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一种新型食品卫生快速检测仪的硬件设计 摘要 设计了一种新型的基于a t p 生物发光技术的食品微生物含量检测仪。仪器 采用新型硅光电二极管作为光电传感器，克服了传统a t p 卫生检测仪体积大、 需要自动加样系统、只适用于实验室环境等缺点，能够现场快速、便捷地检测 食品或食品生产环境的卫生状况。主要研究了低成本、高精度和高灵敏度的荧 光探测方法、微弱信号处理技术、便携嵌入式系统的低功耗技术以及嵌入式系 统硬件抽象层的设计。讨论了仪器的总体方案，详细地描述了电源电路、微弱 荧光检测电路、校准电路、微处理器电路、存储电路、液晶驱动电路、通信接 口电路及基于i t c o s i i 实时操作系统的硬件驱动程序等各个模块的设计。 实验证明该仪器检测迅速、精度高、重复性好、操作方便，能够满足食品 生产环境中卫生检测的需求。 关键词：细菌检测、生物发光、检测仪、电路设计 h a r d w a r ed e s i g no fan e wr a p i df o o dh y g i e n ed e t e c t o r a b s t r a c t h a r d w a r eo ft h en e wf o o dh y g i e n ed e t e c t o rd e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o ni s b a s e do na t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e ) b i o l u m i n e s c e n c e ，w i t ht h ep u r p o s et o r a p i d l ye x a m i n et h ec o l o n yo ff o o d t h ed e t e c t o ru s i n gn e ws i l i c o np h o t o d i o d ea sa p h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ld e t e c t o r s ，h a v et h ef o l l o w i n g a d v a n t a g e s ：s m a l ls i z e ，e a s yt oo p e r a t e ，r a p i dd e t e c t i o n t h em a i nc o n t e n to ft h e d i s s e r t a t i o ni ss t u d i e da sf o l l o w s ：l o w - c o s t ，h i g hp r e c i s i o na n dh i g hs e n s i t i v i t yo f f l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nm e t h o d ；w e a ks i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ；p o r t a b l e l o w p o w e re m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g y ；e m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r ea b s t r a c t i o n l a y e rd e s i g n i nt h ed i s s e g a t i o nw eh a v ed i s c u s s e dt h eo v e r a l lp l a no ft h ed e t e c t o r ， d e s c r i b e dt h ed e s i g no ft h e s em o d u l e si nd e t a i l ：p o w e rc i r c u i t ，w e a kf l u o r e s c e n c e d e t e c t i o nc i r c u i t ，c a l i b r a t i o nc i r c u i t ，m i c r o p r o c e s s o rc i r c u i t ，m e m o r yc i r c u i t ，l c d d r i v e rc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n d h a r d w a r ed r i v e r sb a s e do n r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m c o s - i i e x p e r i m e n t s s h o w ：t