基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制-电气自动化专业毕业设计.docx

毕业设计（论文）基于ARM7微控制器的CE芯片安培检测器的研制(DevelopmentoftheCEChipAmperometricDetectorBasedonARM7Micro-controller)学生姓名：所在院系：电气与信息学院所学专业：自动化所在班级:0441指导教师：教师职称：讲师完成时间：2008年6月20U摘要当前，毛细管电泳芯片因为具有易于实现微型化的特点而发展十分迅速，由于毛细管电泳芯片的样品体积很小，因此采用高灵敏度的检测方法是十分必要的。电化学检测中的安培检测技术，由于灵敏度较高、仪器简单、价格成本低、线性范围宽、操作简便等优点，己经成功与毛细管电泳联用并得到了广泛的应用。本论文就是基于这一背景，设计了一种以ARM微控制器为核心的新型微毛细管电泳芯片安培检测器本文研究了毛细管电泳及安培检测的原理和发展等设计背景，确定了系统的总体设计方案并进行了分析与论证。对微安培检测器中的核心器件一一，恒电位仪提出了新的设计方案。整个系统是以ARM7-LPC2131微控制器为核心搭建的硬件平台，实现了程控电压源、自动增益电路的控制、A/D转换结果的读取与处理、LCD实时显示、与上位机的串行通讯、按键以及报警等功能。软件设计采用C语言编程，实现检测过程的软件控制；并进行了相应的软硬件调试。实际运行结果表明，该系统能够实现电化学池中微弱电流信号的实时采集与处理，具有较高的实用价值和应用前景。关键词：安培检测毛细管电泳芯片恒电位仪ARM7-LPC2131微控制器AbstractAtpresent,becauseofeasilybeingminiaturized,thecapillaryelectrophoresischipdevelopveryrapidly.Asthesamplevesselofthecapillaryelectrophoresischipissmall,usinghigh-sensitivitydetectorisextremelynecessary.Amperometricdetectiontechnologyhasbeensuccessfullycombinedwiththecapillaryelectrophoresisandhasbeenwidelyused,beingduetoitshighsensitivity,simpleinstrument,thelowpriceswidelylinearrange,easytooperatingandsoon.Thispaperisjustbasedonthisbackgroundtodesignanewamperometricdetectorofmicro-capillaryelectrophoresischipwithaARMmicrocontroller.Thispapergivesanoverviewofthedesignbackgroundthatoftheprinciplesanddevelopmentofthecapillaryelectrophoresisandamperometricdetection.Determinedthesystem'sdesignprojectwhichcarriedouttheanalysisandfeasibilitystudies.Proposedanewdesignproposalforthepotentiostaticinstrumentasthecoreofmicro-amperometricdetector.ThewholesystemisbasedonARM7-LPC2131microcontrollerasthecorestructuresofthehardwareplatfbrm.ltcanrealizemanyfunctionsthatincludeprogrammablevoltagesource,theautomaticgaincontrol,pocessingtheresultsofA/Dconversion,real-timeLCDdisplay,theserialcommunication,thecircuitofkeystrokeandalarm,