基于片上系統(tǒng)協(xié)同計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)電化學(xué)傳感器

周 劍，李躍新

(1.常熟理工學(xué)院 江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500; 2.湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

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基于片上系統(tǒng)協(xié)同計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)電化學(xué)傳感器

周 劍1，李躍新2

(1.常熟理工學(xué)院 江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常熟 215500; 2.湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

針對(duì)應(yīng)用于生物體內(nèi)特征物質(zhì)檢測(cè)與跟蹤的電化學(xué)傳感器的其智能化和集成化問(wèn)題，文章提出了一種基于片上系統(tǒng)的支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)的電化學(xué)傳感器；首先，將應(yīng)用于電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)，通過(guò)將測(cè)量樣品、檢測(cè)溶液接口、多電極和檢測(cè)傳導(dǎo)器等單元集成在片上系統(tǒng)，結(jié)合信號(hào)轉(zhuǎn)換和電源裝置，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)傳感器的獨(dú)立計(jì)算、存儲(chǔ)和通信功能；接著，通過(guò)實(shí)現(xiàn)待測(cè)量物多電極、檢測(cè)溶液電極子和單片機(jī)邏輯控制的協(xié)同計(jì)算滿足自動(dòng)檢測(cè)需求；最后，基于數(shù)據(jù)整合與自動(dòng)化處理設(shè)計(jì)了支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)的電化學(xué)傳感器；驗(yàn)證結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性方面所提方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的非片上系統(tǒng)電化學(xué)傳感器。

電化學(xué)傳感器；自動(dòng)檢測(cè)；協(xié)同計(jì)算；片上系統(tǒng)

0 引言

為了滿足物理化學(xué)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的多樣化需求，電化學(xué)傳感器以其成本低廉、檢測(cè)靈敏度高、魯棒性強(qiáng)等因素[1-2]，結(jié)合各種新型檢測(cè)材料和實(shí)時(shí)傳感技術(shù),在農(nóng)藥殘留檢測(cè)[3]和環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]中得到了廣泛應(yīng)用。然而電化學(xué)傳感器應(yīng)用中數(shù)據(jù)檢測(cè)逐步需要保障實(shí)時(shí)、自動(dòng)和快速處理等方面性能，可將微芯片與電化學(xué)傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)裝置微型化和檢測(cè)過(guò)程一體化。因此，研究電化學(xué)傳感器的片上系統(tǒng)架構(gòu)和計(jì)算方案成為增強(qiáng)傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性成為應(yīng)用研究領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[5]針對(duì)活性氧ROS，DNA堿基和活性氧ROS損傷DNA等數(shù)據(jù)檢測(cè)，研發(fā)了一系列電化學(xué)傳感器。文獻(xiàn)[6]為了使得接地網(wǎng)腐蝕電化學(xué)原位檢測(cè)傳感器具有限流作用，在絕緣腔體中封閉輔助電極，從而使得絕緣腔體底部小孔流向工作電極。Xiaoyi Mu等人[7]研究了一種魯棒的電化學(xué)氣體傳感器具有室溫離子液體(RTIL)作為電解質(zhì)和多孔聚四氟乙烯作為柔性襯底，并采用了平面電極的膜結(jié)構(gòu)微型傳感器。Levine, P.M.等人[8]將全波數(shù)值分析和微波網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于非理想饋電端口共形陣，建立了共形陣列完備互耦校正算法。

針對(duì)電化學(xué)傳感器的自動(dòng)檢測(cè)與集成化問(wèn)題，提出了一種片上系統(tǒng)的基于協(xié)同計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)算法及傳感器結(jié)構(gòu)。主要內(nèi)容有：1)建立適用于電化學(xué)傳感器的片上系統(tǒng)架構(gòu)；2)基于待測(cè)量物多電極、檢測(cè)溶液電極子和單片機(jī)邏輯控制協(xié)同架構(gòu)，提出了點(diǎn)化學(xué)傳感器協(xié)同控制方案；3)在片上系統(tǒng)建立三級(jí)協(xié)同計(jì)算單元構(gòu)建了自動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)算法。

1 電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)

片上系統(tǒng)應(yīng)用于電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)，可將測(cè)量樣品、檢測(cè)溶液接口、多電極、檢測(cè)傳導(dǎo)器和檢測(cè)裝置集成在一個(gè)芯片上，結(jié)合芯片控制邏輯單元、單片機(jī)單元、信號(hào)處理單元和存儲(chǔ)單元以及外圍電路接口，配合數(shù)模轉(zhuǎn)換前端單元和供電單元，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的智能終端設(shè)備，圖1給出了一種活性氧電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)。

圖1 活性氧電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)