h ed e t e c t o rd e t e c tr a p i d l y ，h i g hp r e c i s i o n ，g o o d r e p e a t a b i l i t y ，e a s yt oo p e r a t e ，a n db ea b l et om e e t t h ef o o dh y g i e n ed e t e c tn e e d s k e y w o r d s ： b a c t e r i ad e t e c t e d ；b i o l u m i n e s c e n c e ；d e t e c t o r ； c i r c u i td e s i g n 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 12 图3 13 图4 1 图4 2 表2 1 表2 2 表4 1 图表清单 l c d 显示画面7 光电二极管等效电路。9 光电二极管工作模式1 0 s12 2 7 6 6 b r 光谱特性1 1 电流电压转换简化电路1 2 m a x l 4 0 7 结构框图1 6 体系结构图l7 硬件系统结构框图1 8 3 3 v 电源电路图一1 9 微弱荧光检测模块供电电路2 0 复位电路2 l 信号检测电路2 2 光电二极管泄露途径2 3 校准原理图2 4 微控制器电路2 5 e e p r o m 存储电路一2 6 键盘电路2 6 液晶驱动电路2 7 调试接口电路2 8 u a r t 接口电路2 9 键盘驱动流程图3 2 h t l 6 2 2 写时序3 5 系统需求分析表一6 微弱光探测器件优缺点1 0 液晶字符地址码字表3 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：盘竞签字日期：l 由1 年叩捆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆至些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目巴王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 芷f 0 导师签名： 签字日期：。4 1 年口叩胡 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： ：却 妒l 一 月矽日 袭r 谢辞 值此论文完成之际，首先我要衷心感谢我的指导老师吴永忠副教授! 吴老 师知识渊博，要求严格，不仅给我提供了许多相关资料，而且对于我所提出的 问题给予耐心的讲解，是我在学习研究中的一盏明灯，引导着我，在我遇到困 难时，为我指点迷津，于我做论文期间的疑惑，他都一一给我讲解，并对原因 加以分析，在吴老师的帮助下，自己的创新意识、自学能力、动手能力以及分析判 断、解决问题的能力都有了很大的提高。 同时，我也深深地感谢我的好朋友：范军、刘辉、覃敏东以及其他给予我 帮助的同学。大家在一起集思广益、共同研讨，这对我顺利完成论文有很大帮 助：感谢研0 6 ( 1 4 ) 班诸位同学以及三年来许许多多给过我关心和帮助的好友， 与他们一起度过的快乐时光将成为永远的美好回忆。 在这里，我还要特别感谢我的家人! 是他们一直鼓励着我，支持着我念完 硕士! 父母以自己的辛劳换取我学习的机会，是他们教会我做人的道理，并激 励着我要积极向上、勇往直前! 他们的勤劳、善良、不怕吃苦、顽强奋斗的精 神永远值得我学习! 作者：孟宏 2 0 0 9 年0 3 月10 日 第一章绪论 1 1项目背景 食品安全是一个直接关系到人民群众生命、健康和社会稳定的重大公共安 全问题，而微生物污染又是其中极为重要的因素。因此能够快速检测出食品中 微生物的含量对人们生活水平的提高具有重大的意义。 我们知道a t p ( a d e n o s i n et r i p h o s p h a t e 三磷酸腺苷) 是包括微生物在内的 一切活生物细胞能量的来源。微生物的数量与细胞内所含a t p 的总量之间有一 定的相关关系。因此a t p 含量的多少可直接反映出食品被测液中微生物的含量， 从而反映出食品的卫生状况。当a t p 在一定浓度范围内时，其浓度与发光强度 呈比例关系。用光度计测出发光强度，也就得到了细菌总数。这种方法可以在 几分钟内得到结果，大大缩短了检测时间。 但是目前大部分a t p 卫生检测仪均采用光电倍增管( p m t ) 作为荧光探测 器，闪光型萤火虫荧光素酶作为检测试剂，导致体积较大，价格昂贵，仅适合 于实验室的验证工作，极大的限制了其在食品卫生检测领域的应用。为了克服 其缺点，本文采用新型硅光电二极管作为荧光探测器，辉光型荧光素酶作为检 测试剂，设计出了一种新型的a t p 食品卫生检测仪，具有体积小、功耗低、高 灵敏度和检测速度快等优点，适用于民用和商用卫生程度，对替代进口、竞争 国内外市场具有重大的意义。 本论文来源于实际项目，受国家科技型中小企业技术创新基金项目( 计划 编号：0 6 c 2 6 2 13 31 12 0 8 ) 和安徽省高等学校自然科学研究基金( 计划编号： k j 2 0 0 8 a 0 7 6 ) 资助。 