莫小凡,王曉榮,儲(chǔ)震宇,胡上清,張進(jìn)明,王永響

(1.南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 211816；2.南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 211816；3.常州大學(xué),江蘇常州 213164)

0 引言

葡萄糖的傳統(tǒng)檢測(cè)方法有光學(xué)法和電化學(xué)法[1]。在諸多檢測(cè)方法中，電化學(xué)法中的酶電極法利用葡萄糖氧化酶作為生物識(shí)別原件與葡萄糖發(fā)生酶促反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)[2-3]。該方法因具有靈敏性高、選擇性好、易微型化等特點(diǎn)而得到廣泛研究和應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外多家公司基于這一方法研制了葡萄糖檢測(cè)儀,但國(guó)外儀器存在安裝成本高、易耗品采購(gòu)不便等問(wèn)題[4]。國(guó)內(nèi)儀器因?yàn)闄z測(cè)范圍窄,檢測(cè)前需要對(duì)檢測(cè)樣品進(jìn)行離心、稀釋,這一過(guò)程不僅延長(zhǎng)了檢測(cè)周期,同時(shí)也帶來(lái)了人為誤差。高效液相色譜法雖然檢測(cè)精確度高，但是完成一次檢測(cè)需要30 min，并且投資成本較高,因此眾多發(fā)酵廠仍然使用滴定法檢測(cè)葡萄糖。在滴定法中由于其他糖對(duì)葡萄糖的干擾導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、污染嚴(yán)重等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題,本文提供了一種操作簡(jiǎn)單、無(wú)需稀釋的葡萄糖檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案。

1 儀器總體設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

該分析儀在進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了用戶需求,并參考當(dāng)前主流分析儀器進(jìn)行功能方案設(shè)計(jì),盡量為用戶提供友好的交互界面和完善的功能選擇,儀器主要功能如圖1所示。

圖1 儀器主要功能

1.2 工作流程設(shè)計(jì)

儀器工作時(shí),攪拌電機(jī)帶動(dòng)樣品池內(nèi)的磁力轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),將檢測(cè)池內(nèi)待檢測(cè)樣品攪拌均勻,葡萄糖與葡萄糖氧化酶發(fā)生反應(yīng)，在生物傳感器電極間形成電流,電流通過(guò)信號(hào)線接至儀器信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波、放大、I-V轉(zhuǎn)換。調(diào)理后的信號(hào)被ADC采集到微控制器進(jìn)行軟件濾波和濃度值計(jì)算，處理完成后微控制器把電流值、濃度值、檢測(cè)時(shí)間等相關(guān)信息顯示在液晶屏幕上或傳給上位機(jī),同時(shí)保存信息至FLASH中供操作人員通過(guò)U盤獲取,儀器工作流程如圖2所示。

圖2 儀器工作流程

2 硬件電路設(shè)計(jì)

分析儀以STM32F407VGT6微處理器為控制芯片,該芯片主頻高達(dá)168 MHz,擁有豐富的ADC、I2C、SPI、定時(shí)器、串口等外設(shè)資源[5-6],可以滿足儀器功能設(shè)計(jì)需求。信號(hào)調(diào)理模塊利用電流高精度放大器LMP7721對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,采集信號(hào)范圍寬。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用MBRS256鐵電存儲(chǔ)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)永久保存。人機(jī)交互功能通過(guò)GL25U070AT804圖形液晶模塊實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)采用DRV8825芯片進(jìn)行精確控制。儀器主要硬件框架如圖3所示。

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

分析儀采用220 V、50 Hz工頻交流供電,為減小電磁干擾對(duì)傳感器信號(hào)的影響,電源轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)。使用金升陽(yáng)LH10-10D0524電源轉(zhuǎn)換模塊和FC-LX1D EMC濾波器分別獲取穩(wěn)定的24 V 和5 V直流電壓，使用ASM1117穩(wěn)壓芯片獲取3.3 V直流電壓,ADC基準(zhǔn)電源通過(guò)REF193精密電源芯片獲得。供電電路如圖4所示。

圖3 硬件框架

圖4 供電電路

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

目前微電流的典型檢測(cè)方法有開關(guān)電容積分法、運(yùn)算放大器法、場(chǎng)效應(yīng)管運(yùn)算放大器法[7-8]。該儀器設(shè)計(jì)時(shí)選擇了LMP7721精密運(yùn)算放大器加TLV2631恒電位電路的設(shè)計(jì)方案。LMP7721高精度放大器的輸入偏置電流最低可達(dá)3 fA,25 ℃時(shí)輸入偏置電流不超過(guò)20 fA，85 ℃時(shí)電流值不超過(guò)900 fA,125 ℃時(shí)則不超過(guò)5 pA，而且在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)輸入偏置電流都能保持在極低的水平。此外,這款放大器芯片的增益帶寬也極高,開環(huán)增益高達(dá)120 dB，可確保信號(hào)調(diào)整更為準(zhǔn)確。信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 控溫電路設(shè)計(jì)

為保證葡萄糖氧化酶的活性,儀器采用鉑電阻進(jìn)行溫度測(cè)量并對(duì)溫度進(jìn)行控制。鉑電阻測(cè)溫是將鉑電阻接入電橋,溫度變化會(huì)引起鉑電阻阻值變化,從而在電橋兩端產(chǎn)生壓差,通過(guò)測(cè)量壓差計(jì)算鉑電阻阻值,根據(jù)阻值采用查表法和內(nèi)插法計(jì)算溫度[9]?？販仉娐啡鐖D6所示。