電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)是基于檢測(cè)單元、處理單元和通信單元異構(gòu)結(jié)合的用于綜合檢測(cè)與傳輸數(shù)據(jù)的一類片上集成傳感器。檢測(cè)單元利用活性氧與專一性酶蛋白借助片上系統(tǒng)中的多電極單元在檢測(cè)溶液中進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)后的活性氧產(chǎn)物密度發(fā)生變化，引起檢測(cè)傳導(dǎo)器電位和電荷以及雙電層狀態(tài)發(fā)生改變，結(jié)合離子遷移現(xiàn)象，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)送給單片機(jī)單元。上述電化學(xué)漸變和電極反應(yīng)過(guò)程如公式(1)所示。

(1)

其中:I是檢測(cè)后電信號(hào)電勢(shì)值，V1為初始化電勢(shì)差，V為檢測(cè)溶液電勢(shì)差，O為檢測(cè)樣本中活性氧密度，C為檢測(cè)溶液密度，RC和RO分別為檢測(cè)溶液和檢測(cè)樣本的內(nèi)飾電阻組份。

單片機(jī)接收到電信號(hào)后，工作如圖2所示。片上系統(tǒng)以信號(hào)類別可以分為兩部分：電化學(xué)反應(yīng)部分和信號(hào)處理部分。其中，電化學(xué)反映部分選擇性地與待測(cè)物發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)信號(hào)。化學(xué)信號(hào)結(jié)合電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象傳輸檢測(cè)傳導(dǎo)器，然后將所測(cè)得的化學(xué)信號(hào)經(jīng)單片機(jī)單元轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。接著，可對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和通信等一系列操作。接收端可借助多電極、光纖或者對(duì)待測(cè)物質(zhì)敏感部件將接收到的電信號(hào)以多種形式進(jìn)行處理，為上層應(yīng)用或用戶提供對(duì)檢測(cè)樣本的檢測(cè)結(jié)果。

圖2 片上系統(tǒng)信號(hào)傳輸與處理

為了優(yōu)化電化學(xué)檢測(cè)單元與信號(hào)處理單元的融合關(guān)系，提高片上集成電化學(xué)傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，以如圖1所示的活性氧電化學(xué)傳感器為例，可按照公式(2)和(3)所示機(jī)理構(gòu)建既可以保障電化學(xué)檢測(cè)反應(yīng)穩(wěn)定又可以準(zhǔn)確捕捉電離子轉(zhuǎn)移效應(yīng)下電位檢測(cè)結(jié)果。

(2)

(3)

其中:SD(ER+)表示多電極與待測(cè)活性氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后電子勢(shì)陣列，↘表示發(fā)生檢測(cè)后離子轉(zhuǎn)移信號(hào)強(qiáng)度以電子勢(shì)形式表示。

經(jīng)片內(nèi)總線傳至檢測(cè)傳感器的為單片機(jī)提供的電信號(hào)強(qiáng)度如公式(4)所示。

(4)

其中:Asu表示獨(dú)立電信號(hào)單元，∑I表示對(duì)片內(nèi)總線上電子勢(shì)求和，ω表示檢測(cè)溶液池與電極間夾角弧度，β表示多電極間夾角弧度。

2 協(xié)同計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)算法

電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)，因集成了測(cè)量樣本、檢測(cè)溶液、傳導(dǎo)器和單片機(jī)，不存在由于外界干擾、樣品腐蝕失效或化學(xué)信號(hào)傳輸錯(cuò)誤而造成的信號(hào)強(qiáng)度、測(cè)量物時(shí)效與檢測(cè)結(jié)構(gòu)不匹配的問(wèn)題。因此，能夠在剔除上述因素的條件下，將數(shù)據(jù)檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為3個(gè)模塊單元的數(shù)據(jù)計(jì)算問(wèn)題，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與自動(dòng)化處理并給出實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果。分別對(duì)待測(cè)量物多電極、檢測(cè)溶液電極子和單片機(jī)邏輯控制進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

待測(cè)量物多電極結(jié)構(gòu)是以適合氣體形式樣本觸面和保障正常電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生為主，因此在此基礎(chǔ)上，確保正常、有效電化學(xué)反應(yīng)極其機(jī)理意義為前提，建立便于信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型。

圖3給出了適用于活性氧檢測(cè)的多電極機(jī)理結(jié)構(gòu)。其中，待測(cè)物樣本用圓柱形容器存放，需要獲得其濃度AC、電子量EV、離子濃度IOC和電極感應(yīng)勢(shì)EP。該模型是由待測(cè)物樣本容器與多電極組之間的片內(nèi)總線上的離子濃度控制待測(cè)物樣本濃度，根據(jù)其電子量模擬片內(nèi)氣體電子活動(dòng)，多電極間夾角弧度控制電極間協(xié)作過(guò)程，可由片內(nèi)局部電流與離子轉(zhuǎn)移方向上線性乘積實(shí)現(xiàn)，模型中參數(shù)獲得可由公式(5)和(6)實(shí)現(xiàn)，協(xié)作過(guò)程控制如公式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

