周 劍，李躍新

(1.常熟理工學(xué)院 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500; 2.湖北大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

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基于片上系統(tǒng)協(xié)同計算的實時數(shù)據(jù)自動檢測電化學(xué)傳感器

周 劍1，李躍新2

(1.常熟理工學(xué)院 江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500; 2.湖北大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

針對應(yīng)用于生物體內(nèi)特征物質(zhì)檢測與跟蹤的電化學(xué)傳感器的其智能化和集成化問題，文章提出了一種基于片上系統(tǒng)的支持實時數(shù)據(jù)自動檢測的電化學(xué)傳感器；首先，將應(yīng)用于電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)，通過將測量樣品、檢測溶液接口、多電極和檢測傳導(dǎo)器等單元集成在片上系統(tǒng)，結(jié)合信號轉(zhuǎn)換和電源裝置，實現(xiàn)電化學(xué)傳感器的獨立計算、存儲和通信功能；接著，通過實現(xiàn)待測量物多電極、檢測溶液電極子和單片機邏輯控制的協(xié)同計算滿足自動檢測需求；最后，基于數(shù)據(jù)整合與自動化處理設(shè)計了支持實時數(shù)據(jù)檢測的電化學(xué)傳感器；驗證結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)檢測精度和實時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；自動檢測；協(xié)同計算；片上系統(tǒng)

0 引言

為了滿足物理化學(xué)檢測技術(shù)發(fā)展的多樣化需求，電化學(xué)傳感器以其成本低廉、檢測靈敏度高、魯棒性強等因素[1-2]，結(jié)合各種新型檢測材料和實時傳感技術(shù),在農(nóng)藥殘留檢測[3]和環(huán)境監(jiān)測[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)檢測逐步需要保障實時、自動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，實現(xiàn)檢測裝置微型化和檢測過程一體化。因此，研究電化學(xué)傳感器的片上系統(tǒng)架構(gòu)和計算方案成為增強傳感器數(shù)據(jù)檢測的穩(wěn)定性和實時性成為應(yīng)用研究領(lǐng)域熱點問題。

文獻[5]針對活性氧ROS，DNA堿基和活性氧ROS損傷DNA等數(shù)據(jù)檢測，研發(fā)了一系列電化學(xué)傳感器。文獻[6]為了使得接地網(wǎng)腐蝕電化學(xué)原位檢測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。

針對電化學(xué)傳感器的自動檢測與集成化問題，提出了一種片上系統(tǒng)的基于協(xié)同計算的實時數(shù)據(jù)自動檢測算法及傳感器結(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)基于待測量物多電極、檢測溶液電極子和單片機邏輯控制協(xié)同架構(gòu)，提出了點化學(xué)傳感器協(xié)同控制方案；3)在片上系統(tǒng)建立三級協(xié)同計算單元構(gòu)建了自動數(shù)據(jù)檢測算法。

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，可將測量樣品、檢測溶液接口、多電極、檢測傳導(dǎo)器和檢測裝置集成在一個芯片上，結(jié)合芯片控制邏輯單元、單片機單元、信號處理單元和存儲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)成一個獨立的智能終端設(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)是基于檢測單元、處理單元和通信單元異構(gòu)結(jié)合的用于綜合檢測與傳輸數(shù)據(jù)的一類片上集成傳感器。檢測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溶液中進行電子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)檢測，檢測后的活性氧產(chǎn)物密度發(fā)生變化，引起檢測傳導(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)信號轉(zhuǎn)換為電信號，發(fā)送給單片機單元。上述電化學(xué)漸變和電極反應(yīng)過程如公式(1)所示。

(1)

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

單片機接收到電信號后，工作如圖2所示。片上系統(tǒng)以信號類別可以分為兩部分：電化學(xué)反應(yīng)部分和信號處理部分。其中，電化學(xué)反映部分選擇性地與待測物發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)信號?；瘜W(xué)信號結(jié)合電子轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象傳輸檢測傳導(dǎo)器，然后將所測得的化學(xué)信號經(jīng)單片機單元轉(zhuǎn)換為電信號。接著，可對該電信號進行存儲、計算和通信等一系列操作。接收端可借助多電極、光纖或者對待測物質(zhì)敏感部件將接收到的電信號以多種形式進行處理，為上層應(yīng)用或用戶提供對檢測樣本的檢測結(jié)果。

