于环境检测 的新型电子舌和电子鼻分析仪器有着越来越广泛的需求用。 为此我们开发了基于电化学溶出伏安法技术以及光寻址电位传感器技术的 水污染动态实时监测的电子舌分析仪。该仪器具有装置简单，体积小，造价低， 专用性强，测量精度高，数据的自动分析和智能识别等特点，使水污染中重金属 元素的现场实时监测成为可能。 1 3 本文研究内容 针对水污染中重金属元素现场实时监测的需求，我们设计了水污染动态实时 监测的便携式电子舌分析仪，该仪器具有所需样品少，检测下限低，灵敏度高等 优点。 本论文共六章，主要内容如下； 第一章绪论，介绍了重金属离子污染的现状以及目前常用的检测技术的研究 进展。 第二章详细介绍水污染动态实时监测的便携式电子舌分析仪的系统设计。首 先介绍了仪器所采用的检测方法；其次详细阐述了水路结构设计、仪器硬件结构 和上位机的软件系统结构。 第三章介绍了仪器的通讯与控制。详细论述了测量时序控制，程序内部通讯， 上位机与下位机通讯，泵阀控制以及测量过程的图形化观察等方面。 第四章首先详细介绍数据处理方法，包括去噪声、滤波、曲线拟合、出峰位 置的识别、峰值及峰面积的计算等；其次介绍了数据的存储方式；最后简单介绍 了数据的界面显示。 第五章进行仪器的实际应用测试，通过大量实验，对仪器的性能指标进行了 初步的测试和分析。 第六章为总结和展望。对本文所做工作进行了总结，同时指出了工作的不足 之处，并对下一步的工作提出了展望。 3 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章仪器系统设计 目前水中组分的测定常规方法是采样后离线测量，这样检测周期长，样品难 免在运输、处理和检测过程中受到污染，从而影响测量结果的可靠性；并且许多 组分需要连续监测，若有偶然污染，则必须马上采取方法来控制污染物的扩散； 常规的检测方法意味着要分析大量的单样；所以最佳的监测方式是采样后立刻进 行检测，这样不会改变样品的组成，分析结果也是其他工作的基础，分析的数据 成为下一步研究工作的向导。目前世界上比较先迸的方式就是在现场采用自动化 分析法测定水样品，许多问题就迎刃而解，自动化法的最大优点就在于用它能获 取水的化学性质的连续记录阐 。经过多年的研究，我们成功她开发出了水污染动态实时监测的便携式电子舌 分析仪。仪器可以在现场自动完成对多种重金属的检测，也可以在线实时监测水 中重金属的变化情况。本章将从仪器应用的检测方法以及软硬件结构几方面介绍 整个系统。 2 2 仪器采用的检测方法 2 2 1 电化学溶出伏安法 溶出伏安法( s t r i p p i n gv o l t a n u n e t r y ，s v ) 是一种将电解富集与电解溶出两 个过程相结合的电化学测定技术1 9 1 。因此溶出伏安法操作分为两个步骤：首先是 在一定电位下将被测离子电解沉积在电极上，然后反向扫描电极电位，使已沉积 的物质电解溶出，记录溶出过程中的伏安曲线。该曲线称为溶出伏安曲线。曲线 中峰电流的大小在一定条件下与被测离子的浓度成正比。 电解沉积过程相当于是一个浓缩富集过程，被测离子从较大体积的溶液中 被沉积到小体积的电极上，使其浓度有很大的提高，因而在溶出过程中能产生较 大的电流。所以溶出伏安法具有较高的灵敏度，最低检测限可达l f f l z m o l l 。在 4 浙江大学硕士学位论文 实际操作过程中，为提高电解富集效率，可使电极旋转或搅拌溶液，以加快被测 物质输送到电极表面的速率，富集物质的量与电解富集电位，电解富集时间，电 极面积及搅拌速率有关【1 0 l 。因此在溶出伏安法实验中要严格控制上述实验条件。 而在电解溶出过程中，应使溶液保持静止。 根据溶出时电位的扫描方向，溶出伏安法可以分为两种类型。在电解富集时， 工作电极作为阴极，溶出时向阳极方向扫描，称为阳极溶出伏安法( a s v ) 。这 类方法常用于金属离子的测定。反之，工作电极作为阳极电解富集，然后向阴极 方向扫描，则称为阴极溶出伏安法( c s v ) f l l l 。该类方法可用于某些阴离子的测 定。如卤素离子在汞电极作阳极电解时，形成难溶性汞盐沉积于电极，电极电位 向阴极扫描时沉积物溶出。在溶出过程中电位的扫描方式可以是线性扫描，也可 以采用差分脉冲的方法。后一种扫描方式具有更高的灵敏度【1 2 1 。 溶出伏安法突出的优点是它的灵敏度很高，主要是由于经过长时间的预先 电解，将被测物质富集浓缩的缘故。