基于USB的电解质分析仪的研究与设计

论文摘要

人体内电解质是体液的重要组成部分，电解质在体内正常的代谢活动的维持方面发挥着重要作用，快速而准确地检测人体内电解质的变化情况，是十分重要的。电解质分析仪就是一种用来检测人体内电解质浓度的临床检测仪器。现代电解质分析仪通常采用离子选择电极法，能够选择不同种类的离子选择电极配合使用，以测定溶液中多种离子的浓度。本文设计并提出了一种基于USB接口通信的电解质分析仪，仪器采用Cypress公司生产的EZ-USB系列芯片作为核心控制器，精简了硬件电路设计，实现了所需的功能的同时还节省了成本，并充分发挥了USB接口通信的优点。本文主要研究内容和成果有以下几个方面：1、对国内外电解质分析仪的发展状况进行了介绍，基于虚拟仪器的思想对仪器进行规划与设计，并对使用USB接口实现电解质分析仪与计算机进行通信的可行性进行了分析，指出基于USB的电解质分析仪不仅能够满足电解质分析仪功能方面的基本要求，还能够提高整个系统的数据处理与存储能力，简化外设，节约成本。2、研究了USB的体系结构，选用了EZ-USB系列芯片CY7C68013A芯片作为整个硬件系统的核心控制器，芯片强大的处理能力与丰富的内置电路，优化了电路设计，同时芯片集成的USB通信协议正好满足了我们实现USB接口通信的要求。3、根据离子选择电极的相关知识，结合Nernst方程，得出了仪器中使用的测量方法，为仪器的离子浓度测量提供了理论支持。4、按照不同的功能模块，对系统的硬件电路的具体实现与软件设计的算法流程做了详细的说明，最后对检测结果进行了分析，证明我们设计的电解质分析仪实现了所需的功能，并且满足性能方面的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 智能仪器与虚拟仪器
• 1.2.2 离子选择电极的发展
• 1.2.3 电解质分析仪国内外发展现状
• 1.2.4 USB 接口通信简介
• 1.3 课题的目的与意义
• 1.4 论文结构与创新点
• 第二章 USB 规范及体系结构
• 2.1 引言
• 2.2 USB 体系层次结构
• 2.3 USB 总线拓扑结构
• 2.4 USB 事务处理
• 2.5 USB 描述符
• 2.6 USB 设备请求
• 2.7 本章小结
• 第三章 测量原理与系统总体设计方案
• 3.1 测量原理
• 3.1.1 离子选择电极法测量原理
• 3.1.2 Nernst 方程
• 3.1.3 实际测量方法
• 3.1.4 线性范围与检测下限
• 3.1.5 响应时间
• 3.2 电解质分析仪设计目标与要求
• 3.3 系统整体设计框架
• 3.4 本章小结
• 第四章 USB 接口通信的实现
• 4.1 引言
• 4.2 USB 接口芯片的类型及选择
• 4.3 USB 设备接口模块硬件电路的设计
• 4.4 EZ-USB FX2LP 的列举与重列举
• 4.5 EZ-USB 的固件程序的设计
• 4.5.1 固件程序的结构
• 4.5.2 固件程序的主程序流程
• 4.5.3 固件程序的下载
• 4.6 上位机应用程序设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 电解质分析仪的功能实现
• 5.1 引言
• 5.2 液路控制模块硬件设计
• 5.2.1 步进电机
• 5.2.2 蠕动泵与配液阀
• 5.2.3 光电开关
• 5.3 信号采集与处理模块硬件设计
• 5.3.1 信号调理电路
• 5.3.2 通道选择与 AD 转换
• 5.4 功能软件的设计与实现
• 5.4.1 AD 转换的固件实现
• 5.4.2 通道选择与光电开关状态检测软件实现
• 5.4.3 驱动步进电机软件实现
• 5.4.4 系统自动初始化过程
• 5.4.5 进样过程的软件流程设计
• 5.4.6 不同液体的隔离
• 5.4.7 一点定标与两点定标软件流程设计
• 5.4.8 测量过程软件流程设计
• 5.4.9 系统状态与报警信息显示
• 5.5 本章小结
• 第六章 系统调试与结果分析
• 6.1 系统调试
• 6.1.1 USB 通信采集模块调试
• 6.1.2 数据采集模块调试
• 6.1.3 液路模块模拟控制调试
• 6.1.4 综合性能调试
• 6.2 系统实物图与界面
• 6.2.1 部分硬件实物图
• 6.2.2 客户软件界面
• 6.3 综合性能测试与结果分析
• 6.3.1 准确度测试
• 6.3.2 精密度测试
• 6.3.3 稳定性测试
• 6.3.4 结论
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 本人攻读学位期间发表论文情况