基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制-电气自动化专业毕业设计

（论文） 1 毕业设计（论文） 基于 ARM7微控制器的 CE芯片安培检测器的研制 （ Development of the CE Chip Amperometric Detector Based on ARM7 Micro-controller） ： ： 电气与信息学院 ： 自动化 ： 0441 ： ： 讲师 ： 2008 年 6 月 20 日 学生姓名 所在院系 所学专业 所在班级 指导教师 教师职称 完成时间 （论文） 2 摘 要 当前，毛细管电泳芯片因为具有易于实现微型化的特点而发展十分迅速，由于毛细管电泳芯片的样品体积很小，因此采用高灵敏度的检测方法是十分必要的。电化学检测中的安培检测技术，由于灵敏度较高、仪器简单、价格成 本低、线性范围宽、操作简便等优点，己经成功与毛细管电泳联用并得到了广泛的应用。本论文就是基于这一背景，设计了一种以 ARM 微控制器为核心的新型微毛细管电泳芯片安培检测器 本文研究了毛细管电泳及安培检测的原理和发展等设计背景，确定了系统的总体设计方案并进行了分析与论证。对微安培检测器中的核心器件 恒电位仪提出了新的设计方案。整个系统是以 ARM7 LPC2131 微控制器为核心搭建的硬件平台，实现了程控电压源、自动增益电路的控制、 A/D 转换结果的读取与处理、 LCD实时显示、与上位机的串行通讯、按键以及报警等功能。 软件设计采用 C 语言编程，实现检测过程的软件控制；并进行了相应的软硬件调试。 实际运行结果表明，该系统能够实现电化学池中微弱电流信号的实时采集与处理，具有较高的实用价值和应用前景。 关键词： 安培检测 毛细管电泳芯片 恒电位仪 ARM7-LPC2131 微控制器 Abstract At present, because of easily being miniaturized, the capillary electrophoresis chip develop very rapidly .As the sample vessel of the capillary electrophoresis chip is small, using high-sensitivity detector is extremely necessary. Amperometric detection technology has been successfully combined with the capillary electrophoresis and has been widely used, being due to its high sensitivity, simple instrument, the low prices , widely linear range , easy to operating and so on. This paper is just based on this background to design a new amperometric detector of micro-capillary electrophoresis chip with a ARM microcontroller. This paper gives an overview of the design background that of the principles and development of the capillary electrophoresis and amperometric detection.Determined the systems design project which carried out the analysis and feasibility studies. Proposed a new design proposal for the potentiostatic instrument as the core of micro-amperometric detector. The whole system is based on ARM7-LPC2131 microcontroller as the core structures of the hardware platform. It can realize many （论文） 3 functions that include programmable voltage source, the automatic gain control, pocessing the results of A/D conversion,real-time LCD display ,the serial communication,the circuit of keystroke and alarm, and so on. Software design adopt C-language to realize the software control of the examination process .At