便携嵌入式电化学检测系统.doc

浙江工业大学毕业设计本科毕业设计外文翻译（1）题目：便携嵌入式电化学检测系统学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名：指导老师：提交日期： 14便携嵌入式电化学检测系统Sylvia Kwakye, Antje Baeumner 摘要： 描述了一个为掌上电脑提供微型电化学检测（miniEC）的嵌入式系统设计。系统的特别处在于选择现成的组件，以满足高性能和低功率低成本这些严格的要求，设计采用了微电极阵列传感器，恒电位电化学测试，液晶显示，四按钮用户界面输入，内存数据存储器和一个串行连接网络。一个单片机因其无与伦比的低功率能力被用来编程处理，显示和存储信号。它也可以通过串口通信模块使用RS 232协议传递数据到另一个输入设备如个人电脑。恒电位仪应用于潜在的传感器，还负责放大并转换至该传感器电流到电压范围，并用单片机记录。四按钮用户界面允许用户通过循环电化学测试变量在查看或更改之前采取测量。按钮界面也允许用户启动/停止测量，设置时间和日期，并查看以往的测量存档数据汇总。开发了图形用户界面，用户也可以从一个电脑的串行通信链路执行这些任务。miniEC非常小巧（约80毫米* 5毫米），由一个1.5V电池（AAA或AA）供电就可以运行，例如在一个AAA单电池额定1000毫安供电下能连续使用2周。这种软件和硬件模块化，通用化和灵活化的设计使其在利基领域很快就获得成功。 关键词：稳压器；单片机；电流测定法；生物传感器；嵌入式系统1 引言在过去十年里，文献报道许多小型化分析系统已成功的应用于工业和医学领域1-5。然而除了葡萄糖传感器，大众市场生产的便携式的微型或“芯片实验室”系统并没有如预期的迅速发展。第一个此类系统才刚刚开始出现。例子包括血气分析仪便携式分析仪 6 和桑迪亚microchemlab生物毒素检测 7 。该统计使用微一次性墨盒进行多种选择的血液测试。microchemlab在波士顿地铁运输系统的田间使用（马萨诸塞州，美国）和在美国其他地区用于监测系统。另一个特别引人注目的例子是它的低成本，40美元的普里亚诊断男性生育工具 8 。大多数便携式系统报告使用电化学检测 1-5, 7。电化学检测灵敏度和选择性可以和光谱检测方法相比 9 。此外，电化学检测，特别是安培，具有简单，更小的尺寸和更低的成本等重要的优势。在安培法里，一个潜在的应用是由一个恒电位电化学细胞造成氧化还原（还原）的反应-电化学活性分子在电极。氧化还原反应产生可衡量的电流跟电化学活性分子的浓度成正比。100美元的安培葡萄糖传感器的广泛使用表明了设置的简单实用。顺便说一句，葡萄糖传感器是使用最广泛的微型试验系统。它的成功是由于传感器体积小，价格低廉，稳定，易于使用和易于产生 10 。传统的恒电位仪是专为研究而设计，能够执行许多不同类型的复杂的电化学分析。因为它们通常很笨重，因此微流控技术不适合应用于小型液体检测。一些公司已设计和制造出微型单芯片稳压器从可集成硅中1113。这种方法的优点是，恒电位仪可以做得非常小，达到毫米的要求，并能够按照目前的规模和频率为特定的实验要求专门定制制造。专门应用如体内神经递质的监测，这些集成稳压器可能是最好的选择 14 。然而，这种方法的安装和制造成本对于大众市场分析设备的生产来说过于昂贵。利用现有的集成电路（IC）如运算放大器，微控制器和系统级芯片组件是最不昂贵的方式，以最低的成本实现仪器的小型化 15 , 16 。这些组件已被优化用于微电子应用和制造，在许多不同的配置，一些研究发现，合适的可以满足实验要求。结合微电极，设备的精度和灵敏度可实现跟传统的台式电化学分析仪 比较 16 , 17 。大多数便携式电池供电设备的主要要求是能耗低，成本低、体积小 18 。