CN113029288A - 液面探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液面探测装置，涉及液面探测的技术领域，包括探测模块、电容转化模块和控制单元MCU；探测模块接触空气和液面等介质，其电容属性会随着介质改变而产生不同；电容转化模块将电容信号转化为频率信号；控制单元MCU通过直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存存储之间的高速通道，将频率信号转化为脉冲间隔的时间变量，而脉冲间隔的时间变量与数字电容量存在线形正相关关系，以预设的时间分辨率，将频率信号转换成数字电容量，确定预设时间间隔内的电容差值，并将电容差值与电容差值阈值进行比对，若超过阈值，则发出触发信号。在保证探测精度的同时，通过小体积的简单结构，能够通用适应各种不同应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及液面探测技术领域，尤其是涉及一种液面探测装置。
背景技术
化学发光免疫分析仪、全自动生化仪、全自动荧光仪等体外诊断仪器，是将通过样本针采集样本或试剂后，并加入到反应容器中，相互反应，然后对反应物进行自动分析。当前常用电容式液面探测方法，利用加注导体样本针接触到液面时，电容突变原理来判断样本针是否与液面接触。此方式具有灵敏度高、响应快、抗干扰性强等特点。
但是目前市场上对于不同类型的体外诊断仪器，因为其结构、空间等因素制约，无法实现统一的一种电路模块。即使相同的电路原理图，但由于硬件排版布线的差异，就会影响模块一致性以及通用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液面探测装置，与常规控制单元基于中断方式采集相比，采用更加精确的时间分辨率检测电容差值，精度较高，在保证探测精度的同时，通过小体积的简单结构，能够通用适应各种不同应用场景。
第一方面，本发明实施例提供了一种液面探测装置，包括探测模块、电容转化模块和控制单元MCU；
所述探测模块，用于实时从液面探测电容信号；
所述电容转化模块，用于将所述电容信号转化为频率信号；
所述控制单元MCU，用于通过直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存单元之间的高速通道，基于所述高速通道，将所述频率信号转换成数字电容量，确定预设时间间隔内的电容差值，并将所述电容差值与电容差值阈值进行比对，若超过阈值，则发出触发信号。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于通过所述直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存存储之间的高速通道。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于基于所述高速通道将所述频率信号转化为脉冲间隔的时间变量，根据所述脉冲间隔的时间变量确定数字电容量，或者，以预设的时间分辨率，将所述频率信号转换成数字电容量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于在接收所述电容转化模块发送的所述频率信号的情况下，通过直接内存接口DMA以预设的时间分辨率，在内存单元存储当前时钟计数值，并当所述内存单元存储容量达到阈值，提取存储的时钟计数值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于将最新接收的数字电容量与最早接收的数字电容量进行差值计算，并剔除所述最早接收的数字电容量。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于根据所述触发信号控制加注于液面的采样针停止操作。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至加样臂的底板电路，以使所述底板电路控制所述加样臂带动所述采样针停止继续加注液面。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至机械臂控制板，以使所述机械臂控制板控制电机带动机械臂采样针停止继续加注液面。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，还包括显示装置，用于显示所述数字电容量与所述电容差值，所述电容差值阈值通过实时设置或者预先设置。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述控制单元MCU还用于在确定预设时间间隔内的电容差值前，对所述数字电容量进行滤波。