1 2国内外研究概况 选择何种快速、有效的食品微生物检测方法，是当今食品安全必然设计的 技术课题。当前国内外常用的微生物检测方法主要有传统测定菌落总数检测方 法和a t p 检测方法两种。 国内外测定菌落总数的标准方法基本一致。从检样处理、稀释、倾注平皿 到计数报告无明显不同，只是在某些具体要求方面稍有差别，如有的国家在样 品稀释和倾注培养时，对吸管内液体的流速，稀释液的震荡幅度，时间和次数 及放置时间等均作了比较具体的规定。 需要说明的是，用传统培养法检测食品中菌落总数虽被称为“金标方法”， 但其培养时间长且对检测条件以及检测人员的专业水平和工作经验要求较高。 而且，培养法所测得的菌落总数的含义并不表示实际中的所有细菌菌落总数， 而是指在一定条件下( 如需氧情况、营养条件、p h 、培养温度和时间等) 每克 ( 每毫升) 食品检样所生长出来的细菌菌落总数。 a t p 生物发光法作为新兴的检测微生物含量的方法，测量快速、方便，测 定范围广，能有效地弥补传统方法的不足1 1 1 ，己成为国内外研究的热点1 2 。3 】。在 环境检测、食品卫生、生命科学、医药、海洋学等方面有很好的发展前景【4 。 过去的2 0 年中，荧光素酶a t p 分析的检测极限从1 0 - 1 4 m o l e 提高到了 l0 - 1 8 m o l e l 8 一l 。 2 0 世纪8 0 年代，英国人首先研制出a t p 检测仪，随后发展到欧洲、美 国和日本。应用范围涉及食品加工、超市和饮食行业，检测内容包括微生物和食 品残渣。19 9 8 年，日本国会颁布了关于食品制造过程管理高度化临时措旌法， 其中即包含了应用a t p 检测仪的内容。1 9 9 9 年，日本还成立了a t p 涂抹检查 研究会，专门研究该方法的使用效率和应用领域，其内容之一就是在食品卫生 监测领域中，解决现场微生物的检测问题【l0 1 。 国内对生物发光的研究起步于2 0 世纪6 0 年代，9 0 年代达到高峰，主要工 作是检测无机物和无机离子。近年来，化学发光与流动注射技术相结合使化学 发光分析技术广泛地应用于食品等科学领域。随着现代光子计数技术的发展， 此项技术已开始应用于医学、农业以及生命科学等领域，微弱发光分析技术与 传统的检测方法相比具有费用低、灵敏度高、操作简便、检验速度快等优点。 2 0 0 2 年，我国卫生部颁发了食品加工企业的h a c c p 实施指南，鼓励食品加 工企业引入a t p 检测系统。 目前，我国对a t p 技术主要局限于应用层面，在a t p 仪器的开发方面尽管 做了一些尝试，但技术水平与先进国家相比差得很远，设备笨重、价格高昂， 主要应用于实验室的技术验证工作。现有的a t p 检测仪基本上来源于国外，国 内自主开发的适用于民用和商用卫生程度的便携式检测仪几乎是空白，进口产 品价格十分高昂，一般都在2 5 万元以上，极大地限制了它的应用。 1 3a t p 检测技术的分类 a t p 是生物体内的能量物质，对生物体的存在以及体内的生命过程有着特 殊意义生物体死亡后，a t p 将很快被分解掉。活细胞中a t p 与有机碳的比率 是相当稳定的【】，因此，通过测定样品中的a t p 浓度，就能推算出微生物含量。 目前对a t p 含量测定的方法主要有层析法、电泳法和生物化学发光法引。 下面将对这几个方法进行比较，以便选择一个较好的方法对a t p 进行测量。 1 3 1 层析法 当各组分的分配系数及亲和力存在一定差异时，可以通过层析法将其一一 分离。a t p 的层析分析方法主要有纸层析法、离子交换柱层析法和高效液相色 谱法。 ( 1 ) 纸层析法纸层析方法测定a t p 含量是生化试剂核苷酸含量测定的 2 通用方法，其常用的展开剂组成为异丙醇+ 浓氨水+ 水( 7 ：1 ：2 ) 。对于一些定 性分析，也可以直接用显色剂显色观察结果。 ( 2 ) 离子交换柱层析法核苷酸是两性化合物，不同的核苷酸的电离常 数( p k ) 和由此得到的等电点存在差异。当介质的p h 值不同时，其所带的净 电荷也会不同。p h 值高于5 时，所有的核苷酸都会带负电荷，会被阴离子树脂 吸附，因此可以采用分步降低p h 值或分步增加阴离子浓度的方法将不同的核 苷酸依次洗脱下来。检测洗脱液a 2 6 0 ，将之与洗脱液体积作图，便能得到a t p 的分析结果。 ( 3 ) 高效液相色谱法高效液相色谱具有强大的分离能力，随着高效液 相色谱法( h p l c ) 的广泛应用，a t p 制剂及生物组织中a t p 纯度与含量的测 定变得简便易行。 与高效液相色谱法相比，经典层析法的效率较低，分离时间长，但所需的 仪器简单。依据对分析结果精度要求的不同，适当选用经典的层析法测定是可 取的。 1 3 2 电泳法 核苷酸分子上既带有碱性基团，又带有酸性基团。在一定条件下，通过荷 电核苷酸分子特性的差异，可以用电泳法将不同的核苷酸分离开来。依据支持 介质及技术上的差异来划分，见诸报道的a t p 电泳分析方法主要有纸电泳法和 毛细管电泳法。 ( 1 ) 纸电泳法卫生部及地方的a t p 标准测定方法均采用纸电泳法。该方 法用纸电泳将a t p 与杂质分离，紫外分光光度计测定分离出的a t p 的吸收值，计 算其含量。此种方法技术成熟，但操作繁琐，耗时长。 ( 2 ) 毛细管电泳法采用毛细管的区带电泳技术( c z e ) ，克服了传统区 带电泳的热扩散和样品扩散问题，使分析灵敏度有了很大提高，分离效率可达 到百万块塔板数。而将电泳原理和色谱法相结合的毛细管胶束电动色谱 ( c m e c ) ，还解决了电泳法不能分离中性物质的缺陷。此种方法快速、便捷、 精确，但是仪器昂贵。 在建立电泳分析方法中，改进或寻找更好的电泳支持介质，将有助于提高 a t p 分析的分辨率；采用适当的分离方法与检测方法搭配将有利于减少工作步 骤，提高分析数据的准确性。 1 3 3生物化学发光法 生物发光法是m c e l r o y 等首先引入的。此方法所依据的原理是：在荧光素 酶和镁离子的作用下，荧光素与a t p 发生腺苷酰化被活化，活化后的荧光素与 荧光素酶相结合，形成荧光素一a m p , 复合体，放出焦磷酸( p p i ) 。该复合体被 分子氧氧化，导致荧光素产生电激发，放出c 0 2 和h 2 0 ，当荧光素从激发态回 到基态时发射光。最后l a m p , 脱离酶，形成荧光素l 和a m p 。反应所产生的 光和a t p 含量成正比，根据发光的强弱就可以选择性定量测定a t p 的含量。其 反应过程如下2 l ： 三“咖r 加+ a t p 二坚甜c 雅叫一a m p + p p f 。l u c i f e r a s e 。 。 l u c i f e r y l 一么口+ 0 2 垒玺：! o x y l ”c i f e r i n + c 0 2 + 彳脚+ 办v l u c i f e r a s e 原则上，光发射动力学功能性地可分为两类：闪光型( f l a s h ) 光在几秒 钟内就发射完；辉光型( g l o w ) 光能长时间发射，甚至到几小时。这个分类 是有用的，一方面对于辉光型反应可以用手工加样，另一方面测试闪光型的反 应必须要有自动注射器。 通常，萤火虫荧光素酶能引发闪光型发光，需要注射器，但是当其有增强 剂存在时，其成为辉光型。因此，可以不需要注射器。目前商业化的大多数的 检测试剂是辉光型的。一般可以不需要注射器。这样可以大大的减小检测仪的 体积。 综上，我们可以看出生物化学发光法具有很大的优点。生物发光法作为一 种简便、快速的微生物检验方法和食品生产环境洁净度的检测方法，近年来在 国内外倍受注目，并得以广泛应用。因此，本检测仪采用此方案，对被测试样 产生的微弱荧光进行测量，从而间接得出食品试样中微生物的含量。 1 4主要研究目标与内容 主要研究目标：设计制作出基于a t p 生物发光法的食品卫生快速检测仪的 硬件系统和屏蔽硬件细节的硬件驱动。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 低成本、高精度、高灵敏度的光电探测技术 a t p 微生物发光微弱，信号易被淹没，需要借助微弱光探测器件获取信号。 光电二级管是一种具有极高灵敏度和高速响应特性的光电转换器件。处在光伏 模式下，零偏置，不存在暗电流，有较低的噪声，线性好，能够适用于微弱光 的精确测量。 ( 2 ) 微弱电信号调理技术 传感器输出的电流极其微小，对与之匹配的电子系统具有较高要求。光电 探测系统实际上是光电信号转换、传输和处理的系统，对于极其微弱的光信号 探测，要求系统具有高信噪比、高灵敏度和高稳定性等特点。 ( 3 ) 便携嵌入式系统的低功耗设计 4 便携嵌入式系统的一个主要设计难点就是它的低功耗要求。此a t p 食品卫 生检测仪要求采用两节a a 电池供电，具有近乎苛刻的低功耗需求。 ( 4 ) 嵌入式系统硬件驱动层的设计 硬件驱动层将底层硬件细节进行封装，为上层应用提供接口。使得上层程 序员不必了解底层硬件细节，从而专注于应用程序设计。 1 5 论文章节安排 论文各章节安排如下： 第一章是绪论，主要阐述论文选题的背景和意义及课题研究的主要内容。 第二章是总体设计，包括以下几个方面：检测仪的需求分析、规格、技术 指标和关键技术及其解决方案。 第三章详细介绍了硬件层的设计，包括各个模块的具体实现、设计过程中 的注意事项等。 第四章详细介绍了嵌入式i 上c o s i i 实时操作系统下硬件驱动层的设计，给 出了硬件驱动接口函数，屏蔽了具体硬件细节，为上层用户程序使用硬件提供 了方便。 第五章对本文所做的工作做了总结，讨论了设计过程中遇到的难点以及检 测仪的特点，并指出了下一步需要进行的工作。 5 第二章系统总体设计 本章将从以下几个方面论述a t p 食品卫生检测仪的总体设计：a t p 检测仪 的需求分析、规格说明、主要技术指标和关键技术及解决方案。 2 1需求分析 根据总体要求，作如下需求分析说明： 裹2 - 1 系统需求分析表 系统名称a t p 食品卫生检测仪 设计目标适用于民用和商用卫生程度的便携式a t p 食品卫生检测仪 系统输入键盘、串口 系统输出串口、段式l c d 功能描述基于a t p 生物发光原理，使用辉光型萤火虫荧光素酶激发被测试样 中微生物细胞内的a t p 发出微弱荧光。