基于片上系统协同计算的实时数据自动检测电化学传感器

周 剑，李跃新

(1.常熟理工学院 江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室，江苏 常熟 215500; 2.湖北大学 计算机与信息工程学院，武汉 430062)



基于片上系统协同计算的实时数据自动检测电化学传感器

周 剑1，李跃新2

(1.常熟理工学院 江苏省机电产品循环利用技术重点建设实验室，江苏 常熟 215500; 2.湖北大学 计算机与信息工程学院，武汉 430062)

针对应用于生物体内特征物质检测与跟踪的电化学传感器的其智能化和集成化问题，文章提出了一种基于片上系统的支持实时数据自动检测的电化学传感器；首先，将应用于电化学传感器结构，通过将测量样品、检测溶液接口、多电极和检测传导器等单元集成在片上系统，结合信号转换和电源装置，实现电化学传感器的独立计算、存储和通信功能；接着，通过实现待测量物多电极、检测溶液电极子和单片机逻辑控制的协同计算满足自动检测需求；最后，基于数据整合与自动化处理设计了支持实时数据检测的电化学传感器；验证结果表明，在数据检测精度和实时性方面所提方案明显优于传统的非片上系统电化学传感器。

电化学传感器；自动检测；协同计算；片上系统

0 引言

为了满足物理化学检测技术发展的多样化需求，电化学传感器以其成本低廉、检测灵敏度高、鲁棒性强等因素[1-2]，结合各种新型检测材料和实时传感技术,在农药残留检测[3]和环境监测[4]中得到了广泛应用。然而电化学传感器应用中数据检测逐步需要保障实时、自动和快速处理等方面性能，可将微芯片与电化学传感器相结合，实现检测装置微型化和检测过程一体化。因此，研究电化学传感器的片上系统架构和计算方案成为增强传感器数据检测的稳定性和实时性成为应用研究领域热点问题。

文献[5]针对活性氧ROS，DNA碱基和活性氧ROS损伤DNA等数据检测，研发了一系列电化学传感器。文献[6]为了使得接地网腐蚀电化学原位检测传感器具有限流作用，在绝缘腔体中封闭辅助电极，从而使得绝缘腔体底部小孔流向工作电极。Xiaoyi Mu等人[7]研究了一种鲁棒的电化学气体传感器具有室温离子液体(RTIL)作为电解质和多孔聚四氟乙烯作为柔性衬底，并采用了平面电极的膜结构微型传感器。Levine, P.M.等人[8]将全波数值分析和微波网络理论应用于非理想馈电端口共形阵，建立了共形阵列完备互耦校正算法。

针对电化学传感器的自动检测与集成化问题，提出了一种片上系统的基于协同计算的实时数据自动检测算法及传感器结构。主要内容有：1)建立适用于电化学传感器的片上系统架构；2)基于待测量物多电极、检测溶液电极子和单片机逻辑控制协同架构，提出了点化学传感器协同控制方案；3)在片上系统建立三级协同计算单元构建了自动数据检测算法。

1 电化学传感器片上系统

片上系统应用于电化学传感器设计，可将测量样品、检测溶液接口、多电极、检测传导器和检测装置集成在一个芯片上，结合芯片控制逻辑单元、单片机单元、信号处理单元和存储单元以及外围电路接口，配合数模转换前端单元和供电单元，构成一个独立的智能终端设备，图1给出了一种活性氧电化学传感器片上系统。

图1 活性氧电化学传感器片上系统

电化学传感器片上系统是基于检测单元、处理单元和通信单元异构结合的用于综合检测与传输数据的一类片上集成传感器。检测单元利用活性氧与专一性酶蛋白借助片上系统中的多电极单元在检测溶液中进行电子转移实现检测，检测后的活性氧产物密度发生变化，引起检测传导器电位和电荷以及双电层状态发生改变，结合离子迁移现象，将化学信号转换为电信号，发送给单片机单元。上述电化学渐变和电极反应过程如公式(1)所示。

(1)

其中:I是检测后电信号电势值，V1为初始化电势差，V为检测溶液电势差，O为检测样本中活性氧密度，C为检测溶液密度，RC和RO分别为检测溶液和检测样本的内饰电阻组份。

单片机接收到电信号后，工作如图2所示。片上系统以信号类别可以分为两部分：电化学反应部分和信号处理部分。其中，电化学反映部分选择性地与待测物发生电化学反应，产生化学信号。化学信号结合电子转移和离子转移等现象传输检测传导器，然后将所测得的化学信号经单片机单元转换为电信号。接着，可对该电信号进行存储、计算和通信等一系列操作。接收端可借助多电极、光纤或者对待测物质敏感部件将接收到的电信号以多种形式进行处理，为上层应用或用户提供对检测样本的检测结果。

图2 片上系统信号传输与处理

为了优化电化学检测单元与信号处理单元的融合关系，提高片上集成电化学传感器系统的稳定性和健壮性，以如图1所示的活性氧电化学传感器为例，可按照公式(2)和(3)所示机理构建既可以保障电化学检测反应稳定又可以准确捕捉电离子转移效应下电位检测结果。

