基于USB6211和LabVIEW伏安型电子舌测试系统的设计与实现

周奕霖，康冠朋，王志斌，吴 涛，于亚萍,2,通信作者，赵 辉,2，杨仁杰

（1．天津农学院 工程技术学院，天津300384；2．天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072）

基于USB6211和LabVIEW伏安型电子舌测试系统的设计与实现

周奕霖1，康冠朋1，王志斌1，吴 涛1，于亚萍1,2,通信作者，赵 辉1,2，杨仁杰1

（1．天津农学院 工程技术学院，天津300384；2．天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072）

伏安型电子舌是对液态物质进行检测的一种新型测试系统，主要采用交互敏感电极阵列结合多变量数据分析方法对被测对象进行定性或定量分析。整个系统由激励信号源、传感器阵列、恒电位电路、数据采集电路和多变量数据分析软件组成，在外加激励信号作用下，对工作电极响应信号的大小或响应信号图的形状进行采集与分析。本文针对电化学工作站价格昂贵并且进行伏安检测时只提取电化学反应特征信息的不足，开发设计了一种伏安型电子舌检测系统。本系统由数据采集卡USB6211结合LabVIEW软件来实现激励信号的产生和伏安响应数据的采集、显示与存储。采用主成分分析法对纯牛奶和掺杂浓度为160 mg/L三聚氰胺牛奶测试数据进行分析，分析结果能清楚的区分该实验中纯牛奶和掺杂牛奶样品，整个系统具有较好的稳定性。

伏安型电子舌；LabVIEW；数据采集；人机界面；USB6211

在传统电化学测试中，一般要求选择特异性传感器对被测对象进行测试，但选择性强的特异传感器很难确定，针对这个问题，伏安型电子舌采用选择性不是很强的交互敏感电极阵列来代替传统选择性很强的特异性传感器。它由交互敏感的贵金属作为传感器阵列和多变量数据分析处理单元构成，将传感器测试的电信号与被测对象的特性联系在一起，尽管每个电极的选择性比较低，但整个传感器阵列还是能获取被测对象相当大的信息量，从而达到对被测对象进行定性或定量的分析的目的[1]。电子舌分为：电势型、电导型、伏安型等，目前商用最广泛的电子舌是α-ASTREE公司的电势型电子舌，该电子舌价格昂贵，且电势型电子舌易受温度的影响。伏安型电子舌因其具有好的敏感性、测试方式多样性、设备简单且鲁棒性强，而得到广泛的应用[2-5]。该论文采用USB6211和LabVIEW软件设计一种伏安型电子舌测试系统。

1 系统设计

整个测试系统分为五个部分，传感器阵列、激励信号、恒电位电路、数据采集卡和人机交互界面，系统框图如图1所示。

图1 伏安型电子舌测试系统框图

传感器阵列采用标准的三电极结构，即工作电极、参比电极和辅助电极，工作电极可以为传感器阵列或者单个工作电极。外加激励电压通过恒电位电路将电压施加到工作电极与参比电极之间，恒电位电路保证工作电极与参比电极之间电位跟随激励信号的变化且没有电流流过。为保证系统中恒电位电路的工作性能，采用天津兰力科电化学有限公司生产的恒电位电路板。由工作电极和辅助电极形成回路将工作电极产生的电流响应信号通过电流电压转换电路转换为电压信号，然后由数据采集卡将数据传送到上位机，通过LabVIEW软件编写的人机交互界面对响应信号进行显示，并将数据另存为EXCEL文件，为多变量分析提供数据。

2 系统设计与实现

采用数据采集卡USB6211结合LabVIEW软件主要为了提高系统的测量精度，它们主要完成激励信号的产生和工作电极响应信号的采集工作。

2.1 LabVIEW简介

LabVIEW是一种图形化编程语言，作为数据采集和仪器控制软件的标准被广泛应用于工业界、学术界和研究性实验室。LabVIEW推动了计算机与测量仪器的结合，它来源于传统设计语言的顺序特性并以易用的图形化设计环境为特色，包括数据采集、数据分析、结果显示等工具，使用图形化设计语言G语言，能在很短的时间内解决多种问题。