利用检测仪对产生的微弱荧 光进行测量，从而对食品中的微生物含量做出快速检测。 制造成本小于0 3 万元台 功耗两节普通a a 电池，待机至少3 个月。 连续测试至少3 0 0 个试样 体积7 2 m m ( 宽) 19 1m m ( 长) * 3 2 r a m ( 厚) 重量 含电池约3 0 0 9 2 2规格说明 2 2 1测试舱 测试舱是承载测试样品的地方，要求如下： ( 1 ) 测试舱关闭时必须具有绝对的光密闭性。当它打开时，检测器必须得 到保护以免过量的光照射而引起的记忆效果。 ( 2 ) 因为光发射是全向性的，只有一部分光会直接到达检测器。因此需要 使用反光表面。一个测试舱的效率定义为到达光电传感器的光子数与样品发 射出来的光子数比值。这个数值依赖于样品的形式和波长。 2 2 2 微弱光检测器 微弱光检测器测量a t p 生物发光发出的微弱荧光强度，是整个仪器的核心 部分，须具有以下功能： ( 1 ) 将微弱荧光变成可见的数字并显示在l c d 上。 ( 2 ) 将测试结果进行存储，以便随时查阅。 6 ( 3 ) 将测试结果上传至p c 机，便于进行统计。 ( 4 ) 具有可设定的上下限，根据设定的上下限判断测试结果是否通过。 ( 5 ) 具有内部校准光源，对检测仪进行自动校准。 2 2 3 键盘及液晶 键盘采用薄膜开关独立按键，共有七个键，其名称和功能分别为： ( 1 ) 电源键：打开或关闭检测仪 ( 2 ) 确认键：开始测试或对输入进行确认 ( 3 ) 限值键：选择限值序号 ( 4 ) 特殊键：用于设置时间日期或限值，删除测试记录等特殊功能。 ( 5 ) 时间键：显示时间 ( 6 ) 增量键：使设置数值递增或查看下一条测试记录 ( 7 ) 减量键：使设置数值递减或查看上一条测试记录 为了清晰的显示检测结果及其它内容，本检测系统采用定制的段式l c d 作 为显示屏。显示画面如下图2 1 所示： 图2 1l c d 显示圆面 液晶显示屏上部的数字具有显示检测项目和时间的双重功能，使用时间键 进行切换： ( 1 ) 限值序号8 8 ：限值序号 ( 2 ) 8 8 8 8 1 ：限值上限 ( 3 ) 8 8 8 8 上 ：限值下限 ( 4 ) 检测编号8 8 8 ：测试记录的编号 ( 5 ) 8 8 ：8 8 ： 时间 ( 6 ) 8 8 日18 月8 8 8 8 年：显示日月年 液晶屏中部的数字用于显示测试结果及测试倒计时。 7 显示屏上列标识的意义从左到右分别为：记忆标识，闪烁时表示内存容量 不足5 ，在查看记录模式中变亮；删除记忆确定标识，闪烁时提示测试人员 是否要删除全部测试记录；校准标识，闪烁时表示需要内部校准；测量单位， 以相对光强度表示。 显示屏下列标识的意义从左到右分别为：舱盖标识，闪烁时表示舱盖未关 闭；测量结果通过标识；测量结果警告标识；测量结果未通过标识；系统忙标 识：系统电量不足标识。 2 2 4主要技术指标 本检测仪的主要技术指标如下： ( 1 ) 操作温度：5 至l j 4 0 ( 2 ) 检测范围：o n 9 9 9 9 r l u s ( 3 ) 灵敏度 ：1 f m o l a t p ( 4 ) 测量误差： 士5 或士5 r l u s ( 5 ) 设定限值：1 0 0 个 ( 6 ) 存储大小：5 0 0 个检测结果 ( 7 ) 串行接口：e i a 一2 3 2 兼容 ( 8 ) 节能模式：仪器开机1 5 分钟后无操作自动进入节能状态 2 3关键技术及解决方案 低成本、高精度和高灵敏度的微弱荧光探测、微弱电信号调理、便携嵌入 式系统的超低功耗是本检测仪的关键技术。本节将讨论这些关键技术并给出相 应的解决方案。 2 3 1微弱荧光探测技术 微生物发光有以下特点：微弱、短暂、稳定性差，信号易被淹没。因此需 要借助微弱光电探测器件获取电信号。目前微弱光探测器件主要有光电倍增管 ( p m t ) 【1 3 。1 4 】，雪崩二极管( a p t ) ，硅光电二极管等【15 1 。下面将分析其优缺点， 并选取一种最适用于本检测仪的微弱光探测器件。 2 3 1 1微弱光探测器件分类 ( 1 ) 光电倍增管p m t 把微弱的光输入转换为电子，并使电子获得倍增， 是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。目前大部分的a t p 微生 物检测仪均采用p m t 作为微弱荧光探测器【l 争1 7 j 。 光电倍增管需要在阴阳极之间加上近千伏的高压，并对阴极、聚焦极、倍 增极、阳极之间分配一定的极间电压，才能正常工作【l 引。通常用一组电阻跨接 阴阳极之间进行分压，有时利用齐纳二极管代替电阻，确保极间电压恒定。光 8 电倍增管对高压供电电源的稳定性要求很高，一般要达到0 0 1 0 0 5 。 ( 2 ) 雪崩光电二极管雪崩光电二极管是现代固态装置，能转换一个检 测到的光子成大量的电子。其特点如下【i9 2 3 j ： 外加电压的变化会使倍增因子发生较大的变化，倍增因子对的经验公式为： m = 1 1 一( y ) ”】 式中：v b 为a p d 的雪崩电压，1 1 因子与p n 结低掺杂边是n 型还是p 型 有关，还与入射波长有关。 