其中:P(SD(ER+)-C→SD(ER-))表示待測(cè)物因電化學(xué)反應(yīng)對(duì)濃度造成影響的概率，CB表示離子在片內(nèi)總線上的轉(zhuǎn)移寬度，α1-、α2-和αN-分別表示N個(gè)電極間相互干擾系數(shù)，IT+表示多電極協(xié)作權(quán)重。

圖3 活性氧檢測(cè)多電極機(jī)理結(jié)構(gòu)

圖4闡述了檢測(cè)溶液電極子機(jī)理與等效電路模型。其中，呈V形的檢測(cè)溶液池便于與電極子陣列形成映射極陣。待測(cè)物如活性氧經(jīng)過(guò)V形溶液池以最大接觸面與電極子陣列發(fā)生反應(yīng)，后期產(chǎn)物則隨著V形上升溢出。電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電子與離子量隨著V形溶液池另一端轉(zhuǎn)移至穩(wěn)性電路，經(jīng)穩(wěn)壓電容和穩(wěn)流電阻后形成化學(xué)信號(hào)，可經(jīng)片內(nèi)總線傳送至傳導(dǎo)器等單元。電極子陣列中的電子量和離子勢(shì)協(xié)同計(jì)算過(guò)程如公式(8)所示。

(8)

圖4 檢測(cè)溶液電極子機(jī)理與等效電路

以上2個(gè)協(xié)同計(jì)算單元分別用于實(shí)現(xiàn)待測(cè)物存儲(chǔ)管理和電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同計(jì)算過(guò)程，當(dāng)?shù)玫交瘜W(xué)信號(hào)后需要通過(guò)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其邏輯時(shí)序控制和信號(hào)類型轉(zhuǎn)換，協(xié)同機(jī)理及信號(hào)轉(zhuǎn)移過(guò)程如圖5所示。其中，協(xié)同計(jì)算采用扇形布局轉(zhuǎn)換器陣列及其檢測(cè)結(jié)果，然后通過(guò)片內(nèi)總線發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，該過(guò)程具有公式(9)所示機(jī)理。

圖5 單片機(jī)邏輯控制協(xié)同計(jì)算機(jī)理

(9)

綜上所述，基于電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)的協(xié)同計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)算法流程描述如下：

1)待測(cè)物樣本存放在圓柱形容器中，與支持協(xié)同觸發(fā)的片上總線連接；

2)多電極組協(xié)同計(jì)算得到待測(cè)物的電子量、離子勢(shì)和電極感應(yīng)勢(shì)參數(shù)；

3)電化學(xué)反應(yīng)經(jīng)檢測(cè)溶液池觸發(fā)后，經(jīng)V形溶液池結(jié)合電極子陣列進(jìn)行協(xié)同反應(yīng)；

4)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電子和離子轉(zhuǎn)移至穩(wěn)性電路路，經(jīng)穩(wěn)壓和穩(wěn)流后得到反應(yīng)檢測(cè)結(jié)果的化學(xué)信號(hào)；

5)等待協(xié)同時(shí)序發(fā)生器發(fā)來(lái)控制命令，激發(fā)總線協(xié)同控制單元，將電信號(hào)發(fā)送至轉(zhuǎn)換器陣列；

6)轉(zhuǎn)換器陣列按照協(xié)同時(shí)序進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果反饋至片內(nèi)總線；

7)由單片機(jī)邏輯單元控制將片內(nèi)總線傳輸信號(hào)送至通信單元，實(shí)現(xiàn)與上層應(yīng)用的交互。

3 傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于片上系統(tǒng)和協(xié)同計(jì)算的電化學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)性能，針對(duì)活性氧檢測(cè)效果從實(shí)時(shí)性和檢測(cè)數(shù)據(jù)精度兩個(gè)方面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與無(wú)片上系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器進(jìn)行性能對(duì)比分析。為了方便，實(shí)驗(yàn)中將所提點(diǎn)化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)記為C3E-Sensor，無(wú)片上系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器記為NE-Sensor?；诠?10)所示的活性氧電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，設(shè)置實(shí)驗(yàn)溶液成分如表1所示。

(10)

協(xié)同計(jì)算過(guò)程中，協(xié)同控制時(shí)序可由如下算法產(chǎn)生：

BEGIN

ESS=SEDS*2+SEDIS;

IF TC='1' THEN

C_computing<='00';