灵敏度提高了2 - 3 个数量级，一般测定浓度 可达1 0 l o - g m 0 1 l ，在适宜的条件下甚至可以达到l f f l t m 0 1 l 由此，溶出 伏安法具有极低的检测限，适合现场水中痕量重金属的检测。 本仪器的溶出伏安法的传感器采用三电极系统，即工作电极( 、e ) ，参比 电极( r e ) ，对电极( c e ) 。三电极体系中能自动补偿溶液中的欧姆电位降，其 中为被测电极之间的溶液电阻。而且三电极体系能够保持工作电极的电位恒定， 使得实验的精密度显著提高。因此，选用汞电极作为工作电极，a g a g c l 电极作 为参比电极，铂丝电极作对电极。 2 2 2 光寻址电位传感器检测法 光寻址电位传感器( l g h t a d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o r ，l a p s ) 是在离 子敏场效应晶体管( i o ns e n s i t i v i t yf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，i s f e t ) 的基础上发展 起来的，其构造类似于i s f e 小埘。 u 让s 的基本原理：当半导体受到一定波长的光照射时，半导体吸收光子， 发生禁带到导带的跃迁也就产生了电子空穴对。在一般情况下，电予空穴对很快 地复合，在外电路中就测不到电流。如果，在l a p s 外加反向偏置电压时( n 型 硅加负压，p 型硅加正压) ，半导体中产生耗尽层，这时靠近耗尽层的电子空穴 对就被耗尽层拉开当固定光强时，就会产生光电压。采用强度调制的光照射在 5 浙江大学硕士学位论文 l a p s 器件的正面或背面，就可以在外电路中测量到电流。电流的大小，与光强、 耗尽层的厚度( 印外偏压) 等有关1 1 4 1 。 厂工学缓 虢篓 本课题结合光寻址电位传感技术与半导体集成制造工艺，基于计算机的自动 控制和测试技术，提出和研制新型的水中重金属元素的小型系统，相对于目前使 用的大型专业分析仪器以及溶出伏安法等方法的主要特点是： ( 1 ) 可实现金属离子的同时快速测量。将样品溶解后直接测定，所用样品少、 操作方便。同时又可以有效克服伏安法中存在的交叉干扰的困难； ( 2 ) 传感器结构简单。富集用的固态电极与金属离子固态敏感膜同时沉积和 结合在同一硅片基底上，富集和检测连续自动进行。可制成全固态和封闭结构； 采用半导体硅加工工艺，结构可靠，易于大批量生产； ( 3 ) 光电检测技术。采用激光半导体光源激活硅片上不同部位的固态敏感膜。 检测出相应敏感元件上被测金属离子的浓度。从而可以实现多种金属离子的同时 测量【坷： ( 4 ) 优良的灵敏度、稳定性和可靠性等性能。器件的杂散电容小。工作频带 宽，测量线路简单，结合微处理机和新型的信号处理技术，检测速度快、精度高。 2 3 仪器总体设计 在仪器的整体结构上，采用可分离式结构( 如图2 2 所示) ，即分为上位机 部分、下位机( 即电子舌，包括电极和检测电路等) 部分、泵和阀等水路部分以 及溶液支持部分。这样有利于减小干扰，保证仪器的稳定性，也有利于仪器的安 6 浙江大学硕士学位论文 装、拆卸及维修。 仪器大体上可分为四个相对独立的部分，又有机的结合在一起。在布局上， 电气结构在上方，水路结构在下方，从而避免了溢出的水或溶液对电路和仪器的 影响，保护了仪器。 上位机部分通过r s 2 3 2 串口与下位机( 即电极和检测电路) 部分相连，通 过串口向下位机发送检测命令，以及从下位机回传数据。下位机通过管路与泵和 阀等水路部分相连，对测试腔加注溶液或者清洗等。 飘孵嬲夥黥燃曛霸臻嬲嘲嬲穗嘲 上位机部分呤自动检测软件系统 獭蚓缓猁鳞鳓湖 下位机部分豳呤电极及硬件系统 黝鳓黼缫黼黼獭黼 水路部分_ 呤泵、阀，管路 麟鳓黼躺獭溯删 溶液支持部分m i n t * 相关溶液，纯水 盔凿幽篮豳汹幽幽鲨鲨函凿遴菌攀国瞄趟 图2 2 仪器的整体结构 图2 3 仪器的系统结构示意图 7 浙江大学硕士学位论文 2 4 水路结构设计 2 4 1 样品的预处理 水样品首先经过预处理后才能进行检测。水样品采集后，采用o 4 5 m 的膜 进行粗过滤，根据所测的重金属元素对象进行分离和富集，其中有些元素需要进 行添加掩蔽剂来达到分离的目的。其中对重金属元素可以实现富集相应的倍数， 从而方便检测。