当在线性模式下操作，用1 0 0 v 电压，a p d s 能获得1 0 0 或更多。理论上， 当a p d 的工作电压趋近于雪崩电压时，m 将趋于无穷大。但实际上，当工作 电压小于雪崩值时，m 到1 0 0 0 左右就会饱和。 为了获得更多a p d 可以“盖革”模式操作。在这种模式下，需要一个比崩溃 电压还大的电压( 约4 0 0 v 或更大) 。不管是一个光电子或热噪音产生的电子， 更多的获得会发生。可通过制冷减少a p d 产生的热电子数。在g e i g e r 模式下， 单个光子的检测到的效率接近于7 0 。为了能够对下一个光子信号产生响应， 需要采取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地被切断，并使a p d 恢复到接收 光子的状态。通常采取的方式有：无源抑制和有源抑制【2 4 。 ( 3 ) 硅光电二极管硅光电二极管是一种光电转换器件，其基本原理是 当光照射在p n 结上时，被吸收的光能转变为电能，这是一个吸收过程，与发 光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆1 2 弘2 6 j 。 光电二极管在受到光照时，会产生一个与照度成正比的小电流，因此是很 好的光电传感器。可广泛应用于精密光度计、高速光纤接收器等领域。硅光电 二极管的等效电路如图2 2 所示： 入射光 理想二极管 图2 2 光电二极管等效电路 光电二极管可以有两种工作模式，一是零偏置模式( 光伏模式，如图2 3 a ) ， 一是反偏置模式( 光导模式，如图2 3 b ) 2 7 】。在光伏模式时，光电二极管可非常 精确地线性工作，而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要 牺牲线性。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流，叫做暗电流。 在零偏置时则没有暗电流，这时二极管噪声基本上是分路电阻产生的热噪声。 在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在设计光电二极管 过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计的，而不是两种 9 模式的使用都是最优化。 2 2 ： 光伏模式光导模式 ( a )( b ) 零偏置反偏置 无暗电流有暗电流 线性非线性 低噪音( 热噪声)高噪音( 热噪声+ 散粒噪声) 精密应用高速应用 图2 - 3 光电二极管工作模式 为了更好的比较这三种类型的微弱光探测器件，将它们的优缺点列于下表 表2 2 微弱光探测器件优缺点 微弱光探测器件优点缺点 光电倍增管高增益( 1 0 41 0 7 ) 、大光敏面积、体积大、量子效率低、反向偏 低噪声功率压高、抗外部磁场能力弱、价 格高 雪崩二极管量子效率高、功耗低、工作频谱增益低、噪声大、外围控制电 范围大、体积小、工作电压较低路及制冷电路较复杂 硅光电二极管量子效率高、工作在光伏模式无增益低、信号调理电路较复杂 暗电流、线性好 2 3 1 2微弱光探测解决方案 综上可见：光电倍增管是一中很好的微弱光探测器件，但其体积比较大， 需要分压模块供电，价格昂贵。雪崩二极管增益低、噪声大，外围控制电路及 热电制冷电路较复杂，价格较高。这两种器件均不符合本检测仪微弱荧光探测 低成本、高精度和高灵敏度的要求。 光电二极管工作在零偏置模式下具有良好的线性。光强和光生电流成非常 精确的线性关系。尽管没有电流放大增益，但选用性能较好的光电二极管，设 计良好的信号调理电路仍然可以对微弱荧光产生的p a 级电流进行测量。此外， 光电二极的管体积小、功耗低。因此本文选用硅光电二极管这种低成本高性能 的光电探测器件来探测食品试样发出的微弱荧光。光电二极管将被测试样在萤 火虫荧光素酶激发作用下发出的微弱荧光转化为微弱电流信号。在选型时应考 1 0 虑以下几个方面的特性： ( 1 ) 光谱特性：光电二极管只能对大于禁带宽度的光子能量产生响应，不 同材料的光谱响应范围也不一样对每一种探测器件，都有一个响应的峰值，其 对应的光子能量e 稍大于禁带宽度e 。当e = h v e 。，时，响应也降低。 ( 2 ) 光照灵敏度：光电二极管对光的灵敏程度。光电二极管灵敏度的标准 规定方法之一是对来自严格定义的光源给定的光强确定它的短路电流i 。用于 检测微弱光，光照灵敏度越大越好。 萤火虫荧光素酶的光谱峰值波长为5 6 2 纳米左右，光电二极管光谱范围应 该覆盖此波长。此外，光照灵敏度也是一个非常重要的因素，对于相同光照强 度较高的灵敏度会产生相对较大的电流。考虑到以上两个方面，选用日本滨松 公司生产的s 1 2 2 7 6 6 b r 硅光电二极管作为检测微弱荧光的光电传感器。此光 电二极管具有抑制的红外灵敏度，低暗电流等特点。其主要性能指标如下： ( 1 ) 光谱特性：s 1 2 2 7 6 6 b r 硅光电二极管的光谱范围覆盖萤火虫荧光素 酶的光谱。