基于STM32和生物传感器的葡萄糖检测仪设计

莫小凡,王晓荣,储震宇,胡上清,张进明,王永响

(1.南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京 211816；2.南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 211816；3.常州大学,江苏常州 213164)

0 引言

葡萄糖的传统检测方法有光学法和电化学法[1]。在诸多检测方法中，电化学法中的酶电极法利用葡萄糖氧化酶作为生物识别原件与葡萄糖发生酶促反应产生电信号[2-3]。该方法因具有灵敏性高、选择性好、易微型化等特点而得到广泛研究和应用。目前国内外多家公司基于这一方法研制了葡萄糖检测仪,但国外仪器存在安装成本高、易耗品采购不便等问题[4]。国内仪器因为检测范围窄,检测前需要对检测样品进行离心、稀释,这一过程不仅延长了检测周期,同时也带来了人为误差。高效液相色谱法虽然检测精确度高，但是完成一次检测需要30 min，并且投资成本较高,因此众多发酵厂仍然使用滴定法检测葡萄糖。在滴定法中由于其他糖对葡萄糖的干扰导致产品质量参差不齐、污染严重等问题。为了解决上述问题,本文提供了一种操作简单、无需稀释的葡萄糖检测仪设计方案。

1 仪器总体设计

1.1 功能设计

该分析仪在进行功能设计时充分考虑了用户需求,并参考当前主流分析仪器进行功能方案设计,尽量为用户提供友好的交互界面和完善的功能选择,仪器主要功能如图1所示。

图1 仪器主要功能

1.2 工作流程设计

仪器工作时,搅拌电机带动样品池内的磁力转子转动,将检测池内待检测样品搅拌均匀,葡萄糖与葡萄糖氧化酶发生反应，在生物传感器电极间形成电流,电流通过信号线接至仪器信号调理模块进行滤波、放大、I-V转换。调理后的信号被ADC采集到微控制器进行软件滤波和浓度值计算，处理完成后微控制器把电流值、浓度值、检测时间等相关信息显示在液晶屏幕上或传给上位机,同时保存信息至FLASH中供操作人员通过U盘获取,仪器工作流程如图2所示。

图2 仪器工作流程

2 硬件电路设计

分析仪以STM32F407VGT6微处理器为控制芯片,该芯片主频高达168 MHz,拥有丰富的ADC、I2C、SPI、定时器、串口等外设资源[5-6],可以满足仪器功能设计需求。信号调理模块利用电流高精度放大器LMP7721对信号进行调理,采集信号范围宽。数据存储模块采用MBRS256铁电存储芯片实现数据永久保存。人机交互功能通过GL25U070AT804图形液晶模块实现。步进电机采用DRV8825芯片进行精确控制。仪器主要硬件框架如图3所示。

2.1 供电电路设计

分析仪采用220 V、50 Hz工频交流供电,为减小电磁干扰对传感器信号的影响,电源转换电路进行了电磁兼容设计。使用金升阳LH10-10D0524电源转换模块和FC-LX1D EMC滤波器分别获取稳定的24 V 和5 V直流电压，使用ASM1117稳压芯片获取3.3 V直流电压,ADC基准电源通过REF193精密电源芯片获得。供电电路如图4所示。

图3 硬件框架

图4 供电电路

2.2 信号调理电路设计

目前微电流的典型检测方法有开关电容积分法、运算放大器法、场效应管运算放大器法[7-8]。该仪器设计时选择了LMP7721精密运算放大器加TLV2631恒电位电路的设计方案。LMP7721高精度放大器的输入偏置电流最低可达3 fA,25 ℃时输入偏置电流不超过20 fA，85 ℃时电流值不超过900 fA,125 ℃时则不超过5 pA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。此外,这款放大器芯片的增益带宽也极高,开环增益高达120 dB，可确保信号调整更为准确。信号调理电路如图5所示。

图5 信号调理电路

2.3 控温电路设计

为保证葡萄糖氧化酶的活性,仪器采用铂电阻进行温度测量并对温度进行控制。铂电阻测温是将铂电阻接入电桥,温度变化会引起铂电阻阻值变化,从而在电桥两端产生压差,通过测量压差计算铂电阻阻值,根据阻值采用查表法和内插法计算温度[9]。控温电路如图6所示。

