摘  要： 針對高速醫(yī)療檢測儀器對高靈敏和較強(qiáng)自適應(yīng)能力的需求，提出一種基于PLL的自校準(zhǔn)液面檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)首先通過PLL電路將探針電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，然后采用自校準(zhǔn)算法調(diào)節(jié)PLL芯片VCIN的靜態(tài)工作電壓，最后結(jié)合自適應(yīng)檢測算法實(shí)現(xiàn)液面檢測功能。實(shí)驗(yàn)表明，該液面檢測系統(tǒng)中MCU輸出的液面檢測信號與檢測電路產(chǎn)生的輸出信號之間的延遲約為1.6 ms；同時能兼容樣本針與試劑針液面檢測系統(tǒng)，且所有探針的插入液面深度最大誤差僅為0.37 mm，滿足全自動生化分析儀的臨床檢驗(yàn)要求。

　　關(guān)鍵詞： PLL；高靈敏度；自校準(zhǔn)；自適應(yīng)；液面檢測

0 引言

　　隨著生物技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療檢測儀器迅速從半自動向全自動發(fā)展，并逐漸從低速向高速過渡。交叉污染是醫(yī)療檢測儀器的一個重要指標(biāo)，液面檢測系統(tǒng)的靈敏度越高，探針與液體的接觸面就越小，交叉污染也就越小。高速儀器對液面檢測的靈敏度提出了更高的要求，同時由于通常醫(yī)療檢測儀器的樣本針和試劑針的粗細(xì)不一致，而且無法保證同類型探針電容的一致性，因此很有必要設(shè)計(jì)一套適用于高速儀器的具有自適應(yīng)能力的高靈敏度液面檢測系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)[1~3]均設(shè)計(jì)了基于振蕩電路的液面檢測系統(tǒng)，將探針的電容變化轉(zhuǎn)換為振蕩器輸出頻率的變化，但這些實(shí)現(xiàn)方案靈敏度均不高，不適用于高速儀器；參考文獻(xiàn)[4]采用自適應(yīng)算法提高液面檢測的準(zhǔn)確度，但沒有解決探針粗細(xì)不一致的問題；參考文獻(xiàn)[5]提出基于灰度預(yù)測的動態(tài)算法以提高液面檢測的精度和可靠性，但該算法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，難以在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

　　針對上述靈敏度不夠，自適應(yīng)能力不強(qiáng)的問題，本文提出了一種基于鎖相環(huán)電路（PLL）的液面檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案通過PLL電路將探針電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)信號處理電路后，采用自校準(zhǔn)算法調(diào)整PLL壓控振蕩器（VCO）的輸入壓控電壓（VCIN）的靜態(tài)工作點(diǎn)（即沒有接觸液面時），以兼容試劑針液面檢測系統(tǒng)和樣本針液面檢測系統(tǒng)，最后結(jié)合自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高可靠性的自校準(zhǔn)液面檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　液面檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，分為模擬電路和數(shù)字電路兩部分，模擬電路以PLL電路為核心，數(shù)字電路以單片機(jī)（MCU）為核心。模擬部分包括振蕩及分頻、雙管探針、PLL及信號處理等電路，用于實(shí)現(xiàn)電容變化到電壓變化的高靈敏度轉(zhuǎn)換；數(shù)字部分包括時鐘、復(fù)位、基準(zhǔn)源、MCU、信號輸出等電路，主要完成對模擬部分的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的液面檢測功能。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)部分主要包括檢測電路設(shè)計(jì)和信號處理電路設(shè)計(jì)。其中，檢測電路主要實(shí)現(xiàn)電容變化到電壓變化的高靈敏度轉(zhuǎn)換；信號處理電路主要實(shí)現(xiàn)檢測電路輸出信號的隔離與可控增益放大。

　　2.1 檢測電路設(shè)計(jì)

　　檢測電路以PLL芯片為核心[6]，首先將6 MHz晶振經(jīng)計(jì)數(shù)器（HEF4024）分頻產(chǎn)生的375 kHz信號作為PLL芯片的參考時鐘輸入；然后將探針電容作為PLL芯片的RC振蕩電路的一部分接入電路；最后將VCIN經(jīng)低通濾波器（LP）和隔直處理后（即SIN_AMP信號）輸出到信號處理電路。

　　PLL芯片（HEF4046）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，為使PLL芯片正常工作，需配置圖中的C1、R1和R2參數(shù)。由前期的液面檢測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，中心頻率fo=375 kHz，頻率偏移fL=30 kHz，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]可確定C1、R1、R2的參數(shù)，其過程如下：