last, carring out the corresponding hardware and software debugging. The results showed that the system can realize gathering the weak current signal and taking real-time processing, and have a good practical value and prospect of application . Key words: Micro-amperometric detection capillary electrophoresis chip Potentiostatic instrument ARM-LPC2131microcontroller （论文） 4 1 引言 1.1 课题背景 分析化学是化学家最基础的训练 课题 之一，化学家在实验技术和基础知识上的训练，皆得力 于 分析化 学。 分析化学所用的方法可分为化学分析法和仪器分析法，而 当代分析化学 则著重 于 仪器分析 。 微型化和智能化是分析仪器发展的主要方向 ， 这不仅因为它可以提高效率，节省开支，实现自动化，而且排污少，是一种 绿色 技术。 自从 1990 年由 Manz 提出 “ 微型全分析系统 ”(Micro Total Analysis System ,2TAS) 概念后 ,微型化、集成化与便携化成为分析仪器设备的发展趋势 。 1.1.1 微流控芯片概述 微流控芯片 （ microfluidic chip）是当前微全分析系统（ Miniaturized Total Analysis Systems）发展的热点领域，是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主 要是其容纳流体的有效结构（通道、反应室和其它某些功能部件）至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能 ， 因此发展出独特的分析产生的性能。其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标芯片实验室 ， 目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域 。 1 在众多微型全分析系统器件中 ,毛细管电泳芯片 具有分析速度快 、 样品消耗量少 、 便于 集成化、自动化和微型化等优点 ,有极高的学术和商业价值。上个世纪 90 年 代 ,Manz、 Harrison 、Ramsey、 Mat hies 等人为 毛细管电泳芯片 领域的飞速发展打下了良好的基础 。 2 随着微电子微机械技 术 (micro electro-mechanical systems,MEMS)的 发展 ,毛细管电泳芯片取得了进一步长足的发展 ,对检测技术灵敏度的要求就被提到了一个更为重要的位置 ,人们期望改进检测技术以促使毛细管电泳芯片检测系统向着微型化 、 集成化 、 自动化及智 能化的方向发展 ， 最终实现建立微全分析系统 （ micro total analysis system, -TAS）或缩微芯片实验室（ Lab On a Chip,loc）的目标。 1.1.2 毛细管电泳 (CE)原理应用与 发展 毛细管电泳 (capillary electrophoresis, CE)又叫高效毛细管电泳 (HPCE), 是近年来发展最快的分析方法之一。 1981 年 Jorgenson 和 Lukacs 首先提出在 75m 内径毛细管柱内用高电压进行分离 , 创立了现代毛细管电泳。 1984 年 Terabe 等建立了胶束 毛细管电动力学色谱。1987年 Hjerten 建立了毛细管等电聚焦 , Cohen和 Karger提出了毛细管凝胶电泳。 1988 1989（论文） 5 年出现了第一批毛细管电泳 商品 仪器。短短几年内 , 由于 CE 符合 了以 生物工程 为代表的 生命科学 各 领域 中对 多肽 、蛋白质 (包括酶， 抗体 )、 核苷酸 乃至 脱氧核糖核酸 (DNA)的分离分析要求 , 得到了迅速的发展 。 3 毛细管电泳 ( CE)是 指以高压电场为驱动力 , 以毛细管为分离 通道 , 依据样品中各组分之间淌度和分配 行为 上的差异而实现分离的一类液相分离技术。 CE 最常见的仪器基本结构如图1-1 所示。 图 1-1 毛细管电泳芯片设计示意图 毛 细管电泳 (CE) 除了比其它 色谱 分离 分析 方法具有 效率 更高、速度更快、 样品 和 试剂耗量更少、应用面同样广泛等优点外 , 其仪器结构也比 高效液相色谱 (HPLC) 简单。 CE 只需高压 直流电 源、进样装置、毛细管和检测器。前三个 部件 均易 实现 , 困难之处在于检测器。特别是 光学 类检测器 , 由于 毛细管电泳 溶质区带的超小体积的特性导致 光程 太短 , 而且圆柱形 毛细管 作为光学表面也不够理想 , 因此对检测器灵 敏度要 求相当高。 1.2 毛细管电泳芯片 （ CE） 检测器分类 检测是毛细管电泳发展的核心问题之一。如何体现毛细管电泳的优良性能与高灵敏检测密切相关。