andsoon.SoftwaredesignadoptC-Ianguagetorealizethesoftwarecontroloftheexaminationprocess.Atlast,earringoutthecorrespondinghardwareandsoftwaredebugging.Theresultsshowedthatthesystemcanrealizegatheringtheweakcurrentsignalandtakingreal-timeprocessing,andhaveagoodpracticalvalueandprospectofapplication.Keywords*Micro-amperometricdetectioncapillaryelectrophoresischipPotentiostaticinstrumentARM-LPC2131microcontroller1引言1.1 课题背景分析化学是化学家最基础的训练课题之一，化学家在实验技术和基础知识上的训练，皆得力于分析化学。分析化学所用的方法可分为化学分析法和仪器分析法，而当代分析化学则著重于仪器分析。微型化和智能化是分析仪器发展的主要方向，这不仅因为它可以提高效率，节省开支，实现自动化，而且排污少，是一种“绿色“技术。自从1990年由Manz提出“微型全分析系统"(MierOTotalAnalysisSystem,2TAS)概念后，微型化、集成化与便携化成为分析仪器设备的发展趋势。1.1.1 微流控芯片概述微流控芯片(microfluidicchip)是当前微全分析系统(MiniaturizedTotalAnalysisSystems)发展的热点领域，是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能，因此发展出独特的分析产生的性能。其产生的应用目的是实现微全分析系统的终极目标一芯片实验室，目前工作发展的重点应用领域是生命科学领域。在众多微型全分析系统器件中，毛细管电泳芯片具有分析速度快、样品消耗量少、便于集成化、自动化和微型化等优点，有极高的学术和商业价值。上个世纪90年代，Manz、Harrison.Ramsey、Mathies等人为毛细管电泳芯片领域的飞速发展打下了良好的基础。12)随着微电子微机械技术(microe1ectro-mechanicalSyStenlS,MEMS)的发展，毛细管电泳芯片取得了进一步长足的发展，对检测技术灵敏度的要求就被提到了一个更为重要的位置，人们期望改进检测技术以促使毛细管电泳芯片检测系统向着微型化、集成化、自动化及智能化的方向发展，最终实现建立微全分析系统(micrototalanalysissystem,-TAS)或缩微芯片实验室(LabOnaChip,loc)的目标。1. 1.2毛细管电泳(CE)原理应用与发展毛细管电泳(C叩illaryelectrophoresis,CE)又叫高效毛细管电泳(HPCE),是近年来发展最快的分析方法之一。1981年JorgenSOn和Lukacs首先提出在75Um内径毛细管柱内用高电压进行分离，创立了现代毛细管电泳。1984年Terabe等建立了胶束毛细管电动力学色谱。1987年Hjerten建立了毛细管等电聚焦，COhen和Karger提出了毛细管凝胶电泳。1988-1989年出现了第一批毛细管电泳商品仪器。短短几年内，由于CE符合了以生物工程为代表的生命科学各领域中对多肽、蛋白质(包括酶，抗体)、核甘酸乃至脱氧核糖核酸(DNA)的分离分析要求，得到了迅速的发展。3毛细管电泳(CE)是指以高压电场为驱动力，以毛细管为分离通道，依据样品中各组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一类液相分离技术。CE最常见的仪器基本结构如图IT所示。图IT毛细管电泳芯片设计示意图毛细管电泳(CE)除了比其它色谱分离分析方法具有效率更高、速度更快、样品和试剂耗量更少、应用面同样广泛等优点外，其仪器结构也比高效液相色谱(HPLC)简单。CE只需高压直流电源、进样装置、毛细管和检测器。前三个部件均易实现，困难之处在于检测器。特别是光学类检测器，由于毛细管电泳溶质区带的超小体积的特性导致光程太短，而且圆柱形毛细管作为光学表面也不够理想，因此对检测器灵敏度要求相当高。