我们所作的工作和实现的检测目标都是基于富集和预处理的基础 上来完成的。 水 图2 4 水样品预处理示意图 2 4 2 样品的处理以及清洗过程 水中重金属的含量即使是在富集后也是很低的，所以要实现全自动检测同时 又保证精度，就必须保证每一段水路都要尽可能地清洗干净，防止试样问的污染。 图2 5 为c u p b z n c d 水路示意图。图中样品池用于样品暂存，水经过富集后暂 存在样品池中。样品测试将在测试腔内进行。样品测试过程中可以根据选择是否 需要加标样，标样存储在加标样品池中。纯水池中存储的纯水用于测试后对样品 池和测试池的清洗。测试和清洗产生的废液将排入废品池，最终将统一妥善处理。 测量系统中的蠕动泵和电磁阀由各自测量系统内的内建控制系统控制，控制 系统接收上位机的命令序列，有序的打开关闭电磁阀，启动停止蠕动泵，自动 完成样品的富集分离，以及在测试腔引入样品，进行全自动的测量，并排除测量 结束后的废液，最后清洗样品腔和测试腔，及所有管路。泵，阀的开启关闭顺序， 延迟时间，测量的参数等都是可编程的。仪器可以完成各种复杂的全自动操作， 8 浙江大学硕士学位论文 更改设置也非常灵活。预处理后的水样品分成3 路，一路进入c u p b z n c d 测试 系统；一路进入a s 测试系统；一路进入h g 测试系统。都使用电化学溶出伏安 ( d s p v ) 检测。对f c 的检测是静态的，采用l a p s 传感器。 每一个水路系统都分别由单独的电路控制，由单独的电源供电。相互间不受 任何影响。3 个永路系统之间也不存在互连，所以不会导致不同溶液间的污染问 题。总之，3 个子系统之间都实现了很好的电气和水路隔离。 图2 5c u 。p b - z n - c d 水路示意图 加标样品漕 图2 6 a s 水路示意图 9 度袁蠢 浙江大学硕士学位论文 图2 7 h g 水路示意图 2 4 3 泵和阀 在检测的过程中，加入到样品池和测试腔的溶液量是确定的，特别是在加标 的时候，需要从加标样品池抽取少量的加标样品到测试腔中如果稍有偏差，就 会对检测结果产生灾难性的影响。因此，对泵和阀的精密度提出了一定的要求。 同时，也需要尽可能的控制每一次检测的时间，因为不及时检测，溶液成分可能 会发生变化。所以对泵的转速也有一定的要求另外，仪器多工作在潮湿的环境 下，需要泵和阀有较高的可靠性、安全性以及精密度。 综合上述要求，我们选择了兰格公司的b t 0 0 - 3 0 0 m 型蠕动泵( 附加d g 4 四 通道泵头) 和日本高砂电气公司的w t b - 3 k - n 4 g 型电磁阀。其技术指标和功能 特点如下： 一、b r o o 3 0 0 m 型蠕动泵【1 6 l 1 技术指标： 转速范围：0 1 3 0 0 r p m 正反可逆 调速方式：前置多圈电位器无级调速 + 转速分辨率：l r p m 显示方式：前置3 位l e d 数码转速显示 外控接口：( 1 ) o 5 v 或4 2 0 m a 转速控制 ( 2 ) 1 1 儿电平启停控制 1 0 浙江大学硕士学位论文 。适用电源：a c2 2 0 v 1 0 ，5 0 h z 6 0 h z 工作环境：环境温度0 4 0 ，相对湿度 主程序：包含数据存储和读取、结果显示、运行日志，以及用于连接各个模 块。 数据存储和读取：建立一个合适的数据库，存放和读取数据，以便管理； 结果显示：将当前实验结果或者历史数据显示在图表上： 浙江大学硕士学位论文 运行日志：记录各种运行过程及错误的内容； 通讯模块：完成与下位机的通讯，根据不同的命令制作相应数据包，向下位 机发送各种命令，是实现自动化检测的重要部分。 控制模块：依赖于通讯，组合各种单条命令形成时序，从而控制下位机。 数据处理：完成接收数据( 或历史数据) 的处理分析，是整个上位机程序的 最关键部分。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章仪器的通讯与控制 上位机软件通讯主要包括上位机与下位机( 硬件系统) 的通讯、各个检测线 程之间的通讯。上位机与下位机的通讯采用r s 2 3 2 串口，自定义通讯协议。线 程之间的通讯依靠w i n d o w s 消息来进行。 上位机与下位机的通讯主要是2 个功能： 上位机向下位机发送检测时序和命令，控制泵和阀的动作，以及启动和停止 检测电路工作； 上位机接收下位机发送的检测得到的数据。 