《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PLL的高靈敏度自校準(zhǔn)液面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2014年微型機(jī)與應(yīng)用第24期
劉 雄,林茂松,梁艷陽(yáng)
(西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽(yáng) 621010)
摘要: 針對(duì)高速醫(yī)療檢測(cè)儀器對(duì)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)首先通過(guò)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(cè)算法實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)功能。實(shí)驗(yàn)表明,該液面檢測(cè)系統(tǒng)中MCU輸出的液面檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)之間的延遲約為1.6 ms;同時(shí)能兼容樣本針與試劑針液面檢測(cè)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(dòng)生化分析儀的臨床檢驗(yàn)要求。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對(duì)高速醫(yī)療檢測(cè)儀器對(duì)高靈敏和較強(qiáng)自適應(yīng)能力的需求,提出一種基于PLL自校準(zhǔn)液面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)首先通過(guò)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(cè)算法實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)功能。實(shí)驗(yàn)表明,該液面檢測(cè)系統(tǒng)中MCU輸出的液面檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)之間的延遲約為1.6 ms;同時(shí)能兼容樣本針與試劑針液面檢測(cè)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(dòng)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(cè)

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(cè)儀器迅速?gòu)陌胱詣?dòng)向全自動(dòng)發(fā)展,并逐漸從低速向高速過(guò)渡。交叉污染是醫(yī)療檢測(cè)儀器的一個(gè)重要指標(biāo),液面檢測(cè)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(duì)液面檢測(cè)的靈敏度提出了更高的要求,同時(shí)由于通常醫(yī)療檢測(cè)儀器的樣本針和試劑針的粗細(xì)不一致,而且無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)的準(zhǔn)確度,但沒(méi)有解決探針粗細(xì)不一致的問(wèn)題;參考文獻(xiàn)[5]提出基于灰度預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)算法以提高液面檢測(cè)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(duì)上述靈敏度不夠,自適應(yīng)能力不強(qiáng)的問(wèn)題,本文提出了一種基于鎖相環(huán)電路(PLL)的液面檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案通過(guò)PLL電路將探針電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化,經(jīng)信號(hào)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(méi)有接觸液面時(shí)),以兼容試劑針液面檢測(cè)系統(tǒng)和樣本針液面檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)


001.jpg

  液面檢測(cè)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(hào)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(shí)鐘、復(fù)位、基準(zhǔn)源、MCU、信號(hào)輸出等電路,主要完成對(duì)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(cè)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(cè)電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)。其中,檢測(cè)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(hào)處理電路主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電路輸出信號(hào)的隔離與可控增益放大。

  2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

  檢測(cè)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(hào)作為PLL芯片的參考時(shí)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(hào))輸出到信號(hào)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(cè)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(guò)程如下:

 ?。?)確定C1、R2參數(shù)

  由于fmin=fo-fL=375 kHz-345 kHz=30 kHz,同時(shí)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)

  ~IK7LL2QRS`VTSFZ72IM][W.jpg

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  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(guò)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(gè)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(hào)處理電路設(shè)計(jì)

  信號(hào)處理電路以MCU(ADUC814)為核心,首先將SIN_AMP信號(hào)經(jīng)隔離緩沖、可控增益放大后(即ANALOG信號(hào))交由MCU處理,然后MCU通過(guò)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(cè)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

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  信號(hào)處理電路如圖4所示,U5B為電壓跟隨器,用于信號(hào)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(guò)SPI接口控制,用于增益調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

  液面檢測(cè)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(cè)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(duì)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(shí),VCIN電壓會(huì)升高,所以為保證大的動(dòng)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(huì)隨之減小,VCIN電壓也會(huì)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(shí),液面檢測(cè)能獲得較好效果。為此,本設(shè)計(jì)引入自校準(zhǔn)算法,通過(guò)調(diào)整R2參數(shù)來(lái)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。

005.jpg

  在執(zhí)行自校準(zhǔn)的過(guò)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(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟:

 ?。?)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;

