摘  要： 針對高速醫療檢測儀器對高靈敏和較強自適應能力的需求，提出一種基于PLL的自校準液面檢測系統設計。該設計首先通過PLL電路將探針電容的變化轉換為電壓的變化，然后采用自校準算法調節PLL芯片VCIN的靜態工作電壓，最后結合自適應檢測算法實現液面檢測功能。實驗表明，該液面檢測系統中MCU輸出的液面檢測信號與檢測電路產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，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要求。

　　關鍵詞： PLL；高靈敏度；自校準；自適應；液面檢測

0 引言

　　隨著生物技術和電子技術的發展，醫療檢測儀器迅速從半自動向全自動發展，并逐漸從低速向高速過渡。交叉污染是醫療檢測儀器的一個重要指標，液面檢測系統的靈敏度越高，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，同時由于通常醫療檢測儀器的樣本針和試劑針的粗細不一致，而且無法保證同類型探針電容的一致性，因此很有必要設計一套適用于高速儀器的具有自適應能力的高靈敏度液面檢測系統。

　　參考文獻[1~3]均設計了基于振蕩電路的液面檢測系統，將探針的電容變化轉換為振蕩器輸出頻率的變化，但這些實現方案靈敏度均不高，不適用于高速儀器；參考文獻[4]采用自適應算法提高液面檢測的準確度，但沒有解決探針粗細不一致的問題；參考文獻[5]提出基于灰度預測的動態算法以提高液面檢測的精度和可靠性，但該算法實現較為復雜，難以在單片機中實現。

　　針對上述靈敏度不夠，自適應能力不強的問題，本文提出了一種基于鎖相環電路（PLL）的液面檢測系統設計方案。該方案通過PLL電路將探針電容的變化轉換為電壓的變化，經信號處理電路后，采用自校準算法調整PLL壓控振蕩器（VCO）的輸入壓控電壓（VCIN）的靜態工作點（即沒有接觸液面時），以兼容試劑針液面檢測系統和樣本針液面檢測系統，最后結合自適應算法實現高靈敏度、高可靠性的自校準液面檢測系統設計。

1 系統方案設計

　　液面檢測系統的結構框圖如圖1所示，分為模擬電路和數字電路兩部分，模擬電路以PLL電路為核心，數字電路以單片機（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，用于實現電容變化到電壓變化的高靈敏度轉換；數字部分包括時鐘、復位、基準源、MCU、信號輸出等電路，主要完成對模擬部分的工作狀態調節，用于實現自適應的液面檢測功能。

2 硬件系統設計

　　硬件設計部分主要包括檢測電路設計和信號處理電路設計。其中，檢測電路主要實現電容變化到電壓變化的高靈敏度轉換；信號處理電路主要實現檢測電路輸出信號的隔離與可控增益放大。

　　2.1 檢測電路設計

　　檢測電路以PLL芯片為核心[6]，首先將6 MHz晶振經計數器（HEF4024）分頻產生的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）的內部結構框圖如圖2所示，為使PLL芯片正常工作，需配置圖中的C1、R1和R2參數。由前期的液面檢測實驗數據可得，中心頻率fo=375 kHz，頻率偏移fL=30 kHz，根據參考文獻[7]可確定C1、R1、R2的參數，其過程如下：

　　（1）確定C1、R2參數

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

　?。?）確定R1參數

　　本設計中使用的實際電路如圖3所示。C1參數在圖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的電阻數字電位器U4。R1參數在圖3中即是電阻值為649 kΩ的R7。

　　2.2 信號處理電路設計

　　信號處理電路以MCU（ADUC814）為核心，首先將SIN_AMP信號經隔離緩沖、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，實現PLL靜態工作點的調整，將其穩定在3.5 V，以提高液面檢測系統的自適應能力。

　　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為數字電位器，可由MCU通過SPI接口控制，用于增益調節。

