电位型传感器嵌入式遥测系统的研制

秦泰春等

摘 要 研制了一种应用于电位型传感器的嵌入式遥测系统。系统由采样发送端、接收端和计算机组成。采样发送端包括电流放大器、Σ-Δ型模数转换器、微控制器和无线数据传输模块，接收端包括无线数据传输模块、微控制器和协议转换器，接收端通过通用串行总线（USB）接口和计算机连接。嵌入式软件用C语言编写，控制信号的采集和传输；上位机软件用LabVIEW编写，用于数据存储和显示。系统采集电压信号范围为±1.17 V。为验证该系统的精度和可靠性，应用本套系统和数字多用表对一组电位值进行了对照测试，并用自制的氢离子选择性电极进行了酸度变化响应测试。结果表明，本系统电位测量值可以精确到0.1 mV， 且抗噪能力良好，pH响应测量的线性相关系数R2=0.998，变化曲线和商品化的电化学分析仪的结果一致。此系统硬件均由标准芯片组成，采样发送端尺寸为29 mm×14 mm×11 mm，可以用于电位型传感器的远程实时检测。

关键词 遥测系统； 嵌入式系统； 电位型传感器

1 引 言

电位型传感器是一类非常重要的电化学传感器[1，2]。离子选择电极是电位型传感器中最为常见的一类，其与参比电极一起浸入待测液中，组成电池体系，将待测离子的浓度或活度转化为电位输出，其理论基础是能斯特方程[3]。离子选择电极可以检测出诸多无机离子如K+，Na+，Fe3+，Ca2+，Pb2+，Ag+，Hg2+等，以及有机离子（如芳香族阳离子）和相关药物。该方法具有灵敏度高、体积小、能耗少、价格低等优点[4，5]，被广泛应用于环境监测[6，7]和生命科学[8，9]等领域。

生物遥测技术是实时远程监测生理参数变化的一系列技术的统称[10，11]。伴随着信息技术的发展，生物遥测技术取得了巨大成就。由于生物遥测设备在发送端和接受端之间无需直接的物理连接，因此，在活体分析化学、脑科学和临床医学等领域具有广阔的应用前景[12，13]。基于电化学方法的生物遥测技术近年来发展迅速，研究者们已开发出基于伏安分析法的生物遥测系统，并将其应用于活体内物质浓度的监测[14]和脑神经化学[15]的研究。近期，对动物体内（或脑内）多巴胺[16]、抗坏血酸[17]、葡萄糖、乳酸[18]等物质的遥测也已有文献报道。但是，基于电化学方法的生物遥测系统仍以伏安分析法为主，其应用范围有限。本研究制备了一种基于电位法的遥测系统，以氢离子选择性电极为例，研究了本系统在检测目标离子中的适用性。本系统结构简单、价格低廉，并从电学测量的角度，利用重采样技术改善了离子选择电极对噪声敏感的难题。此系统可望用于活体分析化学的研究。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

电化学分析仪（上海辰华仪器公司）；磁力搅拌器（德国IKA公司）；pH计（梅特勒公司）；数字多用表（美国吉时利公司）。AD8605运算放大器（美国模拟器件公司）；AD7792数据转换芯片（美国模拟器件公司）；ATmega8A发送端微控制芯片（美国ATMEL公司）；STC11F02E接收端微控制芯片（中国深圳宏晶科技有限公司）；nRF24L01+无线数据传输芯片（挪威Nordic公司）；CH340T协议转换芯片（中国江苏沁恒股份有限公司）；CAT6219330TDGT3电平转换芯片（美国安森美半导体公司）。电阻为表贴器件，电容为表贴电容或钽电容。

三月桂胺、四（4氯苯基）硼酸钾、双（2乙基己基）癸二酸酯和聚氯乙烯（Sigma公司），使用前未经处理；KH2PO4和NaOH（北京化学品试剂公司）；其它试剂均为分析纯，实验用超纯水（18.2 MΩ·cm）。

2.2 系统组成

本系统可完成

1.17～+1.17 V电压的采样，分辨率大于0.1 mV。系统结构如图1所示，由数据采样发送端、接收端和计算机三部分组成。采样发送端将离子选择性电极产生的电压信号转换为数字量，通过无线数据传输的方式发送给接收端；接收端收到信号后，进行协议转换，通过USB串口发送给计算机；计算机接收后，对数字信号重新编码，将采样电压通过图像和数值两种方式显示在屏幕上，[TS（][HT5”SS] 图1 系统结构示意图