圖6 控溫電路

2.4 GLCD顯示電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)GLCD顯示電路時(shí)，需在信號(hào)線和時(shí)鐘線加入串聯(lián)電阻,增加阻尼以減少導(dǎo)線電感的影響,并降低信號(hào)過(guò)沖的影響。GLCD工作電壓為5 V，通過(guò)SPI串行設(shè)備接口與主芯片通信。電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 GLCD顯示電路

2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用MB85RS256A鐵電存儲(chǔ)芯片，該芯片容量為256 Kbit,可存儲(chǔ)16 Bytes長(zhǎng)度的信息2 048條。FRAM保持?jǐn)?shù)據(jù)不需要周期性刷新,不易受到外界因素影響,具有非易失性的存儲(chǔ)特性。MB85RS256A芯片采用四線制SPI方式通信,電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 RT-Thread線程劃分

該儀器模塊較多,模塊間銜接要求嚴(yán)格,因此主程序需要合理規(guī)劃。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,協(xié)調(diào)各功能模塊,儀器基于RT-thread平臺(tái)進(jìn)行線程設(shè)計(jì)。RT-Thread是一款開源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),不僅提供線程創(chuàng)建與管理、線程間同步與通信、軟件定時(shí)器、I/O設(shè)備管理、異常與中斷、finsh shell等基本服務(wù),而且提供豐富的擴(kuò)展組件，如文件系統(tǒng)、輕型TCP/IP協(xié)議棧、SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬化VMM等。與傳統(tǒng)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS-Ⅱ以及FreeRTOS相比，RT-Thread具有開源、免費(fèi)、組件豐富等優(yōu)勢(shì)。主程序線程設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 主程序線程

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為高效地開發(fā)顯示界面,儀器采用STemWin圖形工具進(jìn)行界面開發(fā)。STemWin擁有豐富的小工具，能夠?qū)崿F(xiàn)按鈕、進(jìn)度條、編輯框、繪圖等功能。儀器在進(jìn)行界面設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了企業(yè)對(duì)于操作便捷、分級(jí)管理的需求,由此設(shè)計(jì)了多個(gè)界面，界面間可實(shí)現(xiàn)靈活切換。界面設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖10 界面設(shè)計(jì)

4 實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)部分首先對(duì)儀器檢測(cè)范圍進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)電化學(xué)工作站觀察儀器在檢測(cè)不同濃度樣品時(shí)的電流變化情況,分析了儀器線性檢測(cè)范圍。同時(shí)在真實(shí)發(fā)酵環(huán)境下與滴定法和高效液相色譜法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試,驗(yàn)證了該分析儀的精確性。最后對(duì)試用廠商反饋的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合,結(jié)果表明該儀器在真實(shí)工業(yè)環(huán)境中性能優(yōu)越。

4.1 儀器檢測(cè)范圍測(cè)試

為檢測(cè)儀器的濃度檢測(cè)范圍,每隔50 s向檢測(cè)池注入等體積的質(zhì)量濃度為30 g/L葡萄糖溶液,并將儀器采集到的電流信號(hào)送至電化學(xué)工作站進(jìn)行分析。觀察電流變化情況,并對(duì)前6次注入檢測(cè)液后的穩(wěn)定電流值做線性擬合,擬合結(jié)果如圖11所示。

圖11 響應(yīng)電流曲線

由圖11可以看出，儀器前6次注入溶液時(shí)穩(wěn)定電流階躍值相等，注入7次以后電流階躍值開始變小，分析可知該儀器的良好線性檢測(cè)范圍為0～180 g/L。目前工業(yè)生產(chǎn)中的葡萄糖濃度檢測(cè)需求在0～200 g/L之間,大部分集中在50～100 g/L之間,現(xiàn)有儀器檢測(cè)范圍在0～30 g/L之間，因此該儀器在檢測(cè)范圍上擁有較大優(yōu)勢(shì)。

4.2 儀器檢測(cè)精度測(cè)試

為了測(cè)試儀器的精確性,在發(fā)酵廠隨機(jī)抽取了10只發(fā)酵罐,分別用液相色譜法、滴定法和該葡萄糖分析儀對(duì)其中的發(fā)酵液進(jìn)行檢測(cè)，并分別計(jì)算葡萄糖儀器檢測(cè)值、滴定法檢測(cè)值與液相色譜檢測(cè)值的相對(duì)誤差,檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)表

分析表1中數(shù)據(jù)可知，葡萄糖儀器檢測(cè)結(jié)果比滴定法檢測(cè)值更精確,儀器法檢測(cè)結(jié)果與液相色譜檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差小于2%,且大部分小于1%，滿足發(fā)酵行業(yè)允許的2%相對(duì)誤差。此外，在一家制藥廠對(duì)某一發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),分別用高效液相色譜法和儀器法每隔30 min對(duì)葡萄糖濃度進(jìn)行檢測(cè),并將80組檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合，結(jié)果如圖12所示。

圖12 擬合曲線對(duì)比

從圖12中可以看出,儀器檢測(cè)結(jié)果與高效液相色譜法檢測(cè)結(jié)果曲線重合度較高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提供了一種基于STM32和生物傳感器的葡萄糖檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案,給出了主要軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)方案,并通過(guò)真實(shí)發(fā)酵液測(cè)試了儀器的檢測(cè)范圍、精確度等性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該分析儀檢測(cè)范圍寬、檢測(cè)精度高，并且樣品無(wú)需稀釋、操作便捷，較好地解決了現(xiàn)有葡萄糖分析儀存在的不足。