(2)

(3)

其中:SD(ER+)表示多电极与待测活性氧发生电化学反应后电子势阵列，↘表示发生检测后离子转移信号强度以电子势形式表示。

经片内总线传至检测传感器的为单片机提供的电信号强度如公式(4)所示。

(4)

其中:Asu表示独立电信号单元，∑I表示对片内总线上电子势求和，ω表示检测溶液池与电极间夹角弧度，β表示多电极间夹角弧度。

2 协同计算实时数据自动检测算法

电化学传感器片上系统，因集成了测量样本、检测溶液、传导器和单片机，不存在由于外界干扰、样品腐蚀失效或化学信号传输错误而造成的信号强度、测量物时效与检测结构不匹配的问题。因此，能够在剔除上述因素的条件下，将数据检测问题转换为3个模块单元的数据计算问题，然后进行数据整合与自动化处理并给出实时检测结果。分别对待测量物多电极、检测溶液电极子和单片机逻辑控制进行数学建模。

待测量物多电极结构是以适合气体形式样本触面和保障正常电化学反应发生为主，因此在此基础上，确保正常、有效电化学反应极其机理意义为前提，建立便于信号转换和传输的数学模型。

图3给出了适用于活性氧检测的多电极机理结构。其中，待测物样本用圆柱形容器存放，需要获得其浓度AC、电子量EV、离子浓度IOC和电极感应势EP。该模型是由待测物样本容器与多电极组之间的片内总线上的离子浓度控制待测物样本浓度，根据其电子量模拟片内气体电子活动，多电极间夹角弧度控制电极间协作过程，可由片内局部电流与离子转移方向上线性乘积实现，模型中参数获得可由公式(5)和(6)实现，协作过程控制如公式(7)所示。

(5)

(6)

(7)

其中:P(SD(ER+)-C→SD(ER-))表示待测物因电化学反应对浓度造成影响的概率，CB表示离子在片内总线上的转移宽度，α1-、α2-和αN-分别表示N个电极间相互干扰系数，IT+表示多电极协作权重。

图3 活性氧检测多电极机理结构

图4阐述了检测溶液电极子机理与等效电路模型。其中，呈V形的检测溶液池便于与电极子阵列形成映射极阵。待测物如活性氧经过V形溶液池以最大接触面与电极子阵列发生反应，后期产物则随着V形上升溢出。电化学反应过程中的电子与离子量随着V形溶液池另一端转移至稳性电路，经稳压电容和稳流电阻后形成化学信号，可经片内总线传送至传导器等单元。电极子阵列中的电子量和离子势协同计算过程如公式(8)所示。

(8)

图4 检测溶液电极子机理与等效电路

以上2个协同计算单元分别用于实现待测物存储管理和电化学反应协同计算过程，当得到化学信号后需要通过协同控制实现对其逻辑时序控制和信号类型转换，协同机理及信号转移过程如图5所示。其中，协同计算采用扇形布局转换器阵列及其检测结果，然后通过片内总线发送给单片机进行处理，该过程具有公式(9)所示机理。

图5 单片机逻辑控制协同计算机理

(9)

综上所述，基于电化学传感器片上系统的协同计算实时数据自动检测算法流程描述如下：

1)待测物样本存放在圆柱形容器中，与支持协同触发的片上总线连接；

2)多电极组协同计算得到待测物的电子量、离子势和电极感应势参数；

3)电化学反应经检测溶液池触发后，经V形溶液池结合电极子阵列进行协同反应；

4)电化学反应过程中的电子和离子转移至稳性电路路，经稳压和稳流后得到反应检测结果的化学信号；

5)等待协同时序发生器发来控制命令，激发总线协同控制单元，将电信号发送至转换器阵列；

6)转换器阵列按照协同时序进行计算，结果反馈至片内总线；

7)由单片机逻辑单元控制将片内总线传输信号送至通信单元，实现与上层应用的交互。

3 传感器数据检测性能验证

为了验证所设计的基于片上系统和协同计算的电化学传感器的数据检测性能，针对活性氧检测效果从实时性和检测数据精度两个方面，通过实验与无片上系统的电化学传感器进行性能对比分析。为了方便，实验中将所提点化学传感器结构记为C3E-Sensor，无片上系统的电化学传感器记为NE-Sensor。基于公式(10)所示的活性氧电化学反应机理，设置实验溶液成分如表1所示。

(10)

协同计算过程中，协同控制时序可由如下算法产生：

BEGIN

ESS=SEDS*2+SEDIS;

IF TC='1' THEN

C_computing<='00';

ELSIF(HDIS=011 AND HOD=101)

C_computing>='01';

IF TC

激活传导器阵列;

ELSIF CN>=TC

将时序发送给电极子阵列;

向单片机逻辑控制单元发送通信时序信号;

