摘 要： 针对高速医疗检测仪器对高灵敏和较强自适应能力的需求，提出一种基于PLL的自校准液面检测系统设计。该设计首先通过PLL电路将探针电容的变化转换为电压的变化，然后采用自校准算法调节PLL芯片VCIN的静态工作电压，最后结合自适应检测算法实现液面检测功能。实验表明，该液面检测系统中MCU输出的液面检测信号与检测电路产生的输出信号之间的延迟约为1.6 ms；同时能兼容样本针与试剂针液面检测系统，且所有探针的插入液面深度最大误差仅为0.37 mm，满足全自动生化分析仪的临床检验要求。

　关键词： PLL；高灵敏度；自校准；自适应；液面检测

0 引言

　　随着生物技术和电子技术的发展，医疗检测仪器迅速从半自动向全自动发展，并逐渐从低速向高速过渡。交叉污染是医疗检测仪器的一个重要指标，液面检测系统的灵敏度越高，探针与液体的接触面就越小，交叉污染也就越小。高速仪器对液面检测的灵敏度提出了更高的要求，同时由于通常医疗检测仪器的样本针和试剂针的粗细不一致，而且无法保证同类型探针电容的一致性，因此很有必要设计一套适用于高速仪器的具有自适应能力的高灵敏度液面检测系统。

　　参考文献[1~3]均设计了基于振荡电路的液面检测系统，将探针的电容变化转换为振荡器输出频率的变化，但这些实现方案灵敏度均不高，不适用于高速仪器；参考文献[4]采用自适应算法提高液面检测的准确度，但没有解决探针粗细不一致的问题；参考文献[5]提出基于灰度预测的动态算法以提高液面检测的精度和可靠性，但该算法实现较为复杂，难以在单片机中实现。

　　针对上述灵敏度不够，自适应能力不强的问题，本文提出了一种基于锁相环电路（PLL）的液面检测系统设计方案。该方案通过PLL电路将探针电容的变化转换为电压的变化，经信号处理电路后，采用自校准算法调整PLL压控振荡器（VCO）的输入压控电压（VCIN）的静态工作点（即没有接触液面时），以兼容试剂针液面检测系统和样本针液面检测系统，最后结合自适应算法实现高灵敏度、高可靠性的自校准液面检测系统设计。

1 系统方案设计

　　液面检测系统的结构框图如图1所示，分为模拟电路和数字电路两部分，模拟电路以PLL电路为核心，数字电路以单片机（MCU）为核心。模拟部分包括振荡及分频、双管探针、PLL及信号处理等电路，用于实现电容变化到电压变化的高灵敏度转换；数字部分包括时钟、复位、基准源、MCU、信号输出等电路，主要完成对模拟部分的工作状态调节，用于实现自适应的液面检测功能。

2 硬件系统设计

　　硬件设计部分主要包括检测电路设计和信号处理电路设计。其中，检测电路主要实现电容变化到电压变化的高灵敏度转换；信号处理电路主要实现检测电路输出信号的隔离与可控增益放大。

　　2.1 检测电路设计

　　检测电路以PLL芯片为核心[6]，首先将6 MHz晶振经计数器（HEF4024）分频产生的375 kHz信号作为PLL芯片的参考时钟输入；然后将探针电容作为PLL芯片的RC振荡电路的一部分接入电路；最后将VCIN经低通滤波器（LP）和隔直处理后（即SIN_AMP信号）输出到信号处理电路。

　　PLL芯片（HEF4046）的内部结构框图如图2所示，为使PLL芯片正常工作，需配置图中的C1、R1和R2参数。由前期的液面检测实验数据可得，中心频率fo=375 kHz，频率偏移fL=30 kHz，根据参考文献[7]可确定C1、R1、R2的参数，其过程如下：

　　（1）确定C1、R2参数

　　由于fmin=fo-fL=375 kHz-345 kHz=30 kHz，同时根据参考文献[7]中的图7，可得C1约为92 pF，根据参考文献[7]中的图8，可得R2约为62 k?赘。

　　（2）确定R1参数

　　本设计中使用的实际电路如图3所示。C1参数在图3中包括电容值为56 pF的C8和探针电容（通过J1接入电路），R2参数在图3中包括电阻值为33 kΩ的R6和一个最大电阻为50 kΩ的电阻数字电位器U4。R1参数在图3中即是电阻值为649 kΩ的R7。

　2.2 信号处理电路设计

　　信号处理电路以MCU（ADUC814）为核心，首先将SIN_AMP信号经隔离缓冲、可控增益放大后（即ANALOG信号）交由MCU处理，然后MCU通过SPI接口控制PLL芯片的R2参数，实现PLL静态工作点的调整，将其稳定在3.5 V，以提高液面检测系统的自适应能力。

　　信号处理电路如图4所示，U5B为电压跟随器，用于信号采集；U5A是固定增益放大电路；U7为数字电位器，可由MCU通过SPI接口控制，用于增益调节。

3 软件设计

　　液面检测系统的软件设计包括自校准算法的实现（即VCIN静态工作点的调节）和自适应算法的实现（即液面检测整体流程）。

　3.1 自校准算法实现

　　为使锁相环芯片对设定的频率范围进行正常锁定，要求压控振荡器的输入电压（VCIN）在一定的范围内，且当探针接触液面时，VCIN电压会升高，所以为保证大的动态范围，VCIN应尽可能低。然而，随着环境温度的降低，探针电容会随之减小，VCIN电压也会降低。根据前期实验数据可得，当VCIN约为3.5 V时，液面检测能获得较好效果。为此，本设计引入自校准算法，通过调整R2参数来补偿因探针电容不一致而导致的VCIN静态工作点的变化，将其稳定在3.5 V，以提高系统的自适应能力，达到兼容探针电容的变化目的。