　?。?）確定C1、R2參數(shù)

　　由于fmin=fo-fL=375 kHz-345 kHz=30 kHz，同時根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]中的圖7，可得C1約為92 pF，根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]中的圖8，可得R2約為62 k?贅。

　?。?）確定R1參數(shù)

　　本設(shè)計(jì)中使用的實(shí)際電路如圖3所示。C1參數(shù)在圖3中包括電容值為56 pF的C8和探針電容（通過J1接入電路），R2參數(shù)在圖3中包括電阻值為33 kΩ的R6和一個最大電阻為50 kΩ的電阻數(shù)字電位器U4。R1參數(shù)在圖3中即是電阻值為649 kΩ的R7。

　　2.2 信號處理電路設(shè)計(jì)

　　信號處理電路以MCU（ADUC814）為核心，首先將SIN_AMP信號經(jīng)隔離緩沖、可控增益放大后（即ANALOG信號）交由MCU處理，然后MCU通過SPI接口控制PLL芯片的R2參數(shù)，實(shí)現(xiàn)PLL靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整，將其穩(wěn)定在3.5 V，以提高液面檢測系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

　　信號處理電路如圖4所示，U5B為電壓跟隨器，用于信號采集；U5A是固定增益放大電路；U7為數(shù)字電位器，可由MCU通過SPI接口控制，用于增益調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　液面檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括自校準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)（即VCIN靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)）和自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)（即液面檢測整體流程）。

　　3.1 自校準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)

　　為使鎖相環(huán)芯片對設(shè)定的頻率范圍進(jìn)行正常鎖定，要求壓控振蕩器的輸入電壓（VCIN）在一定的范圍內(nèi)，且當(dāng)探針接觸液面時，VCIN電壓會升高，所以為保證大的動態(tài)范圍，VCIN應(yīng)盡可能低。然而，隨著環(huán)境溫度的降低，探針電容會隨之減小，VCIN電壓也會降低。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，當(dāng)VCIN約為3.5 V時，液面檢測能獲得較好效果。為此，本設(shè)計(jì)引入自校準(zhǔn)算法，通過調(diào)整R2參數(shù)來補(bǔ)償因探針電容不一致而導(dǎo)致的VCIN靜態(tài)工作點(diǎn)的變化，將其穩(wěn)定在3.5 V，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，達(dá)到兼容探針電容的變化目的。

　　在執(zhí)行自校準(zhǔn)的過程中，需調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益為1。在圖5所示的自校準(zhǔn)流程中，自校準(zhǔn)過程主要分為以下幾個步驟：

　　（1）將采集的SIN_AMP電壓值和目標(biāo)值作比較，根據(jù)偏差的正負(fù)確定數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)方向；

　?。?）逐級調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，每次調(diào)節(jié)后，需等待PLL鎖定（時間為0.01 ms）后才能再次采集SIN_AMP電壓，直到其與目標(biāo)值的偏差改變極性為止；

　?。?）最優(yōu)調(diào)節(jié)結(jié)果必定為本次設(shè)定值和上次設(shè)定值之一，通過比較差值的絕對值即可做出決定，如果上次設(shè)定值更優(yōu)，則將數(shù)字電位器回調(diào)一級；

　　（4）調(diào)節(jié)完成后，需對SIN_AMP電壓持續(xù)測量3次，判斷電壓輸出偏差是否小于0.3 V。如果通過測試，則自校準(zhǔn)成功結(jié)束；否則重新調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，直至超過限制次數(shù)（3次），表明自校準(zhǔn)過程失敗。

　　3.2 自適應(yīng)液面檢測

　　不同類型的探針在接觸液面時單片機(jī)采集到的AD值有較大差異，僅通過比較采集到的AD值與固定閾值之間的大小關(guān)系來確定是否接觸液面，其檢測精度顯然不夠。在本設(shè)計(jì)中，引入了自適應(yīng)控制算法，其通過采集到的AD值與高低閾值之間的相對關(guān)系來對自動調(diào)整液面檢測算法，以達(dá)到提高檢測精度的目的。