END

图6给出了C3E-Sensor与NE-Sensor在进行活性氧检测时的自动检测数据精度与检测时延等方面的对比。因为检测溶液池中电化学反应产生的电流值可以直接反映电化学传感器数据检测效果，因此图6(a)给出了电流随电极子阵列电压变化规律。从中发现，所提的C3E-Sensor与实测值非常接近，最大误差小于0.5%，最小误差为0.03%，比NE-Sensor的平均误差1.2%小很多，这得益于电极子阵列的协同计算，不仅降低了计算空间复杂度而且提高了检测精度。数据检测持续时间如图6(b)所示，可以看出，NE-Sensor的时延较大而且有明显抖动，难以提供稳定和可靠的检测结果。而所设计的C3E-Sensor因为所有数据检测过程都在片上系统中发生，既节约了化学信号与电信号的转换过程这也得益于单片机逻辑单元的协同计算方案，又缩短了信号在检测系统中的传递时延。

图6 自动数据检测性能对比

4 结束语

电化学传感器广泛应用于生物体内特征物质的检测与跟踪，为了推进其智能化和集成化的进程，本文提出了一种基于片上系统的支持实时数据自动检测的电化学传感器。首先，将片上系统应用于电化学传感器结构，通过将测量样品、检测溶液接口、多电极和检测传导器等单元集成在同一芯片上，配合数模转换前端和供电装置，使得电化学传感器具有独立计算、存储和通信功能。其次，数据检测过程分为待测量物多电极、检测溶液电极子和单片机逻辑控制协同计算过程。最后，通过将数据整合与自动化处理相结合给出了具有实时数据检测功能的电化学传感器。从实验结果中可以看出，与传统的非片上系统电化学传感器相比，在数据检测精度和检测时延等方面具有明显优势。

[1] 徐淑萍, 黎 超. 基于ARM的便携式烟气分析仪[J].计算机测量与控制, 2011,19(7): 1788-1790.

[2] 邹绍芳. 微型电化学传感器研究的最新进展[J]. 传感技术学报, 2004 (2): 336-341.

[3] 李文进, 刘 霞, 李蓉卓,等. 电化学传感器在农药残留检测中的研究进展[J]. 食品与机械, 2013, 29(4): 241-245.

[4] 赵燕芳, 岳太星, 金玲仁. 基于石墨烯构建的电化学传感器在环境监测中的应用[J]. 中国环境管理干部学院学报, 2012, 22(4): 56-59.

[5] 杨 妍. 几种活性氧和DNA电化学传感器研究[D]. 长沙：湖南大学, 2013.

[6] 季 诚, 郝承磊, 张秀丽,等. 接地网腐蚀状态电化学检测传感器的研制[J]. 华北电力技术, 2014 (11): 6-11.

[7] Mu X Y, Wang Z, Zeng Z Q, et al. A Robust Flexible Electrochemical Gas Sensor Using Room Temperature Ionic Liquid[J]. IEEE Sensors Journal, 2013, 13(4): 3976-3981.

[8] Levine P M, Gong P, Levicky R, et al. Active CMOS Sensor Array for Electrochemical Biomolecular Detection[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008, 43(8): 1859-1871.

Real-time Data Automatic Detection Based on Collaborative Computing of Chip System for Electrochemical Sensor

Zhou Jian1, Li Yuexin2

(1.Jiangsu Key Lab of Recycling & Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China; 2.School of Computer Science and Information Engineering,Hubei University, Wuhan 430062, China)

Electrochemical sensor for detecting and tracking applied to feature substances in the body is facing the intelligence and integration problems, this paper puts forward a kind of electrochemical sensor for real-time data support system on chip based on automatic detection. First of all, will be applied to the structure, electrochemical sensor, the measured samples, detection, and detection of multi electrode solution interface transmitter unit integration in system on chip, combined with the signal conversion and power device, to achieve independent computation, storage and communication function of electrochemical sensors. Then, through the realization of the object to be measured, the test solution of multi electrode and collaborative SCM control logic calculation to meet the demand of automatic detection. Finally, data integration and automation design based on electrochemical sensor to support real-time data detection. Test results show that, the proposed scheme is superior to the traditional data detection divice.

electrochemical sensor; automatic detection; collaborative computing; chip system

2015-04-21；

2015-11-21。

江苏省自然科学基金项目(201302844)；江苏省科技支撑计划项目(BE2013060)；湖北省国际交流与合作项目(2012IHA0140)；湖北省科技重大支撑项目(2014BAA089)国家自然科学基金项目(61170306)资助；湖北省自然科学基金面上项目(2014CFB536)；湖北大学校自然科学基金项目(530-095183)。

周 剑(1981-)，男，湖南娄底人，硕士，讲师，主要从事传感网络，故障检测与知识发现等方向的研究。

李跃新(1958-)，男，湖北武汉人，博士，教授，主要从事人工智能与知识工程、智能控制系统、嵌入式技术方向的研究。

1671-4598(2016)03-0011-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.004

TP319

A