ELSIF(HDIS=011 AND HOD=101)

C_computing>='01';

IF TC

激活傳導(dǎo)器陣列;

ELSIF CN>=TC

將時(shí)序發(fā)送給電極子陣列;

向單片機(jī)邏輯控制單元發(fā)送通信時(shí)序信號(hào);

END

圖6給出了C3E-Sensor與NE-Sensor在進(jìn)行活性氧檢測(cè)時(shí)的自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度與檢測(cè)時(shí)延等方面的對(duì)比。因?yàn)闄z測(cè)溶液池中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流值可以直接反映電化學(xué)傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)效果，因此圖6(a)給出了電流隨電極子陣列電壓變化規(guī)律。從中發(fā)現(xiàn)，所提的C3E-Sensor與實(shí)測(cè)值非常接近，最大誤差小于0.5%，最小誤差為0.03%，比NE-Sensor的平均誤差1.2%小很多，這得益于電極子陣列的協(xié)同計(jì)算，不僅降低了計(jì)算空間復(fù)雜度而且提高了檢測(cè)精度。數(shù)據(jù)檢測(cè)持續(xù)時(shí)間如圖6(b)所示，可以看出，NE-Sensor的時(shí)延較大而且有明顯抖動(dòng)，難以提供穩(wěn)定和可靠的檢測(cè)結(jié)果。而所設(shè)計(jì)的C3E-Sensor因?yàn)樗袛?shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程都在片上系統(tǒng)中發(fā)生，既節(jié)約了化學(xué)信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程這也得益于單片機(jī)邏輯單元的協(xié)同計(jì)算方案，又縮短了信號(hào)在檢測(cè)系統(tǒng)中的傳遞時(shí)延。

圖6 自動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于生物體內(nèi)特征物質(zhì)的檢測(cè)與跟蹤，為了推進(jìn)其智能化和集成化的進(jìn)程，本文提出了一種基于片上系統(tǒng)的支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)的電化學(xué)傳感器。首先，將片上系統(tǒng)應(yīng)用于電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)，通過(guò)將測(cè)量樣品、檢測(cè)溶液接口、多電極和檢測(cè)傳導(dǎo)器等單元集成在同一芯片上，配合數(shù)模轉(zhuǎn)換前端和供電裝置，使得電化學(xué)傳感器具有獨(dú)立計(jì)算、存儲(chǔ)和通信功能。其次，數(shù)據(jù)檢測(cè)過(guò)程分為待測(cè)量物多電極、檢測(cè)溶液電極子和單片機(jī)邏輯控制協(xié)同計(jì)算過(guò)程。最后，通過(guò)將數(shù)據(jù)整合與自動(dòng)化處理相結(jié)合給出了具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)功能的電化學(xué)傳感器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，與傳統(tǒng)的非片上系統(tǒng)電化學(xué)傳感器相比，在數(shù)據(jù)檢測(cè)精度和檢測(cè)時(shí)延等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

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Real-time Data Automatic Detection Based on Collaborative Computing of Chip System for Electrochemical Sensor

Zhou Jian1, Li Yuexin2

(1.Jiangsu Key Lab of Recycling & Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China; 2.School of Computer Science and Information Engineering,Hubei University, Wuhan 430062, China)

Electrochemical sensor for detecting and tracking applied to feature substances in the body is facing the intelligence and integration problems, this paper puts forward a kind of electrochemical sensor for real-time data support system on chip based on automatic detection. First of all, will be applied to the structure, electrochemical sensor, the measured samples, detection, and detection of multi electrode solution interface transmitter unit integration in system on chip, combined with the signal conversion and power device, to achieve independent computation, storage and communication function of electrochemical sensors. Then, through the realization of the object to be measured, the test solution of multi electrode and collaborative SCM control logic calculation to meet the demand of automatic detection. Finally, data integration and automation design based on electrochemical sensor to support real-time data detection. Test results show that, the proposed scheme is superior to the traditional data detection divice.

electrochemical sensor; automatic detection; collaborative computing; chip system

2015-04-21；

2015-11-21。

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201302844)；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013060)；湖北省國(guó)際交流與合作項(xiàng)目(2012IHA0140)；湖北省科技重大支撐項(xiàng)目(2014BAA089)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61170306)資助；湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2014CFB536)；湖北大學(xué)校自然科學(xué)基金項(xiàng)目(530-095183)。

周 劍(1981-)，男，湖南婁底人，碩士，講師，主要從事傳感網(wǎng)絡(luò)，故障檢測(cè)與知識(shí)發(fā)現(xiàn)等方向的研究。

李躍新(1958-)，男，湖北武漢人，博士，教授，主要從事人工智能與知識(shí)工程、智能控制系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0011-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.004

TP319

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