一种基于USB的新型电解质分析仪

　　0 引言

　　电解质分析仪在临床医学中主要用于各种离子浓度的检测，是现在医院中的必备设备。本文介绍的一种基于USB 数据采集系统的新型电解质分析仪，具有高输入阻抗与高分辨率的特点，能够与多种离子选择电极进行配套使用，可测量 K、Na、Cl、Ca 等离子浓度。

　　在基于 USB 的电解质分析仪的设计中，我们使用了Cypress 公司的 EZ-USB FX2LP 系列芯片 CY7C68013A，CY7C68013A 是一种集成了 USB 协议的增强型 51 单片机，电路设计相对简单，系统集成度高。通用串行总线 USB接口与传统计算机接口如 RS232、PCI 接口和 PS/2 接口等相比，具有速度快，可靠性高，体积小，成本低，连接方便，支持热插拔，兼容性高，可扩展性好等优点。与传统电解质分析仪不同，我们使用 USB 协议将采集到的数据传输到计算机中，使测量结果的处理、显示与存储变的更加简单，对于临床的操作与使用来说更加方便。在 AD 转换部分，选择了16 位的高精度AD 转换芯片，保证了信号精度的要求。在进样模块的步进电机控制部分，使用单片机与光电开关进行联合控制，提高了仪器的可靠性。

　　1 系统整体框架及功能

　　在进样与传感器模块中采集过来的微小信号，经过调理电路对信号进行处理与放大，再经选通后进入 AD 转换芯片，将模拟信号转换成数字信号，再经集成有 USB协议的微处理器通过 USB 接口控制传输至上位机，由上位机软件进行处理和显示;同时，上位机软件通过微处理器，能够对仪器的整个运作流程进行控制，实现相应的功能。实际电路中主要使用的芯片有 CD4051BE、AD7715和 CY7C68013A等。固件程序采用 KeilC51 编写，上位机程序采用 VC++ 编写，并运用多线程技术，使数据采集与用户界面控制互不干扰。各模块都有各自分工，并且模块之间相互协作，最终实现本仪器的整体功能。整个系统框图如图 1 所示。

　　2 测量原理

　　目前国内外电解质分析系统主流的检测方法一般为离子选择电极法 (ion selective electrode,ISE)，它是通过检测离子选择电极和参比电极输出之间的电压差来得到待测离子活度的。离子选择电极是一类化学传感器，它的电位对溶液中给定的离子活度的对数呈线性关系，它符合能斯特方程。

　　由于外界因素如温度、液体电位等因素的影响，所以在仪器的长时间间隔的测量中，要对电极进行两点定标。设 A 标液与 B 标液的质量分数分别为 aA和 aB，电位分别是 EA和 EB，A 标液和 B 标液的电位差为ΔE标，有：

3 硬件电路设计

　　3.1 进样与传感器部分