其光谱特性如图2 4 所示： 芝 s 瑙 蛹 嘁 匪 米 3 1 2 2 7 、 一s 1 ：1 2 7 b l3 ，么 一r ( 一一。、 、 s ，2 2 7 - e q 、1， 、 、 7 ， 嘻 一、0 、 17 s 1 2 2 7 一|亭r 波长 图2 - 4s 1 2 2 7 6 6 b r 光谱特性 ( 2 ) 其它主要性能参数：峰值波长7 2 0 纳米，短路电流i 。( 1 0 0 i x ) 典型 值为1 9 9 a ，分路电阻r 。h 典型值为5 g q 。 2 3 2微弱电信号调理技术 将光电二极管电流转换为可用电压的简便方法，是用一个运算放大器作为 电流电压转换器，如图2 5 所示。 输出电压v o u t = r * i s c 。 在最高灵敏度时，该放大器必须能检测数p a 的二极管电流。这意味着反 馈电阻必须非常大，而放大器偏置电流必须极小。例如，对于3 0 p a 的偏置电 流，1 0 0 0 m f 2 反馈电阻将产生3 0 m v 的相应电压。因为再大的电阻是不切实际 的，所以对于最高灵敏度的情况使用1 0 0 0 m q 。这样对于1 0 p a 的二极管电流， 放大器将得到1 0 m v 输出电压。对于更大的光强度值，必须使用较小的反馈电 阻来降低电路增益。 l m v ，p a 图2 - 5 电流一电压转换简化电路 要精确的测量微弱荧光所产生1 0 p a 级的电流，集成运算放大器的偏置电 流不应大于数皮安。为了满足此要求，我们选用a d 8 6 0 5 高性能集成运放作为 放大器。 a d 8 6 0 5 是由美国a d i 公司生产的单轨轨输入输出单电源供电集成运算放 大器，该放大器具有低失调电压、低输入电压、低电流噪声、低失真和宽带宽 等特性。这些特性使它广泛的应用于滤波、集成电路、光电二极管放大器、高 阻抗传感器和音频电路中。而且此芯片还可以用于便携式系统和电池供电的系 统中。此芯片采用一种特殊的焊接技术，因此，具有很高的精度，同时具有 以下特征： ( 1 ) 低失调电压( 最大为6 5 1 a v ) ( 2 ) 低输入偏置电流( 最大l p a ) ( 3 ) 低噪声( 8 n v x h z ) ( 4 ) 宽带宽( 1 0 m h z ) ( 5 ) 单位增益稳定 ( 6 ) 采用单电源，工作电压范围为2 7 - 5 5v ( 7 ) 高开环增益( 1 2 0d b ) 在芯片的使用过程中要注意以下特性 2 9 1 ： ( 1 ) 输出相位反转：当输入电压超过最大共模输入电压时，所引起的放 大器输出极性的改变叫做输出相位反转。相位反转将对放大器造成永久性损坏， 且在反馈系统中可能造成系统琐死。但a d 8 6 0 5 可以处理比电源电压高出2 v 的电压，而不会出现相位反转情况。 ( 2 ) 最大功耗：集成电路中的功耗会引起芯片升温，从而影响电路和芯 片的性能。a d 8 6 0 5 的最大连接温度为1 5 0 c ，若超过此最大温度将损坏芯片。 1 2 放大器的最大功耗可由下式计算： = 学 o a , a 其中： t j 是结温； t a 是周围环境温度； 0 j a 是与周围环境温度之问的结阻抗。 ( 3 ) 过压保护：a d 8 6 0 5 片内具有内部保护电路，如果任一输入电压比 电源供电电压高出2 5v ，输入端的外部应串联一个电阻，电阻的阻值可由下式 计算： 监二坠 _ 5 蒯 足+ 2 0 0 d 由于a d 8 6 0 5 8 具有低输入偏置电流( 1 p a ) 特性，故可使用大阻值的电阻。 在输入端接一个1 0 k q 电阻可使芯片输出电压的误差小于1 0 n v ，同时在常温下， 其热噪声将小于1 3 n v 胁。 ( 4 ) 包括有源阻抗在内的总噪声：低输入电流噪声和低输入偏置电流特 性使得a d 8 6 0 5 成为某些有源阻抗电路( 例如，光电二极管放大器电路) 的理想 输入放大器。在室温下，当有源阻抗的阻值每增加l k q 时，其输入偏置电压的 增加量小于o 5n v ，而在8 5 时，其增加量为1 0n v ，电路总的噪声密度为： e n , 册喇工= p ；+ ( f 。r ，) 2 + 4 尼豫， 其中： e n 是a d 8 6 0 5 输入电压的噪声密度； i n 是a d 8 6 0 5 输入电流的噪声密度； r 。是放大器终端带有源阻抗的阻抗值； k 是波尔兹曼常数，其值k = 1 3 8 x 1 0 。2 3j k ； t 是环境温度2 7 3 + 。 2 3 3嵌入式系统低功耗技术 嵌入式系统的低功耗设计是本检测仪的又一关键问题。由需求分析我们可 知，本检测仪采用两节普通a a 电池供电并且要求待机时间至少3 个月或连续 测试至少3 0 0 个检测结果，对功耗具有近乎苛刻的要求。设计过程中从以下三 个方面保证该检测仪的低功耗要求： ( 1 ) m c u 的选择 对一个嵌入式系统的选型往往是从其m c u 和操作系统开始的，一旦这两者 选定，整个大的系统框架便选定了。选择一个m c u 时，一般注意其性能的优劣 及所提供的接口和功能的多少。在本检测系统中，我们还要考虑其功耗特性。 