基于Android的電解質(zhì)分析儀設(shè)計與實現(xiàn)

晏小雲(yún)+劉黎志

摘要摘要：電解質(zhì)分析儀是醫(yī)學臨床檢測電解質(zhì)離子濃度的儀器，利用計算機技術(shù)和嵌入式技術(shù)對其加以有效的開發(fā)管理對于醫(yī)學診斷具有重要意義，其檢測結(jié)果可為患者治療方案提供有力依據(jù)。設(shè)計了一種基于Android的電解質(zhì)分析儀，實現(xiàn)了Android管理機制與中間層Cortex M4內(nèi)核的STM32F407芯片和底層C8051F381微控制器、東芝TB6560AHQ驅(qū)動器不同硬件層之間的串口多幀通訊協(xié)議通信。該系統(tǒng)顯示效果佳，給用戶帶來了良好的觸控體驗，提高了步進電機運行的平穩(wěn)性，系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性好，具有良好的實用價值。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：Android系統(tǒng)；電解質(zhì)分析儀；操作管理；串口通信

DOIDOI：10.11907/rjdk.162460

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001005404

引言

社會不斷進步，人們的生活條件也在逐步改善，人們在享受高品質(zhì)生活的同時，愈加關(guān)注個人身體健康。電解質(zhì)作為人體體液的重要組成成分，對人體正常生理機能的維持起著十分重要的作用[1]。電解質(zhì)分析儀作為一種用于檢測電解質(zhì)離子濃度的儀器，為臨床診斷提供了有力依據(jù)。

目前，電解質(zhì)分析儀普遍采用離子選擇性電極法測量樣品中電解質(zhì)離子的濃度[2]。該方法的核心是一種電化學傳感器——離子選擇性電極。電極由膠殼、金屬棒、內(nèi)充液、選擇性透析膜等構(gòu)成。當被測樣品流經(jīng)電極池時，被測樣品中的不同離子可透過與之對應(yīng)的選擇性透析膜，與電極內(nèi)充液進行化學反應(yīng)，在選擇性透析膜的兩端形成電位差。該電壓通過電極的金屬棒引到信號處理電路板上，進行兩級放大處理，最終由處理器完成采樣分析，參考電極同樣引到信號處理電路板的接地點。通過檢測一個精確的已知離子濃度的標準溶液獲得定標曲線，從而檢測出樣本中的離子濃度[3]。越來越多的電解質(zhì)分析儀集成了總二氧化碳含量的測量功能，其主要采用氣敏傳感器的方法來檢測二氧化碳濃度。氣敏傳感器將采集到的相關(guān)參數(shù)傳送給處理單元，經(jīng)過處理后即可得出樣品中總二氧化碳含量。

Android是由Google和開放手機聯(lián)盟共同開發(fā)的一種基于Linux內(nèi)核的開源操作系統(tǒng) [4]。近年來，隨著智能化信息技術(shù)的高速發(fā)展，Android已成為智能手機、平板電腦所使用主流操作系統(tǒng)，倍受廣大用戶青睞?；贏ndroid系統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)的研發(fā)也成為當前的一個研究熱點，一些工控設(shè)備廠商已經(jīng)在生產(chǎn)制造Android工業(yè)平板，如北京迪文、深圳揚創(chuàng)、深圳顯控等，平板電腦能提供必要的底層驅(qū)動、接口調(diào)用以及SDK，方便程序設(shè)計人員用于工業(yè)應(yīng)用開發(fā)。

Android工業(yè)平板保留了大部分普通接口并增加了工業(yè)控制類接口，包括USB、RS232、RJ45、SD卡、音頻接口等，還能通過擴展模塊的方式支持藍牙、WiFi、3G等其它接口方式。如果說在復雜的工業(yè)控制現(xiàn)場，Android設(shè)備還難以滿足嚴格的實時需求，那么在一些交叉性領(lǐng)域，比如樓宇智能控制、智能家居控制、醫(yī)療電子、公共服務(wù)設(shè)備等，都可以基于Android系統(tǒng)進行應(yīng)用開發(fā)，提供界面及UI交互手段。

根據(jù)以上論述，傳統(tǒng)的電解質(zhì)分析儀在硬件架構(gòu)設(shè)計和人機交互方式上都或多或少存在著不足之處。Cortex M4處理器的高性能和Android系統(tǒng)提供的人性化的交互方式，為基于Android系統(tǒng)的電解質(zhì)分析儀上位分離的實現(xiàn)提供了可靠的技術(shù)支撐。

