基于Android的電解質分析儀設計與實現

晏小雲+劉黎志

摘要摘要：電解質分析儀是醫學臨床檢測電解質離子濃度的儀器，利用計算機技術和嵌入式技術對其加以有效的開發管理對于醫學診斷具有重要意義，其檢測結果可為患者治療方案提供有力依據。設計了一種基于Android的電解質分析儀，實現了Android管理機制與中間層Cortex M4內核的STM32F407芯片和底層C8051F381微控制器、東芝TB6560AHQ驅動器不同硬件層之間的串口多幀通訊協議通信。該系統顯示效果佳，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性，系統可靠性與穩定性好，具有良好的實用價值。

關鍵詞關鍵詞：Android系統；電解質分析儀；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，人們在享受高品質生活的同時，愈加關注個人身體健康。電解質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]。電解質分析儀作為一種用于檢測電解質離子濃度的儀器，為臨床診斷提供了有力依據。

目前，電解質分析儀普遍采用離子選擇性電極法測量樣品中電解質離子的濃度[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、內充液、選擇性透析膜等構成。當被測樣品流經電極池時，被測樣品中的不同離子可透過與之對應的選擇性透析膜，與電極內充液進行化學反應，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參數傳送給處理單元，經過處理后即可得出樣品中總二氧化碳含量。

Android是由Google和開放手機聯盟共同開發的一種基于Linux內核的開源操作系統 [4]。近年來，隨著智能化信息技術的高速發展，Android已成為智能手機、平板電腦所使用主流操作系統，倍受廣大用戶青睞。基于Android系統的工業控制系統的研發也成為當前的一個研究熱點，一些工控設備廠商已經在生產制造Android工業平板，如北京迪文、深圳揚創、深圳顯控等，平板電腦能提供必要的底層驅動、接口調用以及SDK，方便程序設計人員用于工業應用開發。

Android工業平板保留了大部分普通接口并增加了工業控制類接口，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控制現場，Android設備還難以滿足嚴格的實時需求，那么在一些交叉性領域，比如樓宇智能控制、智能家居控制、醫療電子、公共服務設備等，都可以基于Android系統進行應用開發，提供界面及UI交互手段。

根據以上論述，傳統的電解質分析儀在硬件架構設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系統提供的人性化的交互方式，為基于Android系統的電解質分析儀上位分離的實現提供了可靠的技術支撐。

1電解質分析儀總體設計

1.1液路控制模塊

液路控制模塊通過電磁閥和電機協同工作來控制測量樣本在儀器內部的合理流向。在本設計中，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、樣品轉盤、轉盤電機組成，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。液路控制模塊結構如圖1所示。

根據圖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M6兩個步進電機聯合控制進樣針的前后上下動作，步進電機M4則控制樣品轉盤轉動。

電磁閥A和B的通斷，結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離子的參數傳遞給信號處理板。CO2傳感器將檢測到的CO2參數傳遞給主控板。

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離子產生的電位差符合能斯特方程：

需要進行系統標定，克服漂移，提高系統測量的準確性。

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，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，可能會出現測量結果與實際結果這兩條對數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果。

1.3總體架構設計

目前市場上的電解質分析儀采用兩層架構設計，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僅僅用于顯示數據，控制命令都由物理按鍵觸發，主控板在接收到命令后，驅動相應的機械部件來執行指定的操作，并完成數據采集與分析，給出檢測結果。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，與第一種方案相比，省去了物理按鍵部分，面板上可以預留出更多的空間給觸摸屏，從而提供更加豐富的顯示內容。

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

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

頂層為人機接口層，選用帶有Android系統的工業串口屏[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系統上運行上位機程序，實現所有UI，完成與中間層的交互，還可以將數據通過USB、網口或者串口傳送至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動板進行實時通訊。主控板選用基于Cortex M4內核的STM32F407作為核心控制芯片，以μC/OS III[7]為軟件平臺，開發設計核心控制程序，實現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據的采集與分析。

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

2.1新型S形曲線設計

在本設計中，為了使算法實現簡單，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曲線的偏移旋轉所得，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，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180°所得。這樣的處理在保證穩定性的基礎上簡化了處理過程。

經過平移和旋轉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結語

本文設計并實現了基于Android的電解質分析儀，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，系統仍存在一些不足之處。可從以下幾個方面加以改進：本設計中只用到了Android串口屏[8]中的USB、串口，在后續研究中可考慮使用RJ45接口或WIFI模塊，將儀器聯網，以實現遠程控制及數據共享；PCB在電磁兼容方面設計還存在一些不足，需進一步完善；步進電機驅動板的限流電阻為固定值，為了適應更多種類型的兩相步進電機，可考慮在電機驅動板上增加多路限流電阻，通過撥碼開關根據電機的特性來調節限流電阻的大小，從而匹配電機的驅動電流。

圖5連續的S形曲線

參考文獻：

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[4]金智義， 張戟. 基于Android平臺的串口通信實現[J]. 電腦知識與技術， 2011， 7（13）： 29832985.

[5]嚴旭. 基于Android的個人健康信息管理系統設計與實現 [D]. 西安： 西安建筑大學， 2014.

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[7]廖永富， 羅忠， 冉全. 一種新型S形曲線步進電機加減速控制方法[J]. 湖北第二師范學院學報， 2015， 32（8） ： 3235.

[8]T KARAGIANNIS， K PAPAGIANNAKI， M FALOUTSOS.BLINC：multilevel traffic classification in the dark[C].In Proceeding of ACM SIGCOMM， 2005.

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客戶增值服務管理平臺設計軟 件 導 刊2017年標題