考虑到这些和其他商务因素如生命周期长、生产简单，我们设计了一个强大的定制微控制器的小型电化学检测系统（miniec）。像其他的生物传感系统，如葡萄糖传感器，该miniec有两个部分。它包括一个一次性的微流体墨盒包装的安培传感器和一个由嵌入式系统供电的传感器和测量，显示和存储传感器的结果。本文致力于嵌入式系统的设计并讨论了各种设计的合理性。2 硬件设计2.1 传感器这份出版物的传感器是以前在我们的实验室里发现的，由一个交叉微电极阵列（IDUA）传感器嵌入在微通道组成19,20。一个艾杜糖醛酸的一对由微电极阵列网格相互。每个阵列包含420个微电极。微电极2.5微米宽，1000微米长，微电极间距4.5微米宽。在电流设置，IDUA可作为一个电极系统，由于一个小的压降，提高了信号的信噪比，由于小尺寸和扩散模式，跟其他地方描述的一样非常适合氧化还原循环反应19。2.2 微控制器微控制器（单片机）在系统中是一个微型计算机执行程序的行为定义miniEC。一个被选择的单片机能够满足系统miniEC计算速度，功耗低，开发工具，设计灵活性和低成本等要求。四大单片机的家庭结构，AVR单片机，PICmicro，MSP430与MC68HC11 / 12，是由ATmega128L进行对比评价（ATMEL，San若泽，加利福尼亚），piclf452（微芯公司，钱德，亚利桑那州），MSP430F449（德克萨斯仪器，达拉斯，德克萨斯）andmc9s12c64（飞思卡尔半导体，奥斯汀，德克萨斯）的微控制器，当时认为是每个家庭的代表所提供的特性。MSP430F449被选中是因为它有最好的低功耗，低漏电流，事件驱动能力和低功耗外设的便携式电池供电运行综合选择。表1显示了单片机最重要的子集的特征比较。表 1 微控制器的比较在所设想的应用中，单片机将其大部分时间在空闲模式与活动的周期性爆发时信号进行测量，因此，在空闲模式下，引脚漏电功耗是确定一个工作在低功率预算的最重要的特征。在空闲模式下运行的电流消耗，MSP430微控制器是比其他低一个数量级。MSP430还具当前的PIN泄漏最低和电流消耗少的特点。它支持六种供电模式，使低功耗优化。此外，MSP430特征之间的功率模式切换速度最快。它可以在6微秒内从空闲模式切换到完全同步高速主动模式操作。在MCU里中断的数量和类型还影响电流消耗和运行效率。更多的中断意味着CPU没有监测或调查事件。相反，它仍然闲置直到中断它的主动模式。MSP430具有至少40个中断。所有的集成外部设备设有中断，有些有多中断控制不同事件。其总的十六个输入输出引脚也有中断响应外部事件的能力。图1显示了一个采用MSP430系统的框图设计。为了保持构件数低，微控制器的外设被广泛使用。这最大限度地减少成本，使设备保持紧凑。四个按钮和一个液晶显示器（LCD）形成一个简单的菜单驱动的用户界面。四按钮标记的停止，进入，上下连接到单片机的端口1。每次其中一个按钮被按下就会产生一个中断电压。他们对miniEC的功能和作用是通过软件定义（见3节）。液晶是低功率4-mux SBLCDA2 (SoftBaugh, Alpharetta, GA）专门与MSP430微控制器一起工作。它是用来直观地确定设备的操作， miniEC在空闲模式运行测试并显示结果。MSP430有车载液晶驱动程序并有能力驱动液晶直接通过引脚S0到S39。板上闪存也用于数据存储。这个项目的MSP430F449的60 KB的内存划分为40 kb数据存储器和20 kb的程序存储器。RS-232串行接口与TX和RX引脚的USART模块实现。默认情况下，程序运行在9600 bps使用8位和1个停止位无奇偶校验字节大小。串行块用amax3221设置（maximintegrated产品，桑尼维尔，CA）来达到必要的水平连接到PC 21。图 1 基于MSP430 miniec系统框图2.3 恒电位仪放大器和滤波块（图1）一起形成一个二电极电位。