毛细管电泳自身特点要求与其联用的检测器必须有较小的体积和较高的灵敏度。 1.2.1 检测器分类 目前，商品化仪器通用的检测方法仍是紫外可见检测器，但由于毛细管孔径小，进样量极低 (nL)，导致光度检测的灵敏度较低。荧光检测器虽然灵敏度高，选择性好，但仅适合于具有荧光或易于进行荧光衍生的物质，使其通用性受限。毛细管电泳 -质谱联用灵敏度高，专属性强，能提供分子结构信息 ，是 CE 较为理想的一种监测器，但是价格昂贵。其它的检测（论文） 6 方法还有激光光热法、放射分析法、示差折光法等。与上述检测方法相比，电化学检测有其独特的优点，其质量检测限低，线性范围宽，选择性好，与 CE 联用不仅可满足分析微量样品时灵敏度的要求，而且设备简单、仪器造价低廉，便于推广使用。电化学检测对于大多数易于氧化还原物质的浓度检测限可达 910 mol/L(质量检测限可达 f/mol-a/mol )。 4 根据电化学检测原理的不同，目前在毛 细管电泳芯片分析系统中所采用的电化学检测器主要有安培检测器、电导检测器和电位检测器。其中安培检测具有灵敏度高、选择性好、线性范围宽、设备简单、成本低等优点，但是它仅能检测电活性物质。本论文就是采用该检测方法 。 1.2.2 安培检测 本文 设计的微型检测器采用的是安培检测方法所谓安培检测法就是指对流出毛细管的电活性组分，根据其在微电极上的氧化还原反应所产生的电流来进行测定的方法。安培检测法是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它检出限低、选择性高，适用于电活性物质的痕量测定。安培检测作为毛细管电泳芯片检测 的主要手段，因灵敏度高而得到了快速的发展 。 3 安培检测器具有很多优点 : 它的检出限一般低于 107 mol /L，且对各类电活性物质灵敏度差别很小。但一般只对电活性物质有响应，适用于电活性物质的痕量测定，而不受非电活性物质的干扰。由于每种物质的氧化还原反应电位不同，对于具有不同电极电位的物质，只要在电解池的两极间施加不同的电压，就可控制电极反应，有较高的选择性。 安培检测器的测量原理本身也决定了它固有的局限性与不足 :首先它 不是通用的检测方法，它要求测定对象在所选用的电极上具有电化学活性，其次它采用的流动相必须有常用浓度范围内 0.01mol/L-0.1 mol/L 的电解质存在，且安培检测器对流动相的流速、温度、 PH 值等因素的变化比较敏感。 1. 3 论文的研究目的及主要研究内容 本论文的主要任务是为毛细管电泳芯片设计基于微处理器的安培检测器。检测器采用电化学分析仪器中典型的基于恒电位仪的三电极传感器；由于安培检测的检测电流一般在 nA 级甚至更小，所以在采集微弱电流设计，需设计精确放大电路，并经滤波和 A/D 转换后送入 MCU进行数 据处理。 （论文） 7 论文的第二章主要介绍微安培检测器的基本工作原理，提出微安培检测器设计的整体构想，给出系统原理框图，并对其设计性能实现做简要的阐述。 论文的第三章则就微毛细管电泳芯片安培检测系统设计的核心问题 -恒电位仪的设计做了进一步详细研究，明确的提出了这些核心问题的解决方案。 论文第四章详细的介绍微控制器系统及其外围硬件的设计。依照总体方案，设计出以 ARM微控制器为核心的系统主控制器，具体包括硬件平台的搭建、通用接口和人机交互接口等模块的硬件设计 -程控电压源、 A/D 转换电路、 LCD 实时 显示电路、串口电路、自动增益控制电路、按键及报警电路等。 论文第五章为微安培检测系统软件设计。分析微毛细管电泳芯片安培检测器测控软件的总体结构设计，在此基础上重点实现 ARM 控制器的主要软件功能设计 。 （论文） 8 2 微安培检测器总体设计方案的确定 2.1 安培检测器的基本工作原理 安培检测法是在外加电压的作用下，根据待测物在工作电极表层上发生氧化反应或还原反应时所产生的氧化电流或还原电流对待测物进行定量的一种检测方法。它是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它采 用电极作为传感器，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。 假设由工作电极和参比电极组成的电解池中有被测组分 A，在工作电极和参比电极间逐渐改变外加电压。组分 A 在阳极表面上可能发生下列反应 : A B+ne （式 2.1） 电解反应可用 Nernst 方程表示 : Eap=E0+2059.0lg AB（式 2.2） 式中， Eapp 为外加电压， A、 B分别为反应物和生成物在电极表面上的浓度。对这个电解反应有三种可能的情况 : I)外加电压 Eapp E0时，电解反应还在进行，电极表面 BA, A 0。 在电化学检测池中所产生的电流是溶液中的分子在工作电极表面发生氧化或还原的电解反应得到的。式 2.2 是一个氧化反应的模型，电子从待测活性物质分子转移到工作电极上，产生正的阳极电流 ； 同样，发生还原反应，电子从工作电极表面转移到电活性分子上，产生负的阴极电流。在电极表面上电子转移所产生的电流符合法拉第定律 : Q=nFN (式 2.3) 式中， n 为每摩尔电活性物质在电极反应中转移的电子数， F 为法拉第常数， N 为发生电极反应时的电活性物质的量 (mol )为电荷量。