  (2)逐級(jí)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器,每次調(diào)節(jié)后,需等待PLL鎖定(時(shí)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;

  (3)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(guò)比較差值的絕對(duì)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(jí);

  (4)調(diào)節(jié)完成后,需對(duì)SIN_AMP電壓持續(xù)測(cè)量3次,判斷電壓輸出偏差是否小于0.3 V。如果通過(guò)測(cè)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(guò)限制次數(shù)(3次),表明自校準(zhǔn)過(guò)程失敗。

  3.2 自適應(yīng)液面檢測(cè)

  不同類型的探針在接觸液面時(shí)單片機(jī)采集到的AD值有較大差異,僅通過(guò)比較采集到的AD值與固定閾值之間的大小關(guān)系來(lái)確定是否接觸液面,其檢測(cè)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(guò)采集到的AD值與高低閾值之間的相對(duì)關(guān)系來(lái)對(duì)自動(dòng)調(diào)整液面檢測(cè)算法,以達(dá)到提高檢測(cè)精度的目的。

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  在圖6所示的自適應(yīng)液面檢測(cè)流程圖中,液面檢測(cè)系統(tǒng)首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化,該初始化過(guò)程包括MCU部分外設(shè)初始化、液面檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)初始化、液面檢測(cè)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(duì)關(guān)系來(lái)自動(dòng)調(diào)整液面檢測(cè)算法,當(dāng)AD值大于高閾值時(shí),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(shí),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(cè)結(jié)果并做出錯(cuò)處理。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

  4.1 靈敏度分析


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  設(shè)置軟件使得液面檢測(cè)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(cè)試500次。典型測(cè)試波形如圖7所示,其中通道2為液面檢測(cè)系統(tǒng)輸出的液面檢測(cè)信號(hào)(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(hào),即圖2中的SIN_AMP信號(hào)。由典型波形可見(jiàn),MCU輸出的液面檢測(cè)信號(hào)與檢測(cè)電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)之間的延遲約為1.6 ms,具有較高的靈敏度。

  4.2 液面檢測(cè)自適應(yīng)能力分析

  由于無(wú)法直接驗(yàn)證液面檢測(cè)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力,目前只能通過(guò)探針插入液面深度的一致性來(lái)驗(yàn)證。將本文設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)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(cè)精度,實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)50根粗針(試劑針)和50根細(xì)針(樣本)進(jìn)行測(cè)試,且每根針測(cè)試300次,用以驗(yàn)證液面檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性與自適應(yīng)能力。

008.jpg

  實(shí)驗(yàn)表明,100根探針在300次的測(cè)試中都能準(zhǔn)確檢測(cè)到液面,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度。在表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù)中,樣本針測(cè)試和試劑針測(cè)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(shuō)明本文設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)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(cè)試中,插入液面深度最大誤差為0.27 mm;在所有試劑針的測(cè)試中,插入液面深度最大誤差為0.37 mm。同時(shí),臨床實(shí)驗(yàn)表明,0.37 mm的誤差能夠滿足儀器對(duì)液面檢測(cè)系統(tǒng)的要求,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的液面檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)與試劑液面檢測(cè)系統(tǒng)不兼容的問(wèn)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(cè)系統(tǒng)的靈敏度,使得VCIN的輸出與MCU輸出的液面檢測(cè)信號(hào)之間延遲僅為1.6 ms;同時(shí)采用自校準(zhǔn)算法,增強(qiáng)了液面檢測(cè)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(wèn)題;最后結(jié)合自適應(yīng)算法較大程度地提高了液面檢測(cè)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(cè)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(cè)的智能液面探測(cè)技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2013,28(11):131-132.

  [2] 紀(jì)偉國(guó).AU5400生化儀液面探測(cè)原理分析[J].中國(guó)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(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(6):48-49.

  [4] 曾柏杞,歐陽(yáng)紅林,蘇深廣,等.基于自適應(yīng)算法的液面檢測(cè)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(cè)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.


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