　　在圖6所示的自適應(yīng)液面檢測流程圖中，液面檢測系統(tǒng)首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化，該初始化過程包括MCU部分外設(shè)初始化、液面檢測系統(tǒng)參數(shù)初始化、液面檢測系統(tǒng)自校準(zhǔn)等。然后根據(jù)MCU采集到的AD值與高低閾值之間的相對關(guān)系來自動調(diào)整液面檢測算法，當(dāng)AD值大于高閾值時，采用閾值法（連續(xù)3次AD值大于高閾值可確認(rèn)接觸到液面）；當(dāng)AD值介于低閾值和高閾值之間時，采用斜率法（連續(xù)3次AD值斜率大于斜率閾值可確認(rèn)接觸到液面）。最后輸出探測結(jié)果并做出錯處理。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　4.1 靈敏度分析

　　設(shè)置軟件使得液面檢測系統(tǒng)工作在等待接觸液面狀態(tài)，之后手持裝有水的試管，令針尖迅速接觸液面，采用同樣的方法測試500次。典型測試波形如圖7所示，其中通道2為液面檢測系統(tǒng)輸出的液面檢測信號（接觸液面輸出高電平，未接觸液面輸出低電平），通道1為模擬液面信號，即圖2中的SIN_AMP信號。由典型波形可見，MCU輸出的液面檢測信號與檢測電路產(chǎn)生的輸出信號之間的延遲約為1.6 ms，具有較高的靈敏度。

　　4.2 液面檢測自適應(yīng)能力分析

　　由于無法直接驗(yàn)證液面檢測系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，目前只能通過探針插入液面深度的一致性來驗(yàn)證。將本文設(shè)計(jì)的液面檢測系統(tǒng)放在項(xiàng)目搭建的原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行以驗(yàn)證其檢測精度，實(shí)驗(yàn)中分別對50根粗針（試劑針）和50根細(xì)針（樣本）進(jìn)行測試，且每根針測試300次，用以驗(yàn)證液面檢測系統(tǒng)的可靠性與自適應(yīng)能力。

　　實(shí)驗(yàn)表明，100根探針在300次的測試中都能準(zhǔn)確檢測到液面，說明本文設(shè)計(jì)的液面檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度。在表1所示的測試數(shù)據(jù)中，樣本針測試和試劑針測試的插入液面深度最大誤差的差值分別為0.5 mm和0.6 mm，差值較小表明一致性較好。說明本文設(shè)計(jì)的液面檢測系統(tǒng)針對同種類型的探針具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力。在所有樣本針的測試中，插入液面深度最大誤差為0.27 mm；在所有試劑針的測試中，插入液面深度最大誤差為0.37 mm。同時，臨床實(shí)驗(yàn)表明，0.37 mm的誤差能夠滿足儀器對液面檢測系統(tǒng)的要求，說明本文設(shè)計(jì)的液面檢測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，較好地解決了因樣本針與試劑針電容差異所導(dǎo)致的樣本液面檢測系統(tǒng)與試劑液面檢測系統(tǒng)不兼容的問題。

5 結(jié)論

　　本文采用PLL電路將探針電容變化轉(zhuǎn)換為VCIN電壓變化，提高了液面檢測系統(tǒng)的靈敏度，使得VCIN的輸出與MCU輸出的液面檢測信號之間延遲僅為1.6 ms；同時采用自校準(zhǔn)算法，增強(qiáng)了液面檢測系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，較好地解決了樣本針、試劑針的探針電容不一致的問題；最后結(jié)合自適應(yīng)算法較大程度地提高了液面檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠性；從而實(shí)現(xiàn)了一套高靈敏度的具有較強(qiáng)自適應(yīng)能力的高可靠性液面檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 張智河，黃菊英.基于電容探測的智能液面探測技術(shù)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2013，28（11）：131-132.

　　[2] 紀(jì)偉國.AU5400生化儀液面探測原理分析[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2010，7（7）：52-55.

　　[3] 程劍鋒.基于單片機(jī)的接觸式液面檢測系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動化，2009（6）：48-49.

　　[4] 曾柏杞，歐陽紅林，蘇深廣，等.基于自適應(yīng)算法的液面檢測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（8）：94-96.

　　[5] Zhang Wenchang， Dong Mingli. Research on dynamic method of liquid level detect based on the probe type capacitance sensor[C]. 2012 AASRI Conference on Modeling， Identification and Control， 2012： 546-552.

　　[6] 張星原，龍偉，盧斌，等.一種高靈敏度液面探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其臨床應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（6）：72-74.

　　[7] HEF4046B product data sheet[EB/OL]. （2014-07-20）.http：//www.nxp.com/documents/data_sheet/HEF4046B.pdf.