电极反应的电流为 : i=dtdNnFdt dQ(式 2.4) 此式将一个可测量的电流 i 与电极表面产生的基本氧化一还原过程联系起来，可见测得的 i 与每种电活性物质在电极上转移的电子数 n 成正比，也与通过电极表面 与其反应的活性（论文） 9 物质浓度 dN/dt 成正比，这就是安培检测法的原理。 2.2 三电极传感器的设计 研究电极上电子的运动是电化学反应的基础，为了分别对电池或电解池的阴极、阳极发生的反应进行观察需 用到三电极体系，通常三电极体系包括：确定研究工作界面的工作电极，保持恒定参考电位的参考电极 以及提供电流的对电极。 2.2.1 检测方式的选择 安培检测器的微电极所能测到的法拉第电流一般在纳安级甚至更小。因此消除或减小分离电压对安培检测的干扰是一个不容忽视的问题。 根据隔离分离电压的方式，安培检测器分为离柱式和柱端式两种 ， 65， 离柱安培检测器虽然一定程度地降低了检测噪音，但是接口制作繁琐、存在区带变宽现象、分离电压和电流难以达到完全接地的状态，因此多采用柱端型安培检测器。 然而采用这种方式时，对终端安培检测器的工作电极与毛细管通道的对准的液流方向提出了很高的要求。按流出通道后的液流方向与工作电极的相对位置，将芯片毛细管电泳 -柱端安培检测池分为流经式、流向式和流通式 。 5 如图 2-1 所示： 图 2-1 检测池结构示意图 2.2.2 电极材 料的选择 安培检测器的性能很大程度上取决于所选择的工作电极的材料。目前在芯片毛细管电泳安培检测器中使用较多的工作电极为碳电极、金属电极及化学修饰电极。 在金属电极上具有电活性的物质相对较少 ,大量的由 CE 分离出的组分 ,尤其是一些生物分子在此类电极上或因超电势太高或缺乏电活性而无法检测。化学修饰电极和微电极的安置技术在很大程度上可解决此类问题 ,进一步扩大了安培检测的范围和适用性。化学修饰电极有 :Hg 修饰微电极 ,化学修饰碳糊微电极 ,金属颗粒修饰微电极 ,表面分子膜修饰微电极。 2.2.3 电极安置的具体设计 （论文） 10 大部分安培检测器的工作电极均直接制作在芯片上，形成集成化的分离检测系统，体积小、集成度高、适合于批量生产。但这样的集成化电极一旦钝化后不易清洗或更换，仅适合于一次性使用。 W ang 等研制了可更换的流向式工作电极。条状碳膜工作电极筛印在统一尺寸的氧化铝陶瓷片上，将带有工作电极的陶瓷片在分离通道的垂直方向插入芯片尾端特制的有机玻璃电极定位槽中，碳膜工作电极即可对准通道的出口。电极钝化后，更换一片新的带有筛印碳膜电极的 陶瓷片即可 ， 6 这里采用方形和圆形两种工作电 极，其特征尺寸为 100 900 m 、工作电极与对电极间距为 50 200m 。如图 2-2 所示 图 2-2 垂直可更换式筛印厚膜碳电极和芯片毛细管电安培检测装置示意图 2.3 微安培检测器的总体设计方案 2.3.1 系统工作过程及系统原理框图 本系统主要工作过程是：待测物质经过样品制备和生化反应后注入毛细管电泳芯片，并在芯片上进行组分分离与结果检测。 首先在缓冲液池内加入适当的缓冲液，并施加一定的压力，使其充满整个通道；在样品池内加入适量的样品，并在余下的贮槽中加入缓冲液。然后将施加分离电压的电极放 入四个池里，通过调节电压的大小来实现样品的引入和分离。分离后的溶液进入毛细管电泳分离通道的末端检测池，置入检测池中的三电极传感器可直接将溶液中 待测组分的化学信号转变为电信号。传感器电极所需的检测电位一般在 5V 内，可以使用基于 D/A 转换器的程控电压源来提供，并通过恒电位仪电路使这个电位保持恒定后施加在参比电极与工作电极之间。工作电极上会产生氧化电流或还原电流，通常检测电流一般在 nA 级甚至更小 (通常在几百 pA 到 几十 nA 之间 )。将电流信号转化为电压信号，经过电压放大、 滤波后获得 A/D 转换输入范围内的电压）。最后通过 A/D 转换采样检测数据，送入微控制器进行数据处理，进行 LCD 实时显示并通过串口与上位机进行通信与数据处理。当检测结束或超出检测范围时，可以进行声光报警。 （论文） 11 根据以上工作过程确定了系统的总体构架，其系统的原理框图如图 2-3 所示 A R M 7微 控 制 器A / D 转 换滤 波 电 路三电极传感器恒电位仪键 盘L C D 显 示 电路声 光 报 警串 口 电 路送 至 上 位 机程 控 电 源自 动 增 益电 路图 2-3 检测装置的整体设计原理框图 2.3.2 系统微控制器的选择 系统的微控制器采用 ARM 微 控制 器 LPC2131， ARM 是 32 位处理器 ,与普通的 8 位 51 单片机相比 ,其处理效率要高很多。硬件方面， LPC2131 的资源比 51 系列单片机丰富得多。在 8 位51 单片机中，大多要进行外扩。 LPC2131 带有丰富的外设接口 ,比如串口、 USB、网口等 ， 可以方便的与上位机进行通信并实现嵌入式操作。在软件方面，引入了操作系统。在后期的开发中，可以在操作系统上直接开发应用程序，并引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。 