圖2 片上系統(tǒng)信號傳輸與處理

為了優(yōu)化電化學(xué)檢測單元與信號處理單元的融合關(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)所示機理構(gòu)建既可以保障電化學(xué)檢測反應(yīng)穩(wěn)定又可以準確捕捉電離子轉(zhuǎn)移效應(yīng)下電位檢測結(jié)果。

(2)

(3)

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

經(jīng)片內(nèi)總線傳至檢測傳感器的為單片機提供的電信號強度如公式(4)所示。

(4)

其中:Asu表示獨立電信號單元，∑I表示對片內(nèi)總線上電子勢求和，ω表示檢測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)同計算實時數(shù)據(jù)自動檢測算法

電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)，因集成了測量樣本、檢測溶液、傳導(dǎo)器和單片機，不存在由于外界干擾、樣品腐蝕失效或化學(xué)信號傳輸錯誤而造成的信號強度、測量物時效與檢測結(jié)構(gòu)不匹配的問題。因此，能夠在剔除上述因素的條件下，將數(shù)據(jù)檢測問題轉(zhuǎn)換為3個模塊單元的數(shù)據(jù)計算問題，然后進行數(shù)據(jù)整合與自動化處理并給出實時檢測結(jié)果。分別對待測量物多電極、檢測溶液電極子和單片機邏輯控制進行數(shù)學(xué)建模。

待測量物多電極結(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)極其機理意義為前提，建立便于信號轉(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的多電極機理結(jié)構(gòu)。其中，待測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EP。該模型是由待測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物樣本濃度，根據(jù)其電子量模擬片內(nèi)氣體電子活動，多電極間夾角弧度控制電極間協(xié)作過程，可由片內(nèi)局部電流與離子轉(zhuǎn)移方向上線性乘積實現(xiàn)，模型中參數(shù)獲得可由公式(5)和(6)實現(xiàn)，協(xié)作過程控制如公式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

其中:P(SD(ER+)-C→SD(ER-))表示待測物因電化學(xué)反應(yīng)對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 活性氧檢測多電極機理結(jié)構(gòu)

圖4闡述了檢測溶液電極子機理與等效電路模型。其中，呈V形的檢測溶液池便于與電極子陣列形成映射極陣。待測物如活性氧經(jīng)過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，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協(xié)同計算過程如公式(8)所示。

(8)

圖4 檢測溶液電極子機理與等效電路

以上2個協(xié)同計算單元分別用于實現(xiàn)待測物存儲管理和電化學(xué)反應(yīng)協(xié)同計算過程，當?shù)玫交瘜W(xué)信號后需要通過協(xié)同控制實現(xiàn)對其邏輯時序控制和信號類型轉(zhuǎn)換，協(xié)同機理及信號轉(zhuǎn)移過程如圖5所示。其中，協(xié)同計算采用扇形布局轉(zhuǎn)換器陣列及其檢測結(jié)果，然后通過片內(nèi)總線發(fā)送給單片機進行處理，該過程具有公式(9)所示機理。

圖5 單片機邏輯控制協(xié)同計算機理

(9)

綜上所述，基于電化學(xué)傳感器片上系統(tǒng)的協(xié)同計算實時數(shù)據(jù)自動檢測算法流程描述如下：

1)待測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)同計算得到待測物的電子量、離子勢和電極感應(yīng)勢參數(shù)；

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

4)電化學(xué)反應(yīng)過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)檢測結(jié)果的化學(xué)信號；

5)等待協(xié)同時序發(fā)生器發(fā)來控制命令，激發(fā)總線協(xié)同控制單元，將電信號發(fā)送至轉(zhuǎn)換器陣列；

6)轉(zhuǎn)換器陣列按照協(xié)同時序進行計算，結(jié)果反饋至片內(nèi)總線；

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

3 傳感器數(shù)據(jù)檢測性能驗證

為了驗證所設(shè)計的基于片上系統(tǒng)和協(xié)同計算的電化學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)檢測性能，針對活性氧檢測效果從實時性和檢測數(shù)據(jù)精度兩個方面，通過實驗與無片上系統(tǒng)的電化學(xué)傳感器進行性能對比分析。為了方便，實驗中將所提點化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)記為C3E-Sensor，無片上系統(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)機理，設(shè)置實驗溶液成分如表1所示。