　　在执行自校准的过程中，需调节可控增益放大器的增益为1。在图5所示的自校准流程中，自校准过程主要分为以下几个步骤：

　　（1）将采集的SIN_AMP电压值和目标值作比较，根据偏差的正负确定数字电位器的调节方向；

　　（2）逐级调节数字电位器，每次调节后，需等待PLL锁定（时间为0.01 ms）后才能再次采集SIN_AMP电压，直到其与目标值的偏差改变极性为止；

　　（3）最优调节结果必定为本次设定值和上次设定值之一，通过比较差值的绝对值即可做出决定，如果上次设定值更优，则将数字电位器回调一级；

　　（4）调节完成后，需对SIN_AMP电压持续测量3次，判断电压输出偏差是否小于0.3 V。如果通过测试，则自校准成功结束；否则重新调节数字电位器，直至超过限制次数（3次），表明自校准过程失败。

　　3.2 自适应液面检测

　　不同类型的探针在接触液面时单片机采集到的AD值有较大差异，仅通过比较采集到的AD值与固定阈值之间的大小关系来确定是否接触液面，其检测精度显然不够。在本设计中，引入了自适应控制算法，其通过采集到的AD值与高低阈值之间的相对关系来对自动调整液面检测算法，以达到提高检测精度的目的。

　　在图6所示的自适应液面检测流程图中，液面检测系统首先执行系统初始化，该初始化过程包括MCU部分外设初始化、液面检测系统参数初始化、液面检测系统自校准等。然后根据MCU采集到的AD值与高低阈值之间的相对关系来自动调整液面检测算法，当AD值大于高阈值时，采用阈值法（连续3次AD值大于高阈值可确认接触到液面）；当AD值介于低阈值和高阈值之间时，采用斜率法（连续3次AD值斜率大于斜率阈值可确认接触到液面）。最后输出探测结果并做出错处理。

4 实验数据分析

　　4.1 灵敏度分析

　　设置软件使得液面检测系统工作在等待接触液面状态，之后手持装有水的试管，令针尖迅速接触液面，采用同样的方法测试500次。典型测试波形如图7所示，其中通道2为液面检测系统输出的液面检测信号（接触液面输出高电平，未接触液面输出低电平），通道1为模拟液面信号，即图2中的SIN_AMP信号。由典型波形可见，MCU输出的液面检测信号与检测电路产生的输出信号之间的延迟约为1.6 ms，具有较高的灵敏度。

　4.2 液面检测自适应能力分析

　　由于无法直接验证液面检测系统的自适应能力，目前只能通过探针插入液面深度的一致性来验证。将本文设计的液面检测系统放在项目搭建的原理样机进行实际运行以验证其检测精度，实验中分别对50根粗针（试剂针）和50根细针（样本）进行测试，且每根针测试300次，用以验证液面检测系统的可靠性与自适应能力。

　　实验表明，100根探针在300次的测试中都能准确检测到液面，说明本文设计的液面检测系统具有较高的检测精度。在表1所示的测试数据中，样本针测试和试剂针测试的插入液面深度最大误差的差值分别为0.5 mm和0.6 mm，差值较小表明一致性较好。说明本文设计的液面检测系统针对同种类型的探针具有很强的自适应能力。在所有样本针的测试中，插入液面深度最大误差为0.27 mm；在所有试剂针的测试中，插入液面深度最大误差为0.37 mm。同时，临床实验表明，0.37 mm的误差能够满足仪器对液面检测系统的要求，说明本文设计的液面检测系统具有较强的自适应能力，较好地解决了因样本针与试剂针电容差异所导致的样本液面检测系统与试剂液面检测系统不兼容的问题。

5 结论

　　本文采用PLL电路将探针电容变化转换为VCIN电压变化，提高了液面检测系统的灵敏度，使得VCIN的输出与MCU输出的液面检测信号之间延迟仅为1.6 ms；同时采用自校准算法，增强了液面检测系统的自适应能力，较好地解决了样本针、试剂针的探针电容不一致的问题；最后结合自适应算法较大程度地提高了液面检测系统的准确度和可靠性；从而实现了一套高灵敏度的具有较强自适应能力的高可靠性液面检测系统设计。

参考文献

　　[1] 张智河，黄菊英.基于电容探测的智能液面探测技术[J].中国医疗设备，2013，28（11）：131-132.

　　[2] 纪伟国.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备，2010，7（7）：52-55.

　　[3] 程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化，2009（6）：48-49.

　　[4] 曾柏杞，欧阳红林，苏深广，等.基于自适应算法的液面检测系统[J].传感器与微系统，2012，31（8）：94-96.

　　[5] Zhang Wenchang， Dong Mingli. Research on dynamic method of liquid level detect based on the probe type capacitance sensor[C]. 2012 AASRI Conference on Modeling， Identification and Control， 2012： 546-552.

　　[6] 张星原，龙伟，卢斌，等.一种高灵敏度液面探测系统的设计及其临床应用[J].传感器与微系统，2014，33（6）：72-74.

　　[7] HEF4046B product data sheet[EB/OL]. （2014-07-20）.http：//www.nxp.com/documents/data_sheet/HEF4046B.pdf.