控制是对下位机( 硬件系统) 运行的控制，是软件的关键部分之一。控制的 实现是基于通讯而存在的，所以通讯和控制是紧密联系在一起的。 3 2 接口连接方式 3 2 1i o 接口概念 c p u 与外部设备连接和数据交换都需要通过接口设备来实现，被称为i o 接 口而i o 设备品种繁多，其相应的接口电路也各不相同，因此，习惯上说到接 口只是指i o 接口。而且由于接口种类的不同，他们之间的速度差异也很大，例 如硬盘的传输速度就要比打印机快出很多。因此，要根据实际数据传输的需要选 择合理的接口。 3 2 2 常见接口 1 并行接口 目前，计算机中的并行接口主要作为打印机端口，接口使用的不再是3 6 针 接头而是2 5 针d 形接头。所谓“并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送， 1 8 浙江大学硕士学位论文 这样数据传送速度大大提高，但并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加， 干扰就会增加，容易出错。 现在有五种常见的并口：4 位、8 位、半8 位、e p p 和e c p ，大多数p c 机 配有4 位或8 位的并口，许多利用i n t e l 3 8 6 芯片组的便携机配有e p p 口，支持全 部i e e e l 2 8 4 并口规格的计算机配有e c p 并口。e p p 口( 增强并行口) ：由i n t c l 等公司开发，允许8 位双向数据传送，可以连接各种非打印机设备，如扫描仪、 l a n 适配器，磁盘驱动器和c d r o m 驱动器等。e c p 口( 扩展并行口) ：由 m i c r o s o f t 、l i p 公司开发，能支持命令周期、数据周期和多个逻辑设备寻址，在 多任务环境下可以使用d m a ( 直接存储器访问) 。 2 串行接口 计算机的另一种标准接口是串行口，现在的p c 机一般至少有两个串行口 c o m l 和c o m 2 。串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一 位串行地传送下去。这样，虽然速度会慢一些，但传送距离较并行口更长，因此 长距离的通信应使用串行口。通常c o m l 使用的是9 针d 形连接器，而c o m 2 有些使用的是老式的d b 2 5 针连接器 3 磁盘接口 1 ) i d e 接口 i d e 接口也叫做a t a 端口，只可以接两个容量不超过5 2 8 m 的硬盘驱动器， 接口的成本很低，因此在3 8 6 、4 8 6 时期非常流行。但大多数i d e 接口不支持 d m a 数据传送，只能使用标准的p c i o 端口指令来传送所有的命令、状态、 数据。几乎所有的5 8 6 主板上都集成了两个4 0 针的双排针i d e 接口插座，分别 标注为i d e l 和i d e 2 。 2 ) e i d e 接口 e i d e 接口较i d e 接口有了很大改进，是目前最流行的接口。 首先，它所支持的外设不再是2 个而是4 个了，所支持的设备除了硬盘，还 包括c d - - r o m 驱动器磁盘备份设备等。其次，e i d e 标准取消了5 2 8 m b 的限 制，代之以8 g p 限制。第三，e i d e 有更高的数据传送速率，支持p i o 模式3 和 模式4 标准。 4 s c s i 接口 1 9 浙江大学硕士学位论文 s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ) 小计算机系统接口，在做图形处理 和网络服务的计算机中被广泛采用s c s i 接口的硬盘。除了硬盘以外，s c s i 接口 还可以连接c d - - r o m 驱动器、扫描仪和打印机等，它具有以下特点： 可同时连接7 个外设； 总线配置为并行8 位、1 6 位或3 2 位； 允许最大硬盘空间为8 4 g b ( 有些已达到9 0 9 g b ) ； 更高的数据传输速率，i d e 是2 m b 每秒，s c s i 通常可以达到5 m b 每秒， 鞘s 稿c s i ( s c s i - - 2 ) 能达到1 0 m b 每秒，最新的s c s i - - 3 甚至能够达到4 0 m b 每秒，而e i d e 最高只能达到1 6 6 m b 每秒； 成本较i d e 和e i d e 接口高很多，而且，s c s i 接口硬盘必须和s c s i 接口 卡配合使用，s c s i 接口卡也比i e d 和e i d e 接口贵很多。 