1.2 毛细管电泳芯片(CE)检测器分类检测是毛细管电泳发展的核心问题之一。如何体现毛细管电泳的优良性能与高灵敏检测密切相关。毛细管电泳自身特点要求与其联用的检测器必须有较小的体积和较高的灵敏度。1.2. 1检测器分类目前，商品化仪器通用的检测方法仍是紫外可见检测器，但由于毛细管孔径小，进样量极低(nL),导致光度检测的灵敏度较低。荧光检测器虽然灵敏度高，选择性好，但仅适合于具有荧光或易于进行荧光衍生的物质，使其通用性受限。毛细管电泳一质谱联用灵敏度高，专属性强，能提供分子结构信息，是CE较为理想的一种监测器，但是价格昂贵。其它的检测方法还有激光光热法、放射分析法、示差折光法等。与上述检测方法相比，电化学检测有其独特的优点，其质量检测限低，线性范围宽，选择性好，与CE联用不仅可满足分析微量样品时灵敏度的要求，而且设备简单、仪器造价低廉，便于推广使用。电化学检测对于大多数易于氧化还原物质的浓度检测限可达10°molL（质量检测限可达f/mol-a/mol）04.根据电化学检测原理的不同，目前在毛细管电泳芯片分析系统中所采用的电化学检测器主要有安培检测器、电导检测器和电位检测器。其中安培检测具有灵敏度高、选择性好、线性范围宽、设备简单、成本低等优点，但是它仅能检测电活性物质。本论文就是采用该检测方法。1.2.2安培检测本文设计的微型检测器采用的是安培检测方法所谓安培检测法就是指对流出毛细管的电活性组分，根据其在微电极上的氧化还原反应所产生的电流来进行测定的方法。安培检测法是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它检出限低、选择性高，适用于电活性物质的痕量测定。安培检测作为毛细管电泳芯片检测的主要手段，因灵敏度高而得到了快速的发展。安培检测器具有很多优点：它的检出限一般低于107mol/L,且对各类电活性物质灵敏度差别很小。但一般只对电活性物质有响应，适用于电活性物质的痕量测定，而不受非电活性物质的干扰。由于每种物质的氧化还原反应电位不同，对于具有不同电极电位的物质，只要在电解池的两极间施加不同的电压，就可控制电极反应，有较高的选择性。安培检测器的测量原理本身也决定了它固有的局限性与不足：首先它不是通用的检测方法，它要求测定对象在所选用的电极上具有电化学活性，其次它采用的流动相必须有常用浓度范围内0.0ImOlL-0.1mol/L的电解质存在，且安培检测器时流动相的流速、温度、PH值等因素的变化比较敏感。1.3 论文的研究目的及主要研究内容本论文的主要任务是为毛细管电泳芯片设计基于微处理器的安培检测器。检测器采用电化学分析仪器中典型的基于恒电位仪的三电极传感器；由于安培检测的检测电流一般在nA级甚至更小，所以在采集微弱电流设计，需设计精确放大电路，并经滤波和A/D转换后送入MCU进行数据处理。论文的第二章主要介绍微安培检测器的基本工作原理，提出微安培检测器设计的整体构想，给出系统原理框图，并对其设计性能实现做简要的阐述。论文的第三章则就微毛细管电泳芯片安培检测系统设计的核心问题一恒电位仪的设计做了进一步详细研究，明确的提出了这些核心问题的解决方案。论文第四章详细的介绍微控制器系统及其外围硬件的设计。依照总体方案，设计出以ARM微控制器为核心的系统主控制器，具体包括硬件平台的搭建、通用接口和人机交互接口等模块的硬件设计一程控电压源、A/D转换电路、LCD实时显示电路、串口电路、自动增益控制电路、按键及报警电路等。论文第五章为微安培检测系统软件设计。分析微毛细管电泳芯片安培检测器测控软件的总体结构设计，在此基础上重点实现ARM控制器的主要软件功能设计。2微安培检测器总体设计方案的确定2. 1安培检测器的基本工作原理安培检测法是在外加电压的作用下，根据待测物在工作电极表层上发生氧化反应或还原反应时所产生的氧化电流或还原电流对待测物进行定量的一种检测方法。它是微系统中应用最广泛的一种电化学检测技术，它采用电极作为传感器，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。假设由工作电极和参比电极组成的电解池中有被测组分A,在工作电极和参比电极间逐渐改变外加电压。组分A在阳极表面上可能发生下列反应：A*B÷ne（式2.1）电解反应可用NemSt方程表示:式中，Eapp为外加电压，A,B分别为反应物和生成物在电极表面上的浓度。