图2显示了恒电位仪的原理图。该电路由低功耗低噪声的max407运算放大器组成（马克西姆综合产品）。每个运放（U1A，U1B，U2）在空转时显示1A，其他时候显示2A。MAX407运算放大器有两个特点，一个非常高的输入阻抗和一个典型的低输入偏置电流（小于0.01NA），使得恒电位仪有一个理想的操作环境。IDUA连接到U1B的输出端和u1c的反相输入端。运算放大器的操作要求：它的输入（标记+和-）必须在一个等电位。U2的正端接地。U2的负输入意味着一套IDUA电极也有地电势。另一端电极保持接通。没有电流流入运放本身，因此测得的流过电流反馈电阻R的电流是氧化还原反应产生的。给IDUA传感器的激发潜能是由一个PWM信号滤波通过一个单一的极RC滤波器创造（由单片机定时器产生B）。由此产生的电位在连接到IDUA之前由运算放大器进行缓冲和的反向。电位的产生取决于PWM占空比的值。100%的工作周期代表着2500 mv电位。用户可以更改为试验所用的溶液中的电化学物种优先氧化还原电位。图 2 模拟块显示miniec两电极恒电位设置示意图。传感器电位与过滤的PWM信号由单片机产生。传感器电流与跨阻放大器测量并发送给单片机的ADC周围被记录来自传感器的信号是在NA范围很小的电流，因此，它有必要放大并转换成电压范围（02500mv），使得单片机的模拟数字转换可以测量。这是由跨阻放大器电路实现的（图3）。基于欧姆定律，放大器增益的运放是由u1c反馈回路的电阻值决定的。1 nA电流经过2M的电阻形成2mv的电压，所以miniEC能够测量从0到1250 Na的电流范围。此外，该放大器可通过更换一系列的电阻器和一个数字控制开关实现可编程化，如MAX4652，可变增益选择。图 3 miniec电源模块 2.4 电源因为miniEC的低功率元件的操作范围内（1.83.6V）与一个2AA寿命一致，2AAA电池组或单3V电池，所以miniEC可以通过一个电池组直接运行。一个电压补偿调节器管理电池电压为了电池线性放电曲线，无论变电流的要求给miniEC电路提供了一个恒定电压。因为这个目的德克萨斯仪器TPS60310高效率电荷泵被选中。TPS60310从0.9至1.8V的输入电压产生调节3V的输出电压，从而降低电池需求至一节AA或AAA电池（图3）。在“睡眠状态”只有2A静态电流，但可以对其余的电路供应2mA的电流。两个毫安是足以满足大多数的miniEC操作。单片机可能需要超过2mA随时应对某些事件如闪速存储器写入数据。超过2mA阈值导致TPS60310自动退出睡眠模式提供高达20mA的需求。高需求事件之后，单片机给TPS60310一个逻辑低电平睡眠输入信号使TPS60310进入睡眠状态。一个max1044（马克西姆综合产品）逆变器是用来给模拟滤波器的数字电路产生一个负电源-VCC，由于运算放大器电路需要正、负电源供能将PWM信号传递到IDUA电位（图2）。3 软件由于创新在微电子技术的步伐，预计新的，更快、更好的微程序控制器经过最初选择过程后将会出现在每个家庭里。因此，以确保新的MSP430 MCU固件或不同的MCU家庭的可移植性，嵌入式软件是协会的免费工具链写在C上。固件程序逻辑是事件驱动。单片机程序运行在低功耗模式3（LPM3或空闲模式）直到事件把通过唤醒CPU活动模式（图4）。一旦单片机完成与事件相关的行动，单片机就返回到待机模式。图 4 单片机程序流程图 5 miniEC主回路状态图在启动时，单片机编程初始化程序变量如数据存储的位置，时间和默认值。基本定时器作为一个实时时钟脉冲，它每秒建立一个中断。1端口设置为按钮的中断输入接口。2端口和定时器B都建立了PWM输出。液晶控制，ADC和USART也被启用。安装后，所有的中断使能。然后进入单片机主程序循环，在逻辑上实现了一个有限状态机。图5显示了状态和事件的关系而导致的miniEC从一个状态过渡到另一个状态。