Fig.1 Schematic illustration of the system[HT5][TS）]并可以完成数据存储、传输、打印等功能。

2.3 采样发送端设计

在电位分析法中，电极电位与溶液中离子的活度之间的关系，可用Nernst方程表示。当待测溶液中为正离子时，如式（1）所示。

E=E参+RTnFlnaM外aM内（1）

其中，E为离子选择性电极的电位，E参为内参比电极电位，R为气体常数，T为绝对温度，n为离子的电荷数；F为法拉第常数，aM外为待测溶液中Mn+的活度，aM内为膜电极内参比溶液中Mn+的活度。

测量离子选择电极的电位E，便可求得待测离子的活度。在实际电压测量的过程中，仪器需一个电流形成回路，称为偏置电流。若电极体系能够给出的电流小于偏置电流，仪器的测量结果不准确。同时，偏置电流会影响电极体系本身，并在电极体系的等效串联内阻上形成分压，造成测量误差。因此，在设计仪器时，应尽量减小仪器对偏置电流的需求。

为减小仪器所需的偏置电流，CMOS型运算放大器AD8605被用作偏置电流缓冲放大器。AD8605通过深度负反馈的方式连接在电路中，使输出电压和输入电压相同。AD8605标准状态下输入偏置电流为0.2 pA，输出电流可达80 mA，从而实现了电压跟随、电流放大的作用。电路连接如图2所示。

电极体系的输出电压为指示电极与参比电极电位之差，其输出电位可以为正值也可以为负值。为使采样发送端实现微型化，在设计中采用单电源供电。模数转换芯片AD7792的内置可编程电流源（IOUT2引脚）产生210 μA电流，经过5.6 kΩ电阻接地，使参比电极相对于系统地产生+1.17 V的偏置电位。AD7792为基于重采样技术的16位Σ-Δ型模数转换芯片，相比传统的积分型和逐次逼近型模数转换器，具有更高的精度及更好的噪声抑制效果。采用双极性编码时，输出为移位二进制码。本研究采用+1.17 V内部基准电压作为模数转换基准。芯片的输出编码如式（2）所示。endprint

其中，AIN表示模拟输入电压，Code为二进制编码。二进制编码通过无线数据传输芯片以电磁波的形式传送给接收端。nRF24L01+芯片在2.4 GHz全球开放的ISM（Industrial Scientific Medical）频段工作，该芯片具有传输速度高、抗干扰能力强等优点。为尽量减小采样发送端体积，设计了频段为2.4 GHz、射频阻抗为50 Ω的PCB天线进行射频传输。测试表明，在空旷场所传输距离可达200 m，使用时可靠传输距离取传输距离的30%即为60 m，满足实验要求。

微控制器用于存储仪器运行所需的逻辑，控制数据的采集和发送。ATmega8A内置RC振荡电路，可作为系统时钟源，避免了晶振带来的附加体积。ATmega8A使用上位机软件ICCV7 for AVR编写程序，使用AVR fighter软件通过ISP下载器进行程序烧录。

电源采用北京索佳尼电子科技中心定制的标称值为3.6 V可充电锂离子电池，尺寸为15 mm×10 mm×3 mm，容量为80 mA·h。该类电池最高电压可达4.2 V，在放电过程中电压逐渐降低。电路设计中，为保证系统工作稳定，采用CAT6216进行稳压，在电压高于2.15 V时输出为3.3 V，在电压低于2.15 V时输出为0，保证采样发送端始终工作在正常电压条件下。

在制作电路板时，为减小射频部分对电路干扰，将无线数据传输模块nRF24L01+放置在副板上，其余芯片放置在主板上。主板采用8层板设计，模拟信号和数字信号通过电源层或地层进行隔离，并将各逻辑芯片经电容去耦到地平面。副板采用双层板设计，单面布线，另一面铺铜接地，通过控制板层、铜箔厚度、微带线宽度等参数使PCB天线的特性阻抗满足50 Ω的要求。

2.4 接收端设计

接收端原理图如图3所示，相比采样发送端，接收端的体积要求不严格。接收端无线数据传输芯片采用和发送端相同的nRF24L01+。nRF24L01+接收到数据后通知微控制器STC11F02E进行读取。STC11F02E为51系列单片机，体积比发送端微控制器ATmega8A略大，但满足数据处理条件，且价格低廉。无线数据传输芯片和微控制器之间可以通过ISP总线协议进行通信。STC11F02E经过CH340T进行协议转换，将RS232协议转换为通用串行总线（USB）协议，从而实现和上位机的通信。CH340T的上位机驱动下载自江苏沁恒股份有限公司官方网站。与直接使用RS232协议相比，USB协议转换可以使接收端更加灵活易用。接收端采用USB供电，经过CAT6216稳压芯片输出稳定的3.3 V电压。