2.4 微安培检测器的主要性能指标 1）检测电位控制范围： 5V ； 2）检测电位控制精度： 2.44mV； 3）电流测量范围： nA 级甚至更小（通常在几百 pA几十 nA 之间）； 4）输出电流：最大 1A ； 5）参比电极输入阻抗： 1012 ； 6）信号发生、数据采集： 12 位串行 D/A、 A/D 转换器。 （论文） 12 3 安培检测系统核心问题 恒电位仪的设计 在所有研究电极反应的试验中，精确控制或测量电位、电量或电流是实验的基本要求，恒电位仪是电化学测试中最重要的仪器。恒电位仪不但可用于各种电化学测试中，而且它也是一种重要的金属制品 (主要是铁 )阴极防腐保护装置，通过控制使被保护的金属制品始终处于某一电位，从而防止金属制品离子腐蚀。它还可用来控制恒电流或进行各种电流波形的极化测量。电流 -电位曲线，即极化曲线的测定，一般也是用恒电位仪法。 3.1 恒电位仪的工作原理 恒电位仪是指由它控制电极电位为指定值，以达到恒电位极化的目的。若给以指令信号，则可使电极电位自动跟踪指令信号而变化。譬如，将恒电位仪配以方波、三角波或正弦波发生器，就可使电极电位按照给定的波形发生变化，从而研究电化学体系的各种暂态行为。 恒电位仪电路必须满足两个条件 :一是具有基准电位 (也称给定电位 )，使恒电位值可调。二是满足恒电位 仪 的调节规律，也就是当电路的参数变化时，如电源电压变化或由于电化学变化的延续引起的电 极电位漂移，恒电位应具有自动调节能力。自动调节电位必须向电位偏移的反方向进行，才能使电极电位保持恒定。 由于运算放大器的开环放大倍数很高 (104)，故用它组成的恒电位仪可达到很高的精度。另一方面运算放大器的响应时间很短，因而恒电位 仪 的调节过程很快。恒电位 仪 的调节靠深度电压负反馈来实现 ,也就是将部分输出电压馈入放大器倒相输入端，放大器用来将输入端 之间的电位差保持在零。在这些输入端 之 间出现的任何误差（ + V ）被放大而给出 输出 -A V ,它可使误差 + V 减小而回到零。在实际装置灵敏度极限内，输出电压准确的跟踪着输入电压。从而使参比电极与工作电极之间的电位差 ( R- w)严格等于输入的指令信号电压 Ui . 用运算放大器构成的恒电位仪，在电解池电流取样电阻以及指令信号的连接方式上有较强的灵活性。可以根据电化学测试的具体要求，选择设计不同类型的恒电位电路 。 7 3.2 恒电位仪的基本结构 3.2.1 简单恒电位仪 图 3-1给出了最简单的一种，虽然它很少 有实用价值，确概述了有关原理。图中电化学池被近似化为一种溶液电阻与双层电容串联的极为简单的等效电路。可以看到这一装置只是一个简单的电压跟随器，它将 RE和 WE间的输出电压保持在程序设定的电位 E。处于接地电位的工作电极相对于参比电极有一个 -E的电位。因此输入电压在电池中被倒了相。在这一回路中也（论文） 13 没有测量通过电池的电流的装置，且恒电位仪在任何时候都不能加上多于一个单位的信息 7 。 图 3-1 简单恒电位仪 图 3-2给出了一种更好的设计，暂时忽略放大器 2和 3，可以看到放 大器 1在倒相加法器结构中是控制放大器。此电路用来保持累加点 S处于虚地，这样可设定电位 E1 和 E2 在参比电极和接地之间进行倒相、累加和控制 。工作电极的电位由放大器 3保持虚地状态，这样工作电极相对于参比电极的电位为 +（ E1 +E2 ），在这种恒电位仪中没有符号转化。在电化学系统中反馈回路含有参比电路，和恒电位仪的输入电流不能大到足以极化这一电 极。通过在反馈回路中包括一个电压跟随器作为阻抗匹配单元就做到了这一点。这样参比电极上的电流可只归之于运算放大器的输入阻抗和输入偏流。放大器 3形成了电流跟随器电路的基础，用来测定流过电池的电流 ，并使之以电压的形式显示出来，简单的表示为 iRf。 7 （论文） 14 图 3-2 加和结构工作的恒电位仪 3.2.2 本文采用的恒电位仪结构 图 3-3为本文采用的恒电位仪结构，图中在控制放大器的反馈回路中放置一电阻器，并用差分放大器测 量它两端的电压，电压跟随器用作阻抗变换器，同时可防止电化学池电流对地的分流。如果这些是 FET运算放大器， Rf就可能大到 1M ， Rf两端产生的电位由差分放大器进行测量，当 R1 = R2 =R3=R4 时，电流由 Eout/Rf给出。但应注意选择的 Rf不能超过恒电位仪的输出电压限。对理想的差分放大器， E只与（ E1 -E2 ）有关，而与相对于地的输入电位绝对值无关 。 7 相关计算公式如下： Eout=112243 412 )1( ERRERRRRR (式 3.1) 当 R1 = R2 =R3=R4 时 Eout=E2 - E1 I=fREout (式 3.2) （论文） 15 图 3-3 利用差分放大器结构测量电流 3.3 恒电位仪的性能要求 3.3.1 负载特性： 即控制精确度或恒电位仪的跟随能力。电化学研究用的恒电位仪要求控制电位的精确度一般为毫伏级 (通常 1 mV)，输出电压一般超过 l0V，电流的变化为安培级，控制电位的可调范围约 4V。因此，要求组成恒电位仪的运算放大器漂移小、噪声低、增益高、共模抑制比大 。 7 3.3.2 输入阻 抗： 恒电位仪的输入阻抗问题，实际上是参比电极可以允许流过多少电流的问题。流过参比电极的电流是研究电极与辅助电极之差，它可能引起参比电极极化甚至钝化，并在参比电极Luggin毛细管产生欧姆电位降，影响恒电位仪的精确度。