s c s i 接口是智能化的，可以彼此通信而不增加c t u 的负担。在i d e 和 e 1 d e 设备之间传输数据时，c p u 必须介入，而s c s i 设备在数据传输过程中起 主动作用，并能在s c s i 总线内部具体执行，直至完成再通知c p u 5 u s b 接口 最新的u s b 串行接1 ：3 标准是由m i c r o s o f t 、i n t e l 、c o m p a q 、i b m 等大公司共 同推出，它提供机箱外的热即插即用连接，用户在连接外设时不用再打开机箱、 关闭电源，而是采用“级联”方式，每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外 设的u s b 插座上，而其本身又提供一个u s b 插座给下一个u s b 设备使用，通 过这种方式的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间 的距离可达5 米。u s b 统一的4 针圆形插头将取代机箱后的众多的串并口( 鼠 标、m o d e m ) 键盘等插头。u s b 能智能识别u s b 链上外围设备的插入或拆卸。 除了能够连接键盘、鼠标等，u s b 还可以连接i s d n 、电话系统、数字音响、打 印机以及扫描仪等低速外设例。 3 2 2 本仪器的接口 由于串行通讯方式具有使用线路少，成本低，特别是在远程传输时，避免 了多条线路特性的不一致而被广泛采用。u s b 通讯也有其优缺点：设备之间的 通信效率低；连接简单快捷；兼容性强；具有很好的扩展性；高速度，u s b 2 0 接口的传输速度高达4 8 0 m b p s ，和串口的4 0 0 0 多倍；连接电缆的长度比较短。 浙江大学硕士学位论文 本仪器上下位机的通讯速度不高。因此，选择相对比较经济实用的串口通讯。 我们采用r s 2 3 2 串口是目前最常用的一种串行通讯接口，技术上比较成熟。 由于整个下位机主要由5 块电路板组成。因此，其与上位机的通讯需要5 个r s 2 3 2 串口来进行。而一般的计算机都只有2 个r s 2 3 2 串口，远远不够用， 无法达至控制的目的。为此，就需要对计算机的串口扩展，通过p c i 插槽扩展 r s 2 3 2 串口，或者u s b 口来扩展r s 2 3 2 串口都是很好的方法，下面将分别介绍。 3 j 多串口卡 c p l 0 8 系列8 口r s 2 3 2p c i 卡( d b 9 针) 提供p c 额外的8 个r s 2 3 2 串 行接口，用于连接各种类型的串行设备。例如：终端设备。调制解调器，打印机， 数据获取设备等等。c p l 0 8 提供多操作系统的驱动支持，满足客户对不同应用的 需要，为多串口通讯提供了可靠和高性能的解决方案。c a n h i g h e l c o m 端1 2 1 驱 动支持主流的操作系统，满足客户的各种需要1 2 。 其特点如下： 8 口r s - 2 3 2 高速串口通讯卡； 紧凑的p c i 板卡尺寸； 通用p c i 总线； 周时兼容流行的6 4 位p c i 和3 2 位p c i ： 数据传输速率达1 1 5 2 k b p s ； 配置方便无须开关和跳线； 可与其它设备共享中断； 驱动程序安装以后，驱动程序将在操作系统中自动建立8 个串口 3 au s b 转多串口卡 j a r a2 2 0 4 是u s b 扩展多串口的转换器，为r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 串口设备联结 u s b 主机提供经济解决方案。使得串口设备具有即插即用、热插拔等功能，满 浙江大学硕士学位论文 足笔记本与工控机等串口设备通信，串口传输速率可达2 3 0 k i 蠲。 