对这个电解反应有三种可能的情况：I）外加电压E叩PVEO时，电解反应没有发生，电极表面B=0;2）外加电压EaPP=E。时，电解反应正在发生，电极表面A=B;3）外加电压时，电解反应还在进行，电极表面B>A,AO.在电化学检测池中所产生的电流是溶液中的分子在工作电极表面发生氧化或还原的电解反应得到的。式2.2是一个氧化反应的模型，电子从待测活性物质分子转移到工作电极上，产生正的阳极电流；同样，发生还原反应，电子从工作电极表面转移到电活性分子上，产生负的阴极电流。在电极表面上电子转移所产生的电流符合法拉第定律：Q=nFN（式2.3）式中，n为每摩尔电活性物质在电极反应中转移的电子数，F为法拉第常数，N为发生电极反应时的电活性物质的量（mo】）为电荷量。电极反应的电流为：（式2.4）此式将一个可测量的电流i与电极表面产生的基本氧化一还原过程联系起来，可见测得的i与每种电活性物质在电极上转移的电子数n成正比，也与通过电极表面与其反应的活性物质浓度dN/dt成正比，这就是安培检测法的原理。2.2三电极传感器的设计研究电极上电子的运动是电化学反应的基础，为了分别对电池或电解池的阴极、阳极发生的反应进行观察需用到三电极体系，通常三电极体系包括：确定研究工作界面的工作电极，保持恒定参考电位的参考电极以及提供电流的对电极。2.2.1检测方式的选择安培检测器的微电极所能测到的法拉第电流一般在纳安级甚至更小。因此消除或减小分离电压对安培检测的干扰是一个不容忽视的问题。根据隔离分离电压的方式，安培检测器分为离柱式和柱端式两种，（5.6）离柱安培检测器虽然一定程度地降低了检测噪音，但是接口制作繁琐、存在区带变宽现象、分离电压和电流难以达到完全接地的状态，因此多采用柱端型安培检测器。然而采用这种方式时，对终端安培检测器的工作电极与毛细管通道的对准的液流方向提出了很高的要求。按流出通道后的液流方向与工作电极的相对位置，将芯片毛细管电泳-柱端安培检测池分为流经式、流向式和流通式。5如图2-1所示：图2T检测池结构示意图2.2.2电极材料的选择安培检测器的性能很大程度上取决于所选择的工作电极的材料。目前在芯片毛细管电泳安培检测器中使用较多的工作电极为碳电极、金属电极及化学修饰电极。在金属电极上具有电活性的物质相对较少，大量的由CE分离出的组分，尤其是一些生物分子在此类电极上或因超电势太高或缺乏电活性而无法检测。化学修饰电极和微电极的安置技术在很大程度上可解决此类问题，进一步扩大了安培检测的范围和适用性。化学修饰电极有：Hg修饰微电极，化学修饰碳糊微电极，金属颗粒修饰微电极，表面分子膜修饰微电极。2.2.3电极安置的具体设计大部分安培检测器的工作电极均直接制作在芯片上，形成集成化的分离检测系统，体积小、集成度高、适合于批量生产。但这样的集成化电极一旦钝化后不易清洗或更换，仅适合于一次性使用。Wang等研制了可更换的流向式工作电极。条状碳膜工作电极筛印在统一尺寸的氧化铝陶瓷片上，将带有工作电极的陶瓷片在分离通道的垂直方向插入芯片尾端特制的有机玻璃电极定位槽中，碳膜工作电极即可对准通道的出口。电极钝化后，更换一片新的带有筛印碳膜电极的陶瓷片即可，6这里采用方形和圆形两种工作电极，其特征尺寸为100900um、工作2.3微安培检测器的总体设计方案2.3.1系统工作过程及系统原理框图本系统主要工作过程是：待测物质经过样品制备和生化反应后注入毛细管电泳芯片，并在芯片上进行组分分离与结果检测。首先在缓冲液池内加入适当的缓冲液，并施加一定的压力，使其充满整个通道；在样品池内加入适量的样品，并在余下的贮槽中加入缓冲液。然后将施加分离电压的电极放入四个池里，通过调节电压的大小来实现样品的引入和分离。分离后的溶液进入毛细管电泳分离通道的末端检测池，置入检测池中的三电极传感器可直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。传感器电极所需的检测电位一般在±5V内，可以使用基于D/A转换器的程控电压源来提供，并通过恒电位仪电路使这个电位保持恒定后施加在参比电极与工作电极之间。工作电极上会产生氧化电流或还原电流，通常检测电流一般在nA级甚至更小（通常在几百PA到几十nA之间）。将电流信号转化为电压信号，经过电压放大、滤波后获得A/D转换输入范围内的电压）。最后通过A/D转换采样检测数据，送入微控制器进行数据处理，进行LCD实时显示并通过串口与上位机进行通信与数据处理。