2.5 上位机软件设计

上位机软件使用LabVIEW编写（美国National Instruments公司）。LabVIEW通过VISA编程接口和接收端通信。上位机软件将如式（2）所示的二进制数转换为相应的电压值，在屏幕上实时显示电压时间曲线。用户可以在采样过程中根据需求改变图中坐标刻度，保存图形以及数据。

2.6 实验方法

2.6.1 电学性能测试 采用如图4所示的电路，调节滑动变阻器的滑片P，使T+和T-间产生0～1 V之间的测试电压。分别用数字多用表KEITHLEY 2000和本遥测系统对T+和T-间（或T-和T+间）的电压进行测量。

2.6.2 氢离子选择性电极的制备

玻碳电极（直径3 mm，BAS公司），首先经0.3和0.05 μm的Al2O3粉末抛光，然后在超纯水和乙醇中分别交替超声3次后，N2吹干。取100 mg双（2乙基己基）癸二酸酯（增塑剂），50 mg聚氯乙烯（支撑材料），1 mg四（4氯苯基）硼酸钾（离子添加剂），1.8 μL三月桂胺（离子载体），加1.5 mL四氢呋喃溶解，配成成膜液[19]。在玻碳电极上修饰成膜液。待室温干燥后，放入0.1 mol/L HCl溶液中活化24 h，即得到氢离子选择性电极。

3 结果与讨论

3.1 遥测系统的性能

电学性能测试结果如图5所示。其中，线性方程为y=1.0000x，相关系数R2=0.99999。在15组不同数值的对照测试中，KEITHLET 2000数字多用表和本遥测系统的测量值最大相差0.04 mV，KEITHLEY 2000数字多用表在1 V量程范围内分辨率为1 μV，表明本遥测系统精度可达0.1 mV。对恒定电压进行了100 min的连续测试，测得值的最大波动为±0.035 mV，表明此系统抗噪能力良好。

3.2 遥测系统监测溶液pH值变化

将修饰好的氢离子选择性电极放入0.2 mol/L KH2PO4缓冲液中，与Ag/AgCl参比电极构成回路。加入不同量的0.2 mol/L NaOH溶液，用此遥测系统实时监测pH值的变化。如图6所示，随着溶液pH值增大，测得的电位降低，说明所研制的遥测系统可用于溶液pH变化的实时监测。系统对pH值的响应快速，输出的电位值具有很好的稳定性。

将由梅特勒pH计校准的pH值和所测得的电位值作图。pH在4.39～7.61范围内，氢离子选择性电极的遥测系统输出电位信号与pH之间呈现良好的线性关系。线性方程为y=

0.0466x+0.738，线性相关系数R2=0.998。说明本系统可用于电位型传感器实时的定量监测。

为了进一步表征此遥测系统对检测pH值变化的准确度，分别用本遥测系统和商品化的CHI 832B电化学分析仪监测相同pH变化的磷酸盐缓冲溶液中该离子选择性电极的电位变化，如图7所示。其中各阶段对应的pH值分别为4.39， 5.66， 6.09， 6.51， 6.90， 7.26和7.61，可以看到，两个系统给出的响应信号基本相同，电极的灵敏度也一致。表明此遥测系统可以用于电位型传感器的准确实时的变化检测。endprint

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Abstract A new embedded telemetry system for potentiometric sensors was developed. The system consisted of a transmitter unit， a receiver unit and a personal computer （PC）. The transmitter unit included a current amplifier， a Σ-Δ analogtodigital converter （ADC）， a microcontroller unit （MCU） and a radio module. The receiver unit was composed of a radio module， a microcontroller unit and a serialtoUSB converter module. The receiver unit was connected to an upper computer via a universal serial bus （USB）. The embedded software written in C language controlled the signal acquisition and transmission. The computer software written in LabVIEW language was used for data storage and display. The range of the acquisition voltages was fromendprint

1.17 V to +1.17 V. In order to verify the accuracy and reliability of this system， a control experiment had been done with this system and a digital multimeter. Moreover， a response test of acidity changes had been done with the selfmade H+ selective electrode. The results showed that the accuracy of this system could be up to 0.1 mV and it had strong antinoise ability. The square of the linear correlation coefficient of the response of the changes in pH values was 0.998. The curve of the results measured by this system was consistent with that measured by the commercial electrochemical analyzer. The system was built with standard hardware components and the size of the transmitter unit was only 29 mm×14 mm×11 mm. It can be easily used for remote and realtime detection for the potentiometric sensor.

Keywords Telemetry system； Embedded system； Potentiometric sensor

（Received 16 July 2014； accepted 11 September 2014）

This work was supported by the Major Projects of International Cooperation of National Natural Science Foundation of China （No.21210007）endprint