1電解質(zhì)分析儀總體設(shè)計

1.1液路控制模塊

液路控制模塊通過電磁閥和電機協(xié)同工作來控制測量樣本在儀器內(nèi)部的合理流向。在本設(shè)計中，液路控制模塊由試劑包、管道、離子選擇性電極池、進樣針、吸液池、電磁閥、三通閥門、四通閥門、攪拌池、樣品轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)盤電機組成，其中還涉及控制進樣針動作的步進電機和控制液體流動的蠕動泵。液路控制模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1所示，試劑包中包括有A標準液、B標準液、CO2稀釋液和廢液。

蠕動泵M1執(zhí)行A標準液、B標準液以及待測樣本的抽液動作，蠕動泵M3負責將CO2稀釋液抽入攪拌池中，攪拌電機M7則將攪拌池里CO2稀釋液中的CO2排出，蠕動泵M2將攪拌池中稀釋液液抽至廢液瓶中。M5和M6兩個步進電機聯(lián)合控制進樣針的前后上下動作，步進電機M4則控制樣品轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。

電磁閥A和B的通斷，結(jié)合四通閥門決定待測液體是A標準液還是B標準液。電磁閥C的通斷，結(jié)合三通閥門控制著CO2進入傳感器。

離子選擇性電極池中的電極將檢測到的不同電解質(zhì)離子的參數(shù)傳遞給信號處理板。CO2傳感器將檢測到的CO2參數(shù)傳遞給主控板。

1.2測量原理

離子選擇性電極對溶液中的離子活度比濃度更為敏感，溶液中的被測離子，遷移到電極膜上，便會在測量電極和參比電極之間形成電位差，理想的電極對x離子產(chǎn)生的電位差符合能斯特方程：

需要進行系統(tǒng)標定，克服漂移，提高系統(tǒng)測量的準確性。

選用兩種已知離子濃度的A標準液和B標準液用作離子選擇性電極校準。設(shè)A和B標準液的電位分別為EA和EB，離子濃度為CA和CB，電極斜率為slope。根據(jù)已測得電位值和已知離子濃度值可計算出各電極實際斜率為：

slope=EB-EAlg（CB）-lg（CA）=EB-EAlg（CB/CA）（2）

設(shè)測量樣本的電位為Ex，離子濃度為Cx，在同樣A標準液和B標準液校準的情況下，slope值保持不變。從而可以根據(jù)式（3）：

slope=Ex-EAlg（Cx/CA）（3）

求得離子濃度Cx為：

Cx=10Ex-EAslopeCA（4）

pH值是溶液中氫離子活度的負對數(shù)，當溶液濃度較稀時，用濃度表示：pH=-lg[H+]。

pH值的測量與離子濃度的測量有些不同，但其測量仍然符合能斯特方程，采用標準比較法，先測得A標準液的電位EA，再測得待測樣品的電位Ex，最終可以求得溶液的pH值，即：

pH=pH0+（CA-CB）（Ex-EA）/（EB-EA）（5）

在實際測量中，可能會出現(xiàn)測量結(jié)果與實際結(jié)果這兩條對數(shù)直線無法擬合的情況，可通過斜率進行校正。一般通過兩種以上的定標液校正，可得到正確的修正結(jié)果。

1.3總體架構(gòu)設(shè)計

目前市場上的電解質(zhì)分析儀采用兩層架構(gòu)設(shè)計，主要有以下兩種方案：LCD+物理按鍵+主控板、觸摸屏+主控板。

第一種方案下，LCD僅僅用于顯示數(shù)據(jù)，控制命令都由物理按鍵觸發(fā)，主控板在接收到命令后，驅(qū)動相應(yīng)的機械部件來執(zhí)行指定的操作，并完成數(shù)據(jù)采集與分析，給出檢測結(jié)果。第二種方案下，由普通觸摸屏替代了LCD和按鍵，控制命令是由觸控操作來觸發(fā)，與第一種方案相比，省去了物理按鍵部分，面板上可以預(yù)留出更多的空間給觸摸屏，從而提供更加豐富的顯示內(nèi)容。

這兩種架構(gòu)方式對于UI的開發(fā)都是不利的，相較于成熟的操作系統(tǒng)而言，這些UI不僅功能簡單，而且基本不能用于二次開發(fā)；在主控板級別，數(shù)據(jù)采集、電磁閥開關(guān)以及所有電機的動作執(zhí)行均由單個CPU來控制，或是增加幾個協(xié)控制器來輔助控制，導致程序邏輯非常復雜，系統(tǒng)開發(fā)和維護難度很高。