2.2 USB6211

根据被测系统的需要数据采集卡选用了NI公司的USB6211，它是一款M系列的多功能数据采集卡模块，该模块提供了16位模拟输入输出通道。其中差分输入8路，单端模拟输入通道16路，输入输出通道采样率为250 kS/s；模拟输出通道2路，模拟输入和输出电压的范围是-10～10 V，满足本系统信号源电压和数据采集范围的需要。

2.3 激励信号产生电路

常用的激励信号有大幅脉冲、小幅脉冲、阶梯波和调频调幅脉冲等，产生这几种波形信号的数学模型为：

其中：u为输出电压，UM是电压变量，激励信号电压幅值；N是同一频率下激励信号一个周期电压变换值的次数，不同的电压变换波形对N设定的值不同，以0.1～-0.6 V小幅脉冲为例N取值为16；采用软件定时设定脉冲宽度，若电平宽度为0.5 s，软件定时时间设定为500 ms，实验测试所用的小幅脉冲程序如图2所示，更多的波形输出方式及实现查阅参考文献[6]。

图2 0.1～-0.6 V小幅脉冲电压程序框图

2.4 数据采集与显示

数据采集与显示程序如图3所示，首先采用DAQmx Create Virtual Channel创建一个虚拟通道，同时根据所用采集卡的特点，将输入电压范围设置为-10～10 V；接线端的配置设定为“单端接地”，通过采样时钟设定采样率为100 S/s，因为是对模拟连续数据的采集，采样模式设定为连续采样；采样数是一次采样存储的数据，所以它需要根据激励信号的频率和所需要设定的波形数来确定。为将采样的数据采用EXCEL格式的文件存储，采用DAQmx Configure logging.vi，只要设定记录模式和文件的路径即可。

采用DAQmx Start Task.vi 运行任务，通过DAQmx Read.vi从指定的虚拟通道和任务中读取采样值，输出的数据通过示波器显示。测量完成后，通过DAQmx Stop Task.vi来停止测试任务，并使用DAQmx Clear Task.vi来消除任务，释放任务曾占有的资源[7]。

图3 数据采集、显示与存储程序

3 实验结果

根据铜电极与掺杂牛奶中三聚氰胺反应能产生铜偶离子对这一特性[8]，采用本系统对5个纯牛奶样品和5个掺杂浓度160 mg/L的掺杂三聚氰胺牛奶进行检测。工作电极采用盘状铜电极，其直径为2 cm，纯度为99.9％。辅助电极和参比电极分别采用铂丝和饱和甘汞电极，采用小幅脉冲作为激励信号，通过循环伏安法测试结果确定小幅脉冲的电压范围为0.1～-0.6 V和脉冲变换周期为1 s。

3.1 实验测试结果

图4显示了采用激励信号为0.1～-0.6 V的小幅脉冲电压激励信号波形图，每个电平维持的时间是500 ms。将激励信号采集到上位机如图4所示。

图4 人机交互界面图

当激励信号通过恒电位仪施加给工作电极和参比电极时，工作电极表面的会发生氧化-还原反应，响应电流通过工作电极与辅助电极产生的回路，然后通过I/V转换电路，将电流信号转化为电压信号，从而通过数据采集卡将电压响应采集到LabVIEW应用程序。

3.2 实验分析结果

实验分析结果如图5所示。

图5 实验结果

铜电极在纯牛奶中的响应信号如图5（a）所示，每个样品测试完成后，对电极进行打磨，用超纯水对电极表面进行清洗，然后将采集到的数据导入EXCEL文件，Mij为原始数据矩阵，行代表被测试的样品数，列代表响应变量，mj表示每一列数据。对测试数据进行截取后产生10×850的二维矩阵作为多变量数据分析对象。为了减小传感器漂移对测试数据的影响，首先对测试数据中心化处理，每个变量减去在相同电压下响应信号的平均值，如式（2）所示。

将处理后的数据采用主成分分析法对测试结果进行分析，PCA主要起到两个作用：（1）是对采集的数据进行降维，减小数据的冗余量；（2）是通过得分矩阵，对样品进行分析。采用奇异值分解方法，如公式（3）。