3 軟件設計

　　液面檢測系統的軟件設計包括自校準算法的實現（即VCIN靜態工作點的調節）和自適應算法的實現（即液面檢測整體流程）。

　　3.1 自校準算法實現

　　為使鎖相環芯片對設定的頻率范圍進行正常鎖定，要求壓控振蕩器的輸入電壓（VCIN）在一定的范圍內，且當探針接觸液面時，VCIN電壓會升高，所以為保證大的動態范圍，VCIN應盡可能低。然而，隨著環境溫度的降低，探針電容會隨之減小，VCIN電壓也會降低。根據前期實驗數據可得，當VCIN約為3.5 V時，液面檢測能獲得較好效果。為此，本設計引入自校準算法，通過調整R2參數來補償因探針電容不一致而導致的VCIN靜態工作點的變化，將其穩定在3.5 V，以提高系統的自適應能力，達到兼容探針電容的變化目的。

　　在執行自校準的過程中，需調節可控增益放大器的增益為1。在圖5所示的自校準流程中，自校準過程主要分為以下幾個步驟：

　?。?）將采集的SIN_AMP電壓值和目標值作比較，根據偏差的正負確定數字電位器的調節方向；

　?。?）逐級調節數字電位器，每次調節后，需等待PLL鎖定（時間為0.01 ms）后才能再次采集SIN_AMP電壓，直到其與目標值的偏差改變極性為止；

　?。?）最優調節結果必定為本次設定值和上次設定值之一，通過比較差值的絕對值即可做出決定，如果上次設定值更優，則將數字電位器回調一級；

　?。?）調節完成后，需對SIN_AMP電壓持續測量3次，判斷電壓輸出偏差是否小于0.3 V。如果通過測試，則自校準成功結束；否則重新調節數字電位器，直至超過限制次數（3次），表明自校準過程失敗。

　　3.2 自適應液面檢測

　　不同類型的探針在接觸液面時單片機采集到的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系來確定是否接觸液面，其檢測精度顯然不夠。在本設計中，引入了自適應控制算法，其通過采集到的AD值與高低閾值之間的相對關系來對自動調整液面檢測算法，以達到提高檢測精度的目的。

　　在圖6所示的自適應液面檢測流程圖中，液面檢測系統首先執行系統初始化，該初始化過程包括MCU部分外設初始化、液面檢測系統參數初始化、液面檢測系統自校準等。然后根據MCU采集到的AD值與高低閾值之間的相對關系來自動調整液面檢測算法，當AD值大于高閾值時，采用閾值法（連續3次AD值大于高閾值可確認接觸到液面）；當AD值介于低閾值和高閾值之間時，采用斜率法（連續3次AD值斜率大于斜率閾值可確認接觸到液面）。最后輸出探測結果并做出錯處理。

4 實驗數據分析

　　4.1 靈敏度分析

　　設置軟件使得液面檢測系統工作在等待接觸液面狀態，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 液面檢測自適應能力分析

　　由于無法直接驗證液面檢測系統的自適應能力，目前只能通過探針插入液面深度的一致性來驗證。將本文設計的液面檢測系統放在項目搭建的原理樣機進行實際運行以驗證其檢測精度，實驗中分別對50根粗針（試劑針）和50根細針（樣本）進行測試，且每根針測試300次，用以驗證液面檢測系統的可靠性與自適應能力。

　　實驗表明，100根探針在300次的測試中都能準確檢測到液面，說明本文設計的液面檢測系統具有較高的檢測精度。在表1所示的測試數據中，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。說明本文設計的液面檢測系統針對同種類型的探針具有很強的自適應能力。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，臨床實驗表明，0.37 mm的誤差能夠滿足儀器對液面檢測系統的要求，說明本文設計的液面檢測系統具有較強的自適應能力，較好地解決了因樣本針與試劑針電容差異所導致的樣本液面檢測系統與試劑液面檢測系統不兼容的問題。

5 結論

　　本文采用PLL電路將探針電容變化轉換為VCIN電壓變化，提高了液面檢測系統的靈敏度，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；同時采用自校準算法，增強了液面檢測系統的自適應能力，較好地解決了樣本針、試劑針的探針電容不一致的問題；最后結合自適應算法較大程度地提高了液面檢測系統的準確度和可靠性；從而實現了一套高靈敏度的具有較強自適應能力的高可靠性液面檢測系統設計。

參考文獻

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　　[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的設計及其臨床應用[J].傳感器與微系統，2014，33（6）：72-74.

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