因此，一般恒电位仪的输入电流上限为 0.1uA，即流经参比电极的电流要小于 107 A，或者说恒电位仪的输入电阻要大于 107 ，这样才能保证恒电 位仪的控制精度在毫伏级。为了提高输入阻抗，常采用场效应管作输入级的运算放大器，采用电压跟随器和偏置电流补偿电路也可提高放大器的输入阻抗 。 7 （论文） 16 3.4 恒电位仪的器件选择与参数计算 3.4.1 控制放大器的电路的选择 恒电位仪中的主控制放大器实质是一种工作在深度负反馈下的直流放大器，根据性能要求，需选用一种高精度、输入失调电压漂移小、噪声低、共模抑制比大的运算放大器。 经比较选用运放 OP07 符合上述主控制放大器的性能要求 :输入失调电压温漂 0.7mV/0C、输入失调电流温漂 12pA/0C、共模抑制比 110 dB 等。 OP07 是双电源供电，使用温度范围为0-70 C，可采用 200k 可调电位器对 OP07 调零 8 。 其应用电路如图 3.4 所示。 图 3-4 OP07 应用电路 3.4.2 电压跟随器的设计 安培检测的检测电流通常在 pA-nA 级，因此运算放大器应选择具有极为低的输入偏流，因为这是测量中误差的主要来源。若放大器的输入偏置电流与信号电流量级相同，则信号将被偏流所淹没。因此， 参比电极电路应具有高的输入阻抗、极小的输入电流。 这里采用同相电压跟随器作为阻抗变换单元，利用 FET 输入阻抗高的特点可使输入电阻达到（ 109 -1012 ） ，本设计 选用 LF357， 集成运放 LF357 的输入级是结型场效应管，其输入阻抗为 1012 ，具有比较高的转换速率 -SR= 5V/us。该 运放要求双电源供电，供电电压的极（论文） 17 限值为 18V，使用温度范围为 0-70 C，其典型应用电路如图 3-5 所示： 图 3-5 LF357 同相高阻抗电压跟随器 3.4.3 信号前置放大器的设计 电化学池输出的直流电信号极为微弱，量程范围在 nA 级甚至更小。放大器的漂移以及电路中的噪声将是影响测量精度、灵敏度的重要因素，降低噪声的方法主要还是从电路方面考虑。根据传感器的噪声和阻抗特性设计好前置放大器是信号通道中低噪声放大的关键。 数据放大器是一种闭环的差分电压增益器件。它与集成运算放大器的主要区别就 在于数据放大器是一种闭环的电压放大器件，它的性能都是在闭环情况下表现出来的。数据放大器具有相当高的差模输入阻抗和共模输入阻抗，这就允许了传感器的输出阻抗可以不为零，信号源阻抗可以不平衡。同时它有相当低的偏置电流和失调电流，而这两者电流又是相当稳定的，因此数据放大器并不要求有恒定的信号源阻抗，这就使得其可以与各种传感器相连接。数据放大器的共模抑制比是相当高的，因此噪声的拾取、地回路的压降、使用远端传感器时引线电阻产生的电压降等效应都能得到减小 。 10 通过性能比较，本设 计选用美国 AD 公司的数据放大器 AD524 。 AD524 是一种精密数据放大器，用于恶劣工作条件下要求高精度数据采集应用场合。由于高线性度、高共模抑制比、低失调电压漂移和低噪声特性完美结合，使 AD524适用于许多数据采集系统。数据放大器 AD524可不需要任何外接元件，只通过 RG:与 G10, G100, G1000 引脚的不同组合连接而获得 1, 10, 100, 1000 的固定增益。使用数据放大器 AD524 作为前置放大器，简化了安培检测器的电路设计，其优良的性能保证了电路的精度与稳定性 。 11 （论文） 18 1)AD524 的主要性能： -双电源供电 :最高可达 18V； -输入失调电压 :50 u V(最大 )； -输入失调电压漂移 : 0.5uV/ C； -增益误差 :最大 : 0.05% (G=1)，最大 : 2% (G=1000)； -共模抑制比：大于 90dB(G=1),120dB(G=1000)； -增益带宽乘积 :25MHz； -建立时间 :15 us； -低噪声 :0.3 uVp-p, 0.1-10Hz； 2)极限参数 -电源电压： 18V； -内部功耗： 450mW； -输入电压： (任一端同时输入 ) |Vin |+|Vs|36V； -贮存温度范围： (R)65+ 125 C (D, E)65+150 C 3）其典型应用电路如 图 3-6 所示 ： 图 3-6 AD524 典型应用电路 （论文） 19 3.4.4 滤波电路的设计 对信号进行 A/D 转换时，信号的最高频率应为采样频率 f 的 1/2 以下。若输入其上的频率信号，则 A/D 转换的结果会产生误差。采样频率很高时，可以使用高速，高精度 A/D 转换器，但这样的 IC 价格高。截止频率通常接近采样频率的 1/2，可以在 A/D 转换器的前面接入衰减特性陡峭的滤波器，这种滤波器称为防混淆滤波器。 这里要求使用高次滤波器，但对于普 通的 LPF，由于 RC 元件误差引起的增益 -频率特性变化较大，因此， LPF 不适用于这种用途。这时方便使用的是 LC 模拟滤波器，它是用有源元件实现 LC 元件功能的 GIC 电路结构的滤波器。其特征是 RC 元件误差对增益 -频率的影响不大。 图 3-7 给出 GIC（ Generalizied Impedance Connverter）电路。 GIC 一般也称为阻抗变换电路。