鑒于以上問題，本文提出了基于Cortex M4和Android系統(tǒng)[5]的三層架構(gòu)，其總體設(shè)計如圖2所示。

頂層為人機接口層，選用帶有Android系統(tǒng)的工業(yè)串口屏[6]，為用戶提供良好的界面效果和觸控體驗。掃描槍用來識別試劑包和測試樣品條碼，打印機打印出檢測報告。Android系統(tǒng)上運行上位機程序，實現(xiàn)所有UI，完成與中間層的交互，還可以將數(shù)據(jù)通過USB、網(wǎng)口或者串口傳送至PC。

中間層為核心控制層，其核心單元為主控板，通過串口與Android上位機和步進電機驅(qū)動板進行實時通訊。主控板選用基于Cortex M4內(nèi)核的STM32F407作為核心控制芯片，以μC/OS III[7]為軟件平臺，開發(fā)設(shè)計核心控制程序，實現(xiàn)對儀器所有運動和測試流程的控制，包括機械動作和傳感器數(shù)據(jù)的采集與分析。

底層是步進電機驅(qū)動單元，使用基于C8051F381和TB6560AHQ的通用步進電機驅(qū)動板作為電機驅(qū)動器。它靠接收中間層的控制指令來驅(qū)動電機完成動作，并反饋相關(guān)信息。2算法設(shè)計

2.1新型S形曲線設(shè)計

在本設(shè)計中，為了使算法實現(xiàn)簡單，將電機的完整運行過程分為加加速-減加速-勻速-加減速-減減速5個階段，如圖3所示。

其中減減速階段可以看作是指數(shù)曲線的偏移旋轉(zhuǎn)所得，其原型可以用式（6）表示：

f（t）=fm（1-e-t/τ）（6）

其中：fm是減加速階段曲線的極限延伸值，接近運行頻率fh，τ是電機頻率升降快慢時間常數(shù)，由加速時間T、起始頻率f0以及fh來確定。

圖3新型S形曲線加減速過程

為了使曲線光滑，加加速段曲線是減加速段曲線以（T/2，（fh-f0）/2）為中心點旋轉(zhuǎn)180°所得。這樣的處理在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上簡化了處理過程。

經(jīng)過平移和旋轉(zhuǎn)變換后的加加速曲線和減加速曲線如式（7）和式（8）所示。

f（t）=fm-f02et-T2/τ-1+fm-f02 （t≤T2）（7）

ft=fm-f021-e-t-T2/τ+fm+f02（t>T2）（8）

取fm=1.01fh，將fh、T代入式（9）解得：

τ=-T2ln0.02fh1.01fh-f0-1（9）

在實際編程過程中不可能時刻計算電機的頻率，需要把升速曲線離散化，具體做法是將曲線在時間上或頻率上進行2N等分，加加速段和減加速段都各進行N等分，考慮到頻率加速階段的陡峭，為了獲得更加平滑的加速曲線，本設(shè)計采用了頻率等分。

頻率等分變化值Δf的計算如式（10）所示。

f=fh-f02N（10）

2.2新型S形曲線算法仿真

3結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于Android的電解質(zhì)分析儀，為用戶提供了更加友好的人機交互方式，功能模塊劃分更加明確，提高了樣本檢測效率，簡化了步進電機的控制。但由于筆者時間和精力有限，系統(tǒng)仍存在一些不足之處。可從以下幾個方面加以改進：本設(shè)計中只用到了Android串口屏[8]中的USB、串口，在后續(xù)研究中可考慮使用RJ45接口或WIFI模塊，將儀器聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)遠程控制及數(shù)據(jù)共享；PCB在電磁兼容方面設(shè)計還存在一些不足，需進一步完善；步進電機驅(qū)動板的限流電阻為固定值，為了適應(yīng)更多種類型的兩相步進電機，可考慮在電機驅(qū)動板上增加多路限流電阻，通過撥碼開關(guān)根據(jù)電機的特性來調(diào)節(jié)限流電阻的大小，從而匹配電機的驅(qū)動電流。

圖5連續(xù)的S形曲線

參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：孫娟）

第1期 蔡源，曾宇航，吳小輝，等：第三方運營O2O客戶增值服務(wù)管理平臺設(shè)計軟 件 導 刊2017年標題