用户通过按下四个按钮之一或通过发送模拟按键事件通过串行连接的命令操作装置。主回路开始在空闲状态。在这种状态下，除了基本定时器所有外围设备都断电。时间更新并用LCD显示。按回车对接发送系统进入准备状态。单片机激活所有必要的外围设备（PWM，ADC）并检查他们是否工作正常。这也决定了是否有足够的内存来存储可用的数据。如果一切都通过控制， “准备”的消息将显示在屏幕上。当用户再次按下Enter按钮时，记录开始。在录音开始的时候，时间被记录，一个文件夹被打开用以持续记录结果。在每个时间间隔，所记录的数据将显示在液晶显示器并复制存储（或转移到PC）。在测量持续时间结束或者用户按下“停止”按钮，miniEC关闭数据文件并进入暂停状态。从这个状态，用户可以启动另一个测量或返回到空闲状态。无论在准备或者暂停状态，5min无所事事系统将恢复到空闲状态。在选择状态，用户可以通过循环变量更新时间，并改变电化学测量设置。默认情况下，单片机编程来执行（DCPA）测量直流电流。可用于DCPA的潜在的范围是从0到2500mv步骤10mV。有效区间范围可从1至60秒步骤1秒，持续时间可以设置从1分钟到24 h。数据的存储量受选定的时间间隔限制。在1分钟的时间间隔值10天的数据可以被存储，而在1秒的间隔只有4.5小时的数据可以存储。如果miniEC数据存储器满了，测量仍然可以观看或传送。miniEC不会自动删除任何文件。相反，用户会被液晶显示屏通知存储已满和在方便时提示删除文件。每个记录过的文件分配一个数字ID。在登录状态，用户可以删除文件或使用向上/向下按钮循环通过文件来查看记录的每一个峰值信号的值。各种各样的策略被使用以实现固件的低功耗运行和优化性能。一个例子是，过采样和平均传感器信号的软件滤波的实现。对于每个时间间隔，ADC需要256次逐次读数和记录平均值。4各因素增加了1位分辨率和由6分贝 22 的一个因素以测量和提高资料的信噪比。因此，这个简单的技术大大提高了信噪比，有效地提高了ADC的分辨率从12位到16位而不增加额外元件和费用。此外，ADC采样和转换信号时CPU被禁用。快速的处理速度是通过保持系统在LPM0来保持的，空闲模式和活动模式之间的中间低功耗模式的功率消耗小于使用主动模式的五分之一。单片机是完全活跃，从而消耗功率最主要还是在测量和存储传感器数据所需要几毫秒的平均间隔。MSP430是以人类可读的ASCII格式传输串行数据。这使得输出量方便被查看和被任何终端程序如HyperTermi nal (on Microsoft Windows)，ZTerm (on MacOs) o或者 Minicom (on Linux/Unix)等捕抓。一个图形用户界面的提供（图6）简化了miniEC通信，并提供实时视觉监控和图形数据趋势的机会。此外，用户可以用熟悉的用户友好的界面进行系统设置。这样的miniEC系统包括一个小的跨平台的具有免费WxPython工具包的接口。图 6 miniEC图形用户界面截图图 7 miniEC仪表原型的照片4 讨论miniEC（图7）用于技术和非技术用户的电化学测量。因此它的使用不需要任何特殊的技术。四键键盘和液晶显示器提供了一个易于使用的界面（图4）。默认情况下，它被设置为执行直流电流电位安培（DCPA）的实验，但可以很容易编程以执行其他电化学测试。随着40DCPA设置为潜在的400mv，1分钟的时间间隔和1秒的采样测试时间，估计的平均电流消耗为2.5 mA。在这种情况下，一个额定电流1000毫安的AAA电池miniEC可以在1秒的间隔内连续运行2周。在一个miniEC是间歇性使用的典型情况下，例如总时间在默认配置的一天2小时的情况下，一个单一的AAA电池可以运行至少6个月。大多数的选定的minieEC电子部件额定表现在40到85C范围内。