当检测结束或超出检测范围时，可以进行声光报警。根据以I二工作过程确定了系统的总体构架，其系统的原理框图如图2-3所示自动增益电路键盘一电极传感器恒电位仪滤波电路A/D转换ARM7微控制器LCD显示电路声光报警程控电源串口电路送至上位机图23检测装釉康体设计Jj2.3.2系统微控制器的选择系统的微控制器采用ARM微控制器LPC2131,ARM是32位处理器，与普通的8位51单片机相比，其处理效率要高很多。硬件方面，LPC2131的资源比51系列单片机丰需得多。在8位51单片机中，大多要进行外扩。LPC2131带有丰富的外设接口，比如串口、USB、网口等，可以方便的与上位机进行通信并实现嵌入式操作。在软件方面，引入了操作系统。在后期的开发中，可以在操作系统上直接开发应用程序，并引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。2.4微安培检测器的主要性能指标D检测电位控制范围：土5V;2）检测电位控制精度:2.44mV;3）电流测量范围：nA级甚至更小（通常在几百PA几十nA之间）；4）输出电流：最大±1A;5）参比电极输入阻抗：10°。；6）信号发生、数据采集：12位串行D/A、A/D转换器。3安培检测系统核心问题一恒电位仪的设计在所有研究电极反应的试验中，精确控制或测量电位、电量或电流是实验的基本要求，恒电位仪是电化学测试中最重要的仪器。恒电位仪不但可用于各种电化学测试中，而且它也是一种重要的金属制品（主要是铁）阴极防腐保护装置，通过控制使被保护的金属制品始终处于某一电位，从而防止金属制品离子腐蚀。它还可用来控制恒电流或进行各种电流波形的极化测量。电流-电位曲线，即极化曲线的测定，一般也是用恒电位仪法。3.1恒电位仪的工作原理恒电位仪是指由它控制电极电位为指定值，以达到恒电位极化的目的。若给以指令信号，则可使电极电位自动跟踪指令信号而变化。譬如，将恒电位仪配以方波、三角波或正弦波发生器，就可使电极电位按照给定的波形发生变化，从而研究电化学体系的各种暂态行为。恒电位仪电路必须满足两个条件：一是具有基准电位（也称给定电位），使恒电位值可调。二是满足恒电位仪的调节规律，也就是当电路的参数变化时，如电源电压变化或由于电化学变化的延续引起的电极电位漂移，恒电位应具有自动调节能力。自动调节电位必须向电位偏移的反方向进行，才能使电极电位保持恒定。由于运算放大器的开环放大倍数很高（10'）,故用它组成的恒电位仪可达到很高的精度。另一方面运算放大器的响应时间很短，因而恒电位仪的调节过程很快。恒电位仪的调节靠深度电压负反馈来实现，也就是将部分输出电压馈入放大器倒相输入端，放大器用来将输入端之间的电位差保持在零。在这些输入端之间出现的任何误差（+OV）被放大而给出输出-AOV,它可使误差+OV减小而回到零。在实际装置灵敏度极限内，输出电压准确的跟踪着输入电压。从而使参比电极与工作电极之间的电位差（。R-w）严格等于输入的指令信号电压Ui.用运算放大器构成的恒电位仪，在电解池电流取样电阻以及指令信号的连接方式上有较强的灵活性。可以根据电化学测试的具体要求，选择设计不同类型的恒电位电路。1713.2恒电位仪的基本结构3.2.1简单恒电位仪图3-1给出了最简单的一种，虽然它很少有实用价值，确概述了有关原理。图中电化学池被近似化为一种溶液电阻与双层电容串联的极为简单的等效电路。可以看到这一装置只是一个简单的电压跟随器，它将RE和WE间的输出电压保持在程序设定的电位E。处于接地电位的工作电极相对于参比电极有一个-E的电位。因此输入电压在电池中被倒了相。在这一回路中也(论丈)没有测量通过电池的电流的装置，且恒电位仪在任何时候都不能加上多于一个单位的信息。图31简单恒电位仪图3-2给出了一种更好的设计，暂时忽略放大器2和3,可以看到放大器1在倒相加法器结构中是控制放大器。此电路用来保持累加点S处于虚地，这样可设定电位E,和E2在参比电极和接地之间进行倒相、累加和控制。工作电极的电位由放大器3保持虚地状态，这样工作电极相对于参比电极的电位为+(Ei+Ez),在这种恒电位仪中没有符号转化。在电化学系统中反馈回路含有参比电路，和恒电位仪的输入电流不能大到足以极化这一电极。通过在反馈回路中包括一个电压跟随器作为阻抗匹配单元就做到了这一点。这样参比电极上的电流可只归之于运算放大器的输入阻抗和输入偏流。