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)儀器迅速從半自動(dòng)向全自動(dòng)發(fā)展,，并逐漸從低速向高速過渡,。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(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)

　　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)

　　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(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,。

　　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(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,；

　?。?）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),；

　?。?）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(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(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，其通過采集到的AD值與高低閾值之間的相對(duì)關(guān)系來對(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,。

　　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

　　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,，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(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,。

　　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.