因此他们工作的工业温度范围是以最小的偏差在070C内典型没有额外温度补偿电路的大众市场的商业设备。目前的设计和实施后，德克萨斯仪器发布了专为便携式医疗应用设计的MSP430FG439。MSP430FG439有三个集成可编程增益放大器以模拟读数并在一个12位的DAC从0到2500mv产生电位。它也支持无需CPU介入操作直接存储器存取数据。除了这些增强的功能，它和MSP430F449相同。以上所述的单片机固件被成功地移植到新的芯片以利用新的外设，从而验证我们的miniEC仪表开发方法，因为这种方法会使一系列的设备，从这里描述的基本miniec功能发展而来。设备可以做的更小或功能可以被添加到创建具有更多功能的豪华版。即使以MSP430F449，仍有很多目前正在调查的渐进式改进。例如ADC端口，有八个输入端。因此，随着传感器硬件的增加和嵌入式软件的轻微修改，miniEC可以同时监控多达八个样品。存储容量可以通过串行存储器芯片、单片机的串行外设接口发展。系统的灵活性并不仅限于硬件体系结构。有限状态机的miniEC的主回路算法是实现控制逻辑的一种非常有效的方式。有限状态机代码使用状态字节和快速查找表，以减少CPU开销。该系统的行为是由状态转换具有良好定义的条件的状态和行为来总结。给定一组输入和一个已知的当前状态，状态转换是可以预测的，允许简单的系统仿真与试验。该技术还鼓励模块化设计，从而在未来简化了固件升级。miniEC的精确是通过一个工业标准台式电化学工作站在静态和动态的DCPA直接检测实验的氧化还原钾铁氰化物 17 比较其性能来评价的。在这两组实验中，廉价的miniEC性能更适合电化学工作站。事实上， miniEC与实验室工作台系统浓度标准低10倍的铁氰化物结合可以达到0.01M的检测极限。实验是在静态模式（即静滴）和动态模式（即在一个微流体通道中流动）下完成的。miniEC的响应时间是在所有情况下都非常类似于台式电化学工作站的精致的响应时间。在静态模式， miniec系统得到的通常是更好的百分比误差（除了对信号的纯缓冲分别为1.80.5和20.5 NA的miniec和台式恒电位仪，分别是11和2%之间），根据检测浓度（0.0150m）与miniec，在19和7%之间的台式仪器。在动态实验的情况下，百分比误差与台式系统（0.6和3.8%之间）比与miniec（1和6%之间）更好。因此得出结论，如参考文献 17 所描述，miniec是一个有用的传感器和探测器作为检测登革病毒RNA 的一个完整的生物传感器测定系统。5 结论我们提出的miniEC是一个电子电器，它设计成了一个集成记录和数据处理的便携式电化学转导系统。它有可能取代传统电器设置中的电极、电化学恒电位仪和计算机系统。将廉价、低功耗、功能强大和高效的MSP430单片机和其他一些精心挑选的低功率元件共同使用的设计成果，可以在一个单一的AA或AAA电池运行一个月。同时，强调低成本导致现成组件为最小数目的一个简单的设计，它的原型数量总花费不超过50美元。无论是硬件和软件设计都是通用、模块化、灵活的。微控制器可以编程来执行不同的电化学测试，为使用者提供一个完全集成的微型电化学系统。这里描述的应用在直流电位计时电流实验中只使用了单片机的一小部分能力。复杂的MSP430也可以控制许多额外的部件（例如泵执行器），也可以执行其他功能，比如在未来原型中复杂的电化学信号的数字信号处理。致谢作者从一些人那里得到了很多有用并受益匪浅的讨论，感谢生物技术公司的Richard Montagna博士、康奈尔大学的Richard Durst博士、和康奈尔大学的Stefan Minot。我们也感谢生物与环境工程系、康奈尔大学、政府合作研究院、教育和推广服务为该项目提供的财政支持（nyc-123404）。参考文献1 R.H. 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