(10)

協(xié)同計算過程中，協(xié)同控制時序可由如下算法產(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

將時序發(fā)送給電極子陣列;

向單片機邏輯控制單元發(fā)送通信時序信號;

END

圖6給出了C3E-Sensor與NE-Sensor在進行活性氧檢測時的自動檢測數(shù)據(jù)精度與檢測時延等方面的對比。因為檢測溶液池中電化學(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與實測值非常接近，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)同計算，不僅降低了計算空間復(fù)雜度而且提高了檢測精度。數(shù)據(jù)檢測持續(xù)時間如圖6(b)所示，可以看出，NE-Sensor的時延較大而且有明顯抖動，難以提供穩(wěn)定和可靠的檢測結(jié)果。而所設(shè)計的C3E-Sensor因為所有數(shù)據(jù)檢測過程都在片上系統(tǒng)中發(fā)生，既節(jié)約了化學(xué)信號與電信號的轉(zhuǎn)換過程這也得益于單片機邏輯單元的協(xié)同計算方案，又縮短了信號在檢測系統(tǒng)中的傳遞時延。

圖6 自動數(shù)據(jù)檢測性能對比

4 結(jié)束語

電化學(xué)傳感器廣泛應(yīng)用于生物體內(nèi)特征物質(zhì)的檢測與跟蹤，為了推進其智能化和集成化的進程，本文提出了一種基于片上系統(tǒng)的支持實時數(shù)據(jù)自動檢測的電化學(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)，通過將測量樣品、檢測溶液接口、多電極和檢測傳導(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)傳感器具有獨立計算、存儲和通信功能。其次，數(shù)據(jù)檢測過程分為待測量物多電極、檢測溶液電極子和單片機邏輯控制協(xié)同計算過程。最后，通過將數(shù)據(jù)整合與自動化處理相結(jié)合給出了具有實時數(shù)據(jù)檢測功能的電化學(xué)傳感器。從實驗結(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)檢測精度和檢測時延等方面具有明顯優(yōu)勢。

[1] 徐淑萍, 黎 超. 基于ARM的便攜式煙氣分析儀[J].計算機測量與控制, 2011,19(7): 1788-1790.

[2] 鄒紹芳. 微型電化學(xué)傳感器研究的最新進展[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2004 (2): 336-341.

[3] 李文進, 劉 霞, 李蓉卓,等. 電化學(xué)傳感器在農(nóng)藥殘留檢測中的研究進展[J]. 食品與機械, 2013, 29(4): 241-245.

[4] 趙燕芳, 岳太星, 金玲仁. 基于石墨烯構(gòu)建的電化學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報, 2012, 22(4): 56-59.

[5] 楊 妍. 幾種活性氧和DNA電化學(xué)傳感器研究[D]. 長沙：湖南大學(xué), 2013.

[6] 季 誠, 郝承磊, 張秀麗,等. 接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)電化學(xué)檢測傳感器的研制[J]. 華北電力技術(shù), 2014 (11): 6-11.

[7] Mu X Y, Wang Z, Zeng Z Q, et al. A Robust Flexible Electrochemical Gas Sensor Using Room Temperature Ionic Liquid[J]. IEEE Sensors Journal, 2013, 13(4): 3976-3981.

[8] Levine P M, Gong P, Levicky R, et al. Active CMOS Sensor Array for Electrochemical Biomolecular Detection[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(8): 1859-1871.

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)基金項目(201302844)；江蘇省科技支撐計劃項目(BE2013060)；湖北省國際交流與合作項目(2012IHA0140)；湖北省科技重大支撐項目(2014BAA089)國家自然科學(xué)基金項目(61170306)資助；湖北省自然科學(xué)基金面上項目(2014CFB536)；湖北大學(xué)校自然科學(xué)基金項目(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)，故障檢測與知識發(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

A