T为得分矩阵，反应样品之间的差异性，前3个主成分分别为：71.424 4％，19.333 4％，4.958 8％；L为在载荷矩阵，反应出每个变量的贡献率。采用PC1和PC3所得分析如图5（b）所示。红色代表纯牛奶样品，蓝色的代表加入160 mg/L三聚氰胺的掺杂牛奶。从图5（b）中可以看出，纯牛奶分布在得分图左上方，PC3＞0的部分，而掺杂三聚氰胺牛奶分布在得分图右下方，PC3＜0的部分。

4 结论

本系统采用LabVIEW和数据采集卡USB6211设计实现了一种伏安型电子舌检测系统，完成了伏安型电子舌常用的激励信号数据采集和数据存储电路的设计，并采用纯牛奶样品和掺杂浓度为160 mg/L三聚氰胺掺杂牛奶进行测试，测试数据通过主成分分析后能将其区分开来，通过实验证明，该系统能够应用于牛奶掺杂物的测试。

[1] Fredrik Winquist. Voltammetric electronic tonguesbasic principles and applications[J].Microchim Acta，2008，163：3-10.

[2] 于亚萍，赵辉，杨仁杰，等. 伏安型电子舌在食品检测中的应用研究进展[J]. 天津农学院学报，2014，21（2）：45-48，54.

[3] Wei Zhenbo，Wang Jun. Detection of antibiotic residues in bovine milk by a voltammetric electronic tongue system[J] .Analytica Chimica Acta，2011，694：46-56.

[4] Xavier Cetó，Juan Manuel Gutiérrez，Manuel Gutiérrez，et al. Determination of total polyphenol index in wines employing a voltammetric electronic tongue [J].Analytica Chimica Acta，2012，732：172-179.

[5] Arunangshu Ghosh，Bipan Tudu，Pradip Tamuly，et al. Prediction of theaflavin and thearubigin content in black tea using a voltammetric electronic tongue [J].Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，2012，116：57-66.

[6] 于亚萍， 康冠朋， 赵辉，等. 基于LabVIEW伏安型电子舌系统激励信号源的设计与实现[J]. 计算机测量与控制，2016，24（1）：324-327.

[7] Jeffrey Travis，Jim Kring. LabVIEW大学实用教程[M]. 3版. 北京：电子工业出版社，2008.

[8] Lígia Bueno，William R. de Araujo，Maiara O. Salles，et al. Voltammetric electronic tongue for discrimination of milk adulterated with urea, formaldehyde and melamine[J].Chemosensors，2014，2：251-266.

Design and Implementation of Voltammetric Electronic Tongue Test System Based on USB6211 and LabVIEW

ZHOU Yi-lin1, KANG Guan-peng1, WANG Zhi-bin1, WU Tao1, YU Ya-ping1,2，CorrespondingAuthor, ZHAO Hui1,2, YANG Ren-jie1
（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

A new measurement technology, voltammetric electronic tongue based on partially overlapping sensitive electrodes coupled with multivariable data analysis, has been used in detecting lipid food. It consists of external excitation signal sources, sensors array, potentiostat, data acquisition and multivariable data analysis method, which collects the size and shape of the transient response of tested objective from working electrodes. Aiming at these problems of electrochemical workstation that are expensive and only extracts feature information of electrochemical reaction, a kind of voltammetric electronic tongue test system has been developed, and the system achieved response data acquisition, display and storage by USB6211 and LabVIEW. The test results show that the difference of pure milk and melamine-tainted milk with concentration of 160 mg/L can be discriminated by using principal component analysis, the system has better stability.

voltammetric electronic tongue; LabVIEW; data acquisition; human-computer interfaces; USB6211

TP273

A

1008-5394（2016）04-0047-04

2016-03-03

天津市大学生创新创业训练计划项目“基于伏安型电子舌掺杂尿素牛奶检测系统的开发”（201510061093）；天津市自然科学基金项目“基于二维相关荧光谱土壤中PAHs信息提取及检测方法研究”（14JCYBJC30400）

周奕霖（1992-），男，河南周口人，本科在读，主要从事仪器测量与控制专业研究。E-mail：2252829014@qq.com。

于亚萍（1979-），女，河南禹州人，副教授，博士在读，主要从事控制科学与工程方向研究。E-mail：yaping261@163.com。