放大器3形成了电流跟随器电路的基础，用来测定流过电池的电流，并使之以电压的形式显示出来，简单的表示为iR,。7图3-2加和结构工作的恒电位仪3. 2.2本文采用的恒电位仪结构图3-3为本文采用的恒电位仪结构，图中在控制放大器的反馈回路中放置一电阻器，并用差分放大器测量它两端的电压，电压跟随器用作阻抗变换器，同时可防止电化学池电流对地的分流。如果这些是FEr运算放大器，R就可能大到IMaR两端产生的电位由差分放大器进行测量，当Rl=R2=R3=R4时，电流由EoMR给出。但应注意选择的R不能超过恒电位仪的输出电压限。对理想的差分放大器，E只与（E出）有关，而与相对于地的输入电位绝对RRR跣关。i7）三WJG£,（式3.D当Rl=R2=R3=R4时Eout、Eout=E2-Ei（式12）图3-3利用差分放大器结构测电流3.3恒电位仪的性能要求3.3.1负载特性：即控制精确度或恒电位仪的跟随能力。电化学研究用的恒电位仪要求控制电位的精确度一般为亳伏级（通常1mV）,输出电压一般超过±10V,电流的变化为安培级，控制电位的可调范围约±4V。因此，要求组成恒电位仪的运算放大器漂移小、噪声低、增益高、共模抑制比大。173.3.2输入阻抗：恒电位仪的输入阻抗问题，实际上是参比电极可以允许流过多少电流的问题。流过参比电极的电流是研究电极与辅助电极之差，它可能引起参比电极极化甚至钝化，并在参比电极Luggin毛细管产生欧姆电位降，影响恒电位仪的精确度。因此，一般恒电位仪的输入电流上限为0.IuA,即流经参比电极的电流要小于10A,或者说恒电位仪的输入电阻要大于IO?Q,这样才能保证恒电位仪的控制精度在亳伏级。为了提高输入阻抗，常采用场效应管作输入级的运算放大器，采用电压跟随器和偏置电流补偿电路也可提高放大器的输入阻抗。1713.4恒电位仪的器件选择与参数计算3.4.1控制放大器的电路的选择恒电位仪中的主控制放大器实质是一种工作在深度负反馈下的直流放大器，根据性能要求，需选用一种高精度、输入失调电压漂移小、噪声低、共模抑制比大的运算放大器。经比较选用运放OP07符合上述主控制放大器的性能要求：输入失调电压温漂O.7mV0C.输入失调电流温漂12pAOC共模抑制比110dB等。OP07是双电源供电，使用温度范围为0-70°C,可采用20Ok可调电位器对OP07调零8。其应用电路如图3.4所示。图3-40P07应用电路3.4.2电压跟随器的设计安培检测的检测电流通常在pA-nA级，因此运算放大器应选择具有极为低的输入偏流，因为这是测量中误差的主要来源。若放大器的输入偏置电流与信号电流量级相同，则信号将被偏流所淹没。因此，参比电极电路应具有高的输入阻抗、极小的输入电流。这里采用同相电压跟随器作为阻抗变换单元，利用FET输入阻抗高的特点可使输入电阻达到（109IO-）本设计选用LF357,集成运放LF357的输入级是结型场效应管，其输入阻抗为102,具有比较高的转换速率-sr=5Vus°该运放要求双电源供电，供电电压的极限值为±18V,使用温度范围为。-70°C,其典型应用电路如图3-5所示:图3-5U357同相高阻抗电压跟随器3.4.3信号前置放大器的设计电化学池输出的直流电信号极为微弱，量程范围在nA级甚至更小。放大器的漂移以及电路中的噪声将是影响测量精度、灵敏度的重要因素，降低噪声的方法主要还是从电路方面考虑。根据传感器的噪声和阻抗特性设计好前置放大器是信号通道中低噪声放大的关键。数据放大器是一种闭环的差分电压增益器件。它与集成运算放大器的主要区别就在于数据放大器是一-种闭环的电压放大器件，它的性能都是在闭环情况下表现出来的。数据放大器具有相当高的差模输入阻抗和共模输入阻抗，这就允许了传感器的输出阻抗可以不为零，信号源阻抗可以不平衡。同时它有相当低的偏置电流和失调电流，而这两者电流又是相当稳定的，因此数据放大器并不要求有恒定的信号源阻抗，这就使得其可以与各种传感器相连接。数据放大器的共模抑制比是相当高的，因此噪声的拾取、地回路的压降、使用远端传感器时引线电阻产生的电压降等效应都能得到减小。10通过性能比较，本设计选用美国AD公司的数据放大器AD524。AD524是一种精密数据放大器，用于恶劣工作条件下要求高精度数据采集应用场合。由于高线性度、高共模抑制比、低失调电压漂移和低噪声特性完美结合，使AD524适用于许多数据采集系统。