其特点如下： u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) r e v 1 1 兼容： 支持r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口界面，可高达2 3 0 k 的数据传输速率； 标配d b 9 针串口； 支持远程唤醒和电源管理： 扩展4 个标准r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 接口； j a r a2 2 0 4 驱动程序安装以后，驱动程序将在操作系统中自动建立4 个虚拟 串口比如：计算机原来有c o m l 和c o m 2 ，则创建虚拟串口以后( 一般情况 下) 就是c o m 3 、c o m 4 、c o m 5 、c o m 6 。这4 个虚拟串口和普通的计算机串 口在软件层上是一样的。只要应用软件能映射到这些串口，就可以和普通串口一 样使用。非常方便。也就是说，这个通过u s b 到串口的转换过程对用户来说是 透明的。用户不必关心u s b 的实现细节，而只须关心串口的问题就可以了。比 如：如果想同时控制4 个串口的话，则只需要在编程时同时打开4 个串口就可以 了 但是，u s b 接口只提供一组5 伏特的电压，可作为相连接u s b 设备的电 源。实际上，设备接收到的电源可能会低于5 v ，只略高于4 v 。一个u s b 的根 集线器最多只能提供5 0 0 m a 的电流。如此的电流已足以驱动许多电子设备，不 过连接在总线供电的所有设备。需要共享5 0 0 m a 的电流额度。如果外接的u s b 设备过多的消耗总线上的电源，会引起该设备的不稳定。若设备需要的电压超过 5 v ，或是需要电流超过5 0 0 m a ，都需要使用外加电源【捌 由于u s b 扩展多串口的转换器直接使用u s b 口供电，而没有使用外接电 源。因此，在外界影响( 如电源的突然变化等) 导致u s b 端口供电不足时，转 换器会停止工作。而多串口卡则没有此类的问题，相对比较稳定 我们的仪器考虑上上述因素，将u s b 扩展多串口的转换器集成在电子舌分 析仪内部。可以灵活的选择是采用u s b 口通讯还是多串口卡通讯。即使在没有 多串口卡的情况下，也可以将仪器直接连接到普通电脑的u s b 接口上正常工作。 浙江大学硕士学位论文 3 5 r s 2 3 2 串口通信 3 5 1 串口通信方式 串口通信的方式有两种：同步通信方式和异步通信方式。同步通信方式要 求通信双方以相同的时钟频率进行，而且准确协调，通过共享一个单个时钟或定 时脉冲源保证发送方和接收方的准确同步，效率较高；异步通信方式不要求双方 同步，收发方可采用各自的时钟源，双方遵循异步的通信协议，以字符为数据传 输单位，发送方传送字符的时间问隔不确定，发送效率比同步传送效率低。异步 通信让实际的读写操作在后台运行。通常，对于适应性强的程序都是选择异 步方式。 串口通信程序可以采用两种方法来实现：利用a c t i v c x 控件，即通信控 件如m s c o m m 来开发。使用控件的优点有：程序实现非常简单、结构清晰、 对编程者的要求比较低、开发简单快速【刎这种方法虽然简单，但值得注意的 是m s c o m m 3 2 的o n c o m m 事件不是很准确，常发生数据丢失，尤其在大量连 续数据传输场合中，不能过分依赖这个事件。采用w i n 3 2 应用程序编程接口 ( a p d 所提供的串行通信函数，用s d k 思路编程。这种方法实现复杂，要调用许 多a p i 函数，还要掌握多线程编程，但可靠性很高，而且a p i 使用灵活，可以 编写更合适更高效的程序，满足实时系统和大量连续数据传输场合嘲。由于我 们的数据传输量不是很大，速度也不快，所以在这里我们采用m s c o m m 控件 编程实现串口通信功能。 3 5 2 串口通信控件m s c o m m m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ( 以下简称m s c o m m ) 是m i c r o s o f t 公司 提供的简化w i n d o w s 下串行通信编程的a c t i v e x 控件，它为应用程序提供了通 过串行接口收发数据的简便方法。m s c o m m 控件在串口编程时非常方便，程序 员不必去花时间去了解较为复杂的a p i 函数。具体的来说，它提供了两种处理 通信问题的方法：一是事件驱动( e v e n t - - d r i v e n ) 方法，一是查询法。 