m c u 是嵌入式系统功率消耗的主要来源。对于手持设备来讲，它几乎占据了除 显示屏以外的整个系统功耗的一半以上，所以选择合适的m c u 对于最后的系统 功耗大小有举足轻重的影响【2 引。 在数字集成电路设计中，c m o s 电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比 基本可以忽略不计，c m o s 电路中的电流消耗是与电路的开关频率呈线性关系， 与供电电压呈线性关系。对于一颗m c u 来讲，核心供电电压越高，时钟频率 越快，则电流消耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下，尽可能选择低 电压工作的m c u 能够在总体功耗方面得到较好的效果1 2 9 1 。同时，在满足系统 要求的情况下，应尽可能的降低工作频率来节省功耗。 此外，m c u 还应具有不同的工作省电模式。在进行设计时，将系统的工作 状态尽可能地安排在省电模式下。 根据以上原则，同时考虑到本检测仪采用i _ t c o s i i 嵌入式操作系统，选用 美国s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司生产的c 8 0 51f 3 4 0 芯片作为微控制器。当该芯片 工作电压2 7 v ，工作频率1 m h z 时，典型的工作电流为o 5 m a 。停机时，典型 消耗电流仅为0 2 “a 。 c 8 0 5 1 f 3 4 0 是完全集成的混合信号片上系统型m c u ，具有片内上电复位、 v d d 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器。用户软件对所有外设 具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。该芯片的主要特 性如下： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 可达4 8 m i p s ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) u s b 功能控制器，有8 个灵活的端点管道，集成收发器和l kf i f or a m 6 4 k b 的片内f l a s h 存储器 4 3 5 2 字节片内r a m ( 2 5 6 + 4 k b ) 硬件实现的s m b u s 1 2 c 、增强型u a r t 和增强型s p i 串行接口 4 个通用的1 6 位定时器 片内上电复位、v d d 监视器和时钟丢失检测器 4 0 个端口i o ( 容许5 v 输入) ( 2 ) 电源管理 在本食品卫生检测仪使用的过程中，工作与空闲的时间比极小。检测仪绝大多数 时间处于待机模式，只保留实时时钟功能，等待用户进行检测。当用户需要测试时， 激活检测仪工作。在电池与供电设备之间采用一片m a x i m 公司生产的d c d c 升压 转换芯片m a x l 8 3 3 来对电源进行管理。其输出电流高达1 5 0 m a ，典型静态工作电 流仅为4 “a 。 m a x l 8 3 3 是高效率的升压转换芯片，其主要特点如下 3 0 1 ： 高达9 0 的转换效率 1 4 4 1 x a 静态电流 关断电流小于1 “a 1 5 v 5 5 v 输入电压范围 具有关断输入引脚，不需要升压时可以关闭器件，降低功耗 在关断状态下，电池直接连接到o u t 端作为备用电源 固定的3 3 v 输出，输出电流高达15 0 m a 当系统处于关机状态时，按下开关按钮，m a x l 8 3 3 的s h d n 获得高电平， d c d c 变换开始工作，将两节a a 电池的电压转换为3 3 v 的固定输出，给系 统提供电源，系统复位，进入工作状态。当再次按下电源开关按钮时，m c u 检测到低电平，系统内部程序判断此次操作为关机操作，将m a x l 8 3 3 的s h d n 管脚拉低，m c u 进入掉电模式。m a x l8 3 3 将电池电压直接连接到其电压输出 引脚。这样电池成为后备电源给实时时钟供电，使其仍能正常的执行计时工作。 ( 3 ) 外围电路设计 在本检测系统的低功耗设计过程中，还必须考虑到外围电路的功耗。外围 电路的电流主要是通信电路、接口电路、数据读写消耗。本检测系统选用的 m c u 具备启用单独外围元件及时钟源的能力，以节省功耗。仅启用所需的外围 元件及时钟是减少功耗的基础。 减少外围器件的使用是本检测仪降低功耗、减小体积的有效办法。数据采 集系统包括电源、模拟电路和数字电路。电源电路的作用是从电池取电后将电 池电压转换成稳定的输出电压，并根据需要由模数转换器( a d c ) 检测电池电 压。复位电路用于监视电池电压或各部分供电电压。模拟电路包括连接传感器 的模拟前端( a f e ) 电路( 由数模转换器d a c 、运放和模拟开关等电路组成) 、测 温电路以及具有多路复用器的a d c 。数字电路部分包括3 2 k h z 振荡器、实时时 钟( r t c )