数据放大器AD524可不需要任何外接元件，只通过RG:与GIO,G100,GlOOO引脚的不同组合连接而获得1,10,100,100O的固定增益。使用数据放大器AD524作为前置放大器，简化了安培检测器的电路设计，其优良的性能保证了电路的精度与稳定性。凹1)AD524的主要性能：- 双电源供电：最高可达±18V;- 输入失调电压：50uV(最大)；- 输入失调电压漂移：±0.5uVoC;- 增益误差：最大：±0.05%(G=I),最大：±2%(G=I(X)O);一共模抑制比：大于90dB(G=1),120dB(G=l000);- 增益带宽乘积：25MHz;- 建立时间：15us一低噪声：0.3UVP-p,0.1-IOHz;2)极限参数- 电源电压：±18V;- 内部功耗：450mW;- 输入电压：(任一端同时输入)IVmI+V。<36V;-贮存温度范围：(R)65125oC(D,E)65+150°C3)其典型应用电路如图3-6所示:3. 4.4滤波电路的设计对信号进行A/D转换时，信号的最高频率应为采样频率f的1/2以下。若输入其上的频率信号，则A/D转换的结果会产生误差。采样频率很高时，可以使用高速，高精度A/D转换器，但这样的IC价格高。截止频率通常接近采样频率的1/2,可以在A/D转换器的前面接入衰减特性陡峭的滤波器，这种滤波器称为防混淆滤波器。这里要求使用高次滤波器，但对于普通的LPF,由于RC元件误差引起的增益-频率特性变化较大，因此，LPF不适用于这种用途。这时方便使用的是LC模拟滤波器，它是用有源元件实现LC元件功能的GIC电路结构的滤波器。其特征是RC元件误差对增益-频率的影响不大。图3-7给出GlC(GeneraliZiedImpedanceConnverter)电路。GIC一般也称为阻抗变ZZLzlZ,可得到任意的阻抗。内部阻抗ZZ;使用电阻与电容，,nZZ但换电路。使用关系式24Z1与Z2或Z3与Z4双方不能使用电容，其原因是为了使运算放大器正常的工作，运算放大器输入所需要流经直流偏置电流，而且要加直流负反馈。图3-7可实现任意阻抗的GIC电路1.C滤波器的设计理论已经确立了，因此根据书末文献中记载的正规化表，选择如图3-8所示的LC滤波器。其次如图所示，进行各元件乘以1/S的变换操作，这种操作称作布鲁顿变换操作。最后，用图3-9所示GIC电路实现FDNR元件功能。12力进行布鲁诺变换的巴特沃茨LPF给定截止频率f与基准电容C求出基准电阻R乘以变换的NLRF常数，用GIC电路设定负电阻D如图3T0所示为完成设计的电路，图中R4和R是为运算放大器输入提供的直流偏置电流的电阻滤波电路的传G-+181S4+2927S3÷5.55S2+4.854S+1（式3.3）三3-10FDNR5次巴特沃茨LPF公文）3.5微安培检测器模拟电路设计电路中除采用上述元器件外，所用电阻应选择温度特性与频率特性均较好的低噪声、高精度金属膜电阻。由于滤波和相位校正引入的电容也会不可避免的带来噪声，因此应尽量选择低噪声电容，如云母或自介电容及漏电小的担电容。各元件之间的参数需注意匹配问题。微安培检测器模拟电路图如图3Tl所示。图3T1微安培检测器的模拟电路4基于ARM7LPC2131微控制器的安培检测器的硬件平台4. 1微控制器LPC2131的选用与其主要性能特点在本次设计中选用LPC2131作为系统的微控制器，它是32位微控制器，并以很高的性价比赢得了越来越多的用户的青睐。随着科技和工艺的进步，32位微控制器的优势会更加凸现出来，将会成为嵌入式系统的主流。1.1LPC2131微控制器概述1.PC2I31FBD64微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDM1-SCPU,并带有32kB嵌入的高速FlaSh存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位ThUmb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2131FBD64特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8kB的片内SRAM,它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPlo以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统。