图6 控温电路

2.4 GLCD显示电路设计

在设计GLCD显示电路时，需在信号线和时钟线加入串联电阻,增加阻尼以减少导线电感的影响,并降低信号过冲的影响。GLCD工作电压为5 V，通过SPI串行设备接口与主芯片通信。电路设计如图7所示。

图7 GLCD显示电路

2.5 数据存储电路设计

数据存储电路采用MB85RS256A铁电存储芯片，该芯片容量为256 Kbit,可存储16 Bytes长度的信息2 048条。FRAM保持数据不需要周期性刷新,不易受到外界因素影响,具有非易失性的存储特性。MB85RS256A芯片采用四线制SPI方式通信,电路设计如图8所示。

图8 数据存储电路

3 软件设计

3.1 RT-Thread线程划分

该仪器模块较多,模块间衔接要求严格,因此主程序需要合理规划。为保证系统的实时性,协调各功能模块,仪器基于RT-thread平台进行线程设计。RT-Thread是一款开源嵌入式实时操作系统,不仅提供线程创建与管理、线程间同步与通信、软件定时器、I/O设备管理、异常与中断、finsh shell等基本服务,而且提供丰富的扩展组件，如文件系统、轻型TCP/IP协议栈、SQLite数据库、虚拟化VMM等。与传统嵌入式实时操作系统uCOS-Ⅱ以及FreeRTOS相比，RT-Thread具有开源、免费、组件丰富等优势。主程序线程设计如图9所示。

图9 主程序线程

3.2 人机交互界面设计

为高效地开发显示界面,仪器采用STemWin图形工具进行界面开发。STemWin拥有丰富的小工具，能够实现按钮、进度条、编辑框、绘图等功能。仪器在进行界面设计时充分考虑了企业对于操作便捷、分级管理的需求,由此设计了多个界面，界面间可实现灵活切换。界面设计方案如图10所示。

图10 界面设计

4 实验及分析

实验部分首先对仪器检测范围进行了测试，通过电化学工作站观察仪器在检测不同浓度样品时的电流变化情况,分析了仪器线性检测范围。同时在真实发酵环境下与滴定法和高效液相色谱法进行了对比测试,验证了该分析仪的精确性。最后对试用厂商反馈的检测数据进行了线性拟合,结果表明该仪器在真实工业环境中性能优越。

4.1 仪器检测范围测试

为检测仪器的浓度检测范围,每隔50 s向检测池注入等体积的质量浓度为30 g/L葡萄糖溶液,并将仪器采集到的电流信号送至电化学工作站进行分析。观察电流变化情况,并对前6次注入检测液后的稳定电流值做线性拟合,拟合结果如图11所示。

图11 响应电流曲线

由图11可以看出，仪器前6次注入溶液时稳定电流阶跃值相等，注入7次以后电流阶跃值开始变小，分析可知该仪器的良好线性检测范围为0～180 g/L。目前工业生产中的葡萄糖浓度检测需求在0～200 g/L之间,大部分集中在50～100 g/L之间,现有仪器检测范围在0～30 g/L之间，因此该仪器在检测范围上拥有较大优势。

4.2 仪器检测精度测试

为了测试仪器的精确性,在发酵厂随机抽取了10只发酵罐,分别用液相色谱法、滴定法和该葡萄糖分析仪对其中的发酵液进行检测，并分别计算葡萄糖仪器检测值、滴定法检测值与液相色谱检测值的相对误差,检测结果如表1所示。

表1 对比测试数据表

分析表1中数据可知，葡萄糖仪器检测结果比滴定法检测值更精确,仪器法检测结果与液相色谱检测结果的相对误差小于2%,且大部分小于1%，满足发酵行业允许的2%相对误差。此外，在一家制药厂对某一发酵过程进行了连续观测,分别用高效液相色谱法和仪器法每隔30 min对葡萄糖浓度进行检测,并将80组检测结果进行了曲线拟合，结果如图12所示。

图12 拟合曲线对比

从图12中可以看出,仪器检测结果与高效液相色谱法检测结果曲线重合度较高。

5 结束语

本文提供了一种基于STM32和生物传感器的葡萄糖检测仪设计方案,给出了主要软硬件的具体实现方案,并通过真实发酵液测试了仪器的检测范围、精确度等性能。实验结果表明该分析仪检测范围宽、检测精度高，并且样品无需稀释、操作便捷，较好地解决了现有葡萄糖分析仪存在的不足。