使用关系式 Zin =542 31 ZZZZZ 可得到任意的阻抗。内部阻抗 Z1 -Z5 使用电阻与电容，但Z1 与 Z2 或 Z3与 Z4 双方不能使用电容，其原因是为了使运算放大器正常的工作，运算放大器输入所需要流经直流偏置电流，而且要加直流负反馈 。 12 图 3-7 可实现任意阻抗的 GIC电路 LC 滤波器的设计理论已经确立 了，因此根据书末文献中记载的正规化表，选择如图 3-8所示的 LC 滤波器。其次如图所示，进行各元件乘以 1/S 的变换操作，这种操作称作布鲁顿变换操作。最后，用图 3-9 所示 GIC 电路实现 FDNR 元件功能 。 12 （论文） 20 3-8 5 次巴特沃茨 LPF 3-9 进行布鲁诺变换的 巴特沃茨 LPF 给定截止频率 f0与基准电容 C，求出基准电阻 R，乘以变换的 NLPF 常数，用 GIC 电路设定负电阻 D。 如图 3-10 所示为完成设计的电路，图中 R4 和 R11 是为运算放大器输入提供的直流偏置电流的电阻。 滤波电路的传递函数经归一化处理后如下式： G=1854.455.5927.281.1 1 2345 SSSSS(式 3.3) 图 3-10 FDNR5 次巴特沃茨 LPF （论文） 21 3.5 微安培检测器模拟电路设计 电路中除采用上述元器件外，所用电阻应选择温度特性与频率特性均较好的低噪声、高精度金属膜电阻。由于滤波和相位校正引入的电容也会不可避免的带来噪声，因此应尽量选择 低噪声电容，如云母或瓷介电容及漏电小的担电容。各元件之间的参数需注意匹配问题。微安培检测器模拟电路图如图 3-11 所示。 图 3-11 微安培检测器的模拟电路 （论文） 22 4 基于 ARM7-LPC2131 微控制器的 安培检测器的硬件平台 4.1 微控制器 LPC2131 的选用与其主要性能特点 在本次设计中选用 LPC2131 作为系统的微控制器， 它是 32 位微控制器，并以很高的性价比赢得了越来越多的用户的青睐。随着科技和工艺的进步， 32 位微控制器的优势会更加凸现出来，将会成为嵌入式系统的主流。 4.1.1 LPC2131 微控制器概述 LPC2131FBD64 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI-S CPU,并带有 32kB 嵌入的高速 Flash 存储器。 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%,而性能的损失却很小。 较小的封装和很低的功耗使 LPC2131FBD64 特别适用于访问控制和 POS 机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和 8kB 的片内 SRAM,它们也 非常适合于通信网关、协议转换器、软件 modem、语音识别、低端成像 ,为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个 32 位定时器、 1 个 10 位 8 路的 ADC、 10 位 DAC、 PWM 通道、 47个 GPIO以及多达 9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统 。 13 4.1.2 LPC2131 微控制器主要性能特点： - 16/32 位 ARM7TDMI-S 核 ,超小 LQFP64 封装。 - 8kB 的片内静态 RAM 和 32kB 的片内 Flash 程序存储器。 - 128 位宽度接口 /加速器可实现高达 60MHz 工作频率。 - 通过片内 boot 装载程序实现在系统编程 /在应用编程 (ISP/IAP)。 - 单个 Flash 扇区或整片擦除时间为 400ms。 -256 字节行编程时间为 1ms。 - EmbeddedICE RT 和嵌入式跟踪接口通过片内 RealMonitor 软件对代码进行实时调试和高速跟踪。 - 1个 8路 10位的 A/D转换器 ,共提供 16路模拟输入 , 每个通道的转换时间低至 2.44us。 - 2 个 32 位定时器 /外部事件计数器 (带 4 路捕获和 4 路比较通道 )、 PWM单元 (6 路 输出 )和看门狗。 - 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的 32kHz 时钟输入。 （论文） 23 - 多个串行接口 ,包括 2 个 16C550 工业标准 UART、 2 个高速 I2C 总线 (400 kbit/s)、 SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP。 - 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 - 小型的 LQFP64 封装上包含多达 47 个通用 I/O 口 (可承受 5V电压 )。 - 多达 9 个边沿或电平触发的外部中断管脚。 - 通过片内 PLL(100us 的设置时间 )可实现最大为 60MHz 的 CPU 操作频率。 - 片内集成振荡器与外 部晶体的操作频率范围为 1 30 MHz, 与外部振荡器的操作频率范围高达 50MHz。 - 低功耗模式：空闲和掉电。 - 可通过个别使能 /禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 - 通过外部中断或 BOD 将处理器从掉电模式中唤醒。 - 单电源 ,具有上电复位 (POR)和掉电检测 (BOD)电路： CPU 操作电压范围： 3.03.6 V (3.3 V10%),I/O 口可承受 5V 的电压 。 14 图 4-1 LPC2131 管脚图 （论文） 24 4.2 LPC2131 微控制器电源电路 LPC2131 微控制器的内核和 I/O 使用同一电源电压，只需单电源 3.3V 供电。 LPC2131 的电源电路如图 4-2 所示，由 USB 接口 U7 输入 5V 直流电源，电感 L1 用于限制瞬态电流，经 C8、C9 滤波，然后通过 SPX1117M-3.3 将电源稳压至 3.3V，即图中所标 VDD3.3 处。 当正确连接电源后 ， POWER 灯点亮。 LPC2131 具有独立的模拟电源引脚 VDDA、 VSSA， 即图中所标 V3.3A 处。为了降低噪声和出错率，模拟电源与数字电源应该隔离。图中的 L2、 L3 就是用于电源隔离的元件（将数字电源的高频噪声隔离） 。 15 图 4-2 系统电源电路 SPX1117M3-3.3 是 Sipex 公司生产的 LDO 芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。 SPX1117 系列 LDO 芯片输出电流可达 800mA，输出电压的精度在 %1 以内，还具有电流限制和 过 热保护功能，可广泛应用在手持式仪表，数字家电和工业控制等领域。使用时，其输出端通常需要一个至少 10uF 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。实际上，用一个更小的电容即可，实际电路用了一个 4.7uF 的钽电容 。 15 4.3 复位电路 由于 ARM 芯片的高速，低功耗和低电压导致其噪声容限低，对电源的纹波 、 瞬态响应性能 、 时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本 系统的 复位电路使用带有 I2 C 存储器的电源监控芯片 CAT1025J1J-30，提高了系统的可靠性。其电路原理如图 4-3 所示： （论文） 25 图 4-3 系统复位电路 在图中，信号 RESET 连接到 LPC2131 芯片的复位脚 RESET，当复位键 RST 按下时，CAT1025J1J-30 的 RESET 引脚立即输出复位信号，使 LPC2131 芯片复位 。 15 4.4 系统时钟电路 LPC2100 系列 ARM7 微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，内部 PLL 电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（ CPU 最大操作时钟 为 60MHZ）。若不使用片内 PLL 功能及 ISP 下载功能，则外部晶振频率 为 130MHZ,外部时钟频率为 150MHZ；若使用片内 PLL 功能或 ISP 下载功能，则外部晶振频率为 1025MHZ，外部时钟频率为 1025MHZ。 LPC2131 使用外部 11.0592MHZ 晶振，电路如图 4-4 所示，用 11.0592MHZ 晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能支持 LPC2131 微控制器芯片内部的 PLL 及 ISP 功能 。 15 图 4-4 系统时钟电路 4.5 JTAG 接口电 路 本电路采用 ARM 公司提出的标准 20脚 JTAG 仿真调试接口， JTAG 信号的定义与 LPC2131的连接如图 4-5 所示 。 （论文） 26 根据 LPC2131 的应用手册说明， RTCK 引脚接一个 4.7K 的下拉电阻，使系统复位后LPC2131 内部的 JTAG 接口使能，这样就可以直接进行 JTAG 仿真调试 。 15 图 4-5 JTAG 接口电路 4.6 程控电压源的设计 系统采用 D/A 转换器技术为安培检测器模拟电路 中恒电位仪提供可控的给定 电压， 由LPC2131 微控制器控制 D/A 转换器输出连续可调的 V5 电压，实现恒电位仪的电源要求。 根据系统的性能要求，需选择 12 位高精度 D/A 转换器，输出电压应在 V5 范围内，同时为节省口线，这里选择串行输入输出模式，综上经比较后选择 MAX532D/A 转换器。 MAX532是美国 MAXIM Integrated Products 公司生产的一种双路、串行输入的 12 位 D/A 转换器，它是低功耗、电压输出双电源 12V 15V 供电、 16 引脚 DIP 封装的 D/A 转换芯片 。 16 4.6.1 MAX532D/A 转换器的主要性能特 点及 使用要点： 1)主要性能： -与 SPI, QSPI 和 Microwire 标准兼容 -缓冲电压输出 -INL= 1/2LSB(最大 ) -温度范围内保证单调的特性