1 事件驱动方式 事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。在许多情 2 3 浙江大学硕士学位论文 况下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者 c a r r i e rd e t e c t ( c d ) 或r e q u e s tt os e n d ( r t s ) 线上一个字符到达或一个交化发 生时。在这些情况下，可以利用m s c o m m 控件的o n c o m m 事件捕获并处理这 些通讯事件。o n c o m m 事件还可以检查和处理通讯错误。所有通讯事件和通讯 错误的列表，参阅c o m m e v e n t 属性。在编程过程中，就可以在o n c o m m 事件处 理函数中加入自己的处理代码。 这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。每个m s c o m m 控件对应着一 个串行端口。如果应用程序需要访问多个串行端口，必须使用多个m s c o m m 控 件。 2 查询方式 查询方式实质上还是事件驱动，但在有些情况下。这种方式显得更为便捷。 在程序的每个关键功能之后，可以通过检查c o m m e v e n t 属性的值来查询事件和 错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的。例如， 如果写一个简单的电话拨号程序，则没有必要对每接收一个字符都产生事件，因 为唯一等待接收的字符是调制解调器的“确定”响应伫回。 3 6 上位机与下位机间的通讯 3 6 1 串口的连接和设置 上位机与下位机间的通讯接口采用的是9 针的r s 2 3 2 串口。其常用信号引 脚说明如表3 1 所示( 2 7 l 。 标准r s 2 3 2 端口最为简单且常用的是三线制接法，即信号地( g n d ，针脚 5 ) 、接收数据( r x o ，针脚2 ) 和发送数据( t x d ，针脚3 ) - - - 脚相连。本仪器也是采 用三线制方法，如图3 1 所示闭。 浙江大学硕士学位论文 上位机下位机 一 图3 1r s 2 3 2 电缆连接方式 3 6 2 串口通讯的实现 第一次打开串口时，串口设置为系统默认值。c o m m p o r t 设置并返回 通讯端口号。s e t t i n g s 以字符串的形式设置并返回通讯端口的波特率、奇 偶校验、数据位、停止位等信息。默认设置为“9 6 0 0 , n , 8 ，1 ”。p o r t o p e n 设置并 返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。i n p u t 从接收缓冲区返回和删除 字符。o u t p u t 向传输缓冲区写一个字符串。 我们采用的是查询的方式来处理通讯的。因此，只要在程序中打开了串口， 浙江大学硕士学位论文 程序就一直在监听串口。整个监听的过程如图3 2 所示。 3 7 线程间通讯 图3 2 串口操作流程 3 7 1 线程以及线程间通讯的定义 线程( t h r e a d s ) ，也被称为轻量进程( 1 i g h t w e i g h tp r o c e s s e s ) ，指运行中的程 序的调度单位。线程是进程中的实体，一个进程可以拥有多个线程，一个线程必 须有一个父进程。线程不拥有系统资源，只有运行必须的一些数据结构；它与父 进程的其它线程共享该进程所拥有的全部资源。线程可以创建和撤消线程，从而 实现程序的并发执行。一般，线程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态【2 9 l 。 线程之间通信的方式：1 、全局变量；2 、消息；3 、管道。全局变量容易造 成名字污染。管道的实现相对比较复杂。要实现线程问的通讯，最简单的办法就 是使用消息响应。 3 7 2w i n d o w s 消息 w i n d o w s 应用程序的输入由w i n d o w s 系统以消息的形式发送给应用程序的 窗口。这些窗口通过窗口过程来接收和处理消息，然后把控制返还给w i n d o w s 。 w i n d o w s 系统中每个“窗口类”都要登记一个如下形式的窗口过程： 2 6 浙江大学硕士学