时4. 1.2LPC2131微控制器主要性能特点：- 16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。- 8kB的片内静态RAM和32kB的片内FlaSh程序存储器。T28位宽度接口/加速器可实现高达60MHZ工作频率。- 通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。- 单个FlaSh扇区或整片擦除时间为400ms。- 256字节行编程时间为1ms。-EmbeddedICERT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。- 1个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44uso- 2个32位定时器/外部事件计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。- 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。一多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个身速12C总线(400kbit/s)>SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。一向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。- 小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)。- 多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。- 通过片内PLL(IoOUS的设置时间)可实现最大为60MHZ的CPU操作频率。一片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为130MHz,与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。-低功耗模式：空闲和掉电。一可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。一通过外部中断或BoD将处理器从掉电模式中唤醒。-单电源，具有上电复位(PoR)和掉电检测(BoD)电路：CPU操作电压范围：3.03.6V(3.3V±10%),I0口可承受5V的电压。14BA E SSA a gA 二 善OndZS8 LLS割Z B- -S- 3 r 一 S 一营 Od 第xlffi 13S3d ZSP0.2P¼fMSACAPI.3 .PO22CAPO.QMATO.O ULRTXCI 3P1.19RACEPKT3 3RTXC2VoDI7 -P1.18.TRACEPKT2PQ:第AQQ / LCO. 26/AD0.5 施PO 27/ADO.OOAPO. 1 ；MM ATO. 1P1.17/TRACEPKT1PO 2a-,AD0.1 CAP0.2MAT02 P0.29/ADO ZCAPO3MAT03P0.30LADO ,旧 NT3 心 AP0.0P1.16RACEPKTO/一 一OLK2131P120TRACESYNC. P0.17CAP1.2SCK1 MAT1.2宿PO. 16VEINTOMAT0.2'CAP02了位而*ES2TATC)13 VooTJPO. 14'EINT1SDA1TOP1.22.PIPESTATI叫 Po.1&MAT1.1 - PO. 12MAT1.0t; P0.11-,CAP1.1SCL1P1.23VPIPESTAT2P0.10CAP1.0M PQ.0RXD1 PWMG,'E INT3、'PO &,rrXDI.'FWM4I IUKiOOX.IoOd boUAsI8d一 XZH 9ZHOoA仆 Z OOdoo。SZQd一Idooxp IoP以n其Id 肾与aJBSSr-.£ ( SodxOOSOMSO- Zr-OOYIOIVK。SKln(d »G1SZ Nu OtVDOadd C-5嘴晶 LSOSrOd图4-1LPC2131管脚图LPC