本发明实施例提供了一种液面探测装置，通过直接内存接口DMA提升时间分辨率，进而提高频率的精度，利用加注导体接触液面会发生电容突变的原理，设计出一款公共的小尺寸液面探测装置，该装置能够在加注导体接触到液面的瞬间，识别到电容突变，如果变化量大于设定的阈值，则输出触发信号，在保证精度的前提下，简化电路结构，体积较小，能够通用适应多种应用场景。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种液面检测装置示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种液面检测装置示意图；
图3为本发明实施例提供的一种加样臂液面探测板组件示意图；
图4为本发明实施例提供的一种机械臂控制板组件示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于目前市场上，常规的液面探测装置，不同的结构以及应用环境，需要设计不同尺寸的液面探测装置，而无法实现采用统一的液面探测装置实现。另外，目前市场上常用液面探测装置，其电路复杂程度高，很难实现小尺寸液面探测模块，具体可包括以下两种：
第一种液面检测装置，包括上位工控机和单片机，单片机通过IIC通信接口与电容传感器连接，单片机的检测指示信号输出端与上位工控机的信号采集输入端连接，不足之处在于方案只能说适用于某种环境，换了使用环境之后，可能需要重新设计和制作PCB，其次，IIC接口导致通信速率不够，在高速样本针探测的时候，无法有效检测出电平状态；
第二种液面检测装置，包括取样针、振荡电路和频率检测电路，通过单片机检测取样针的输出信号的频率进行液面探测，其缺点在于该发明仅仅表述NE555产生的振荡电路，然后通过单片机采集，其实现小型化高聚合度的公共模块有一定的难度。
基于此，本发明实施例提供的一种液面探测装置，在保证探测精度的同时，通过小体积的简单结构，能够通用适应各种不同应用场景。
下面通过实施例进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种液面探测装置的结构示意图。
参照图1，本发明实施例提供了一种液面探测装置，包括探测模块、电容转化模块和控制单元MCU；
所述探测模块，用于实时从液面探测电容信号；
其中，向液面加注样本针，该样本针可能会接触空气和液面等介质，其电容介质介电常数因其接触介质的种类不同而发生变化，进而实时探测到的电容信号会发生变化。
所述电容转化模块，用于将所述电容信号转化为频率信号；
其中，该电容转化模块可包括电容转电容模块(Capacitor Digital Conversion，CDC)、频率转电容模块(Frequency Digital Conversion，FDC)，本申请可采用CDC模块进行举例说明。
所述控制单元MCU，用于通过直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存单元之间的高速通道，基于所述高速通道，将所述频率信号转换成数字电容量，确定预设时间间隔内的电容差值，并将所述电容差值与电容差值阈值进行比对，若超过阈值，则发出触发信号。
这里，时间分辨率为获取脉冲间隔的时间变量的分辨率，本申请通过定时器捕获外设，能够使得该时间分辨率得以提高，其时间分辨率的上限值为控制单元MCU的定时器基准时钟，依据本发明实施例提供的方法，采用现有技术中常用的MCU，其时间分辨率即可以达到纳秒级别，相比于现有技术中单位时间通过终端计数脉冲个数的方式，该捕获精度要更高。在此基础上，通过对脉冲的时间间隔阈值，判断此时钟脉冲将电容差值与电容差值阈值的比对情况。在空气中其时间间隔较大，则预设时间间隔内的电容差值在电容差值阈值范围内；当接触到液体之后，其时间间隔会迅速变小，则预设时间间隔内的电容差值超过电容差值阈值范围。
在实际应用的优选实施例中，控制单元出现一次中断对电容信号进行检测，其中一次中断的时间间隔较长，此种探测精度并不精确，不能满足某些对精度要求较高的场合，而通过直接内存接口DMA较为精确的时间分辨率，能够确定较短时间间隔内的电容差值，进而提高频率检测的精度，利用加注导体接触液面会发生电容突变的原理，设计出一款公共的小尺寸液面探测装置，该装置能够在加注导体接触到液面的瞬间，识别到电容突变，如果变化量大于设定的阈值，则输出触发信号，在保证精度的前提下，简化电路结构，体积较小，能够通用适应多种应用场景。
作为一种可选的实施例，该探测模块采用由施密特触发器组成的反向振荡电路，更加小巧和精简，降低了物料成本，同时节省了电路板空间，为本申请提供的小巧性能强大的通用液面探测装置创造了条件。在此基础上，再选择小尺寸的控制单元MCU，能够进一步实现提供高精度、小尺寸的通用性液面探测板的目的。
需要说明的是，一般小尺寸的控制单元MCU本身的计算性能也会有所影响，进而无法实现较为精确或较为复杂的性能控制。但本申请中通过直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存单元之间的高速通道，并不抢占控制单元MCU的运行计算资源，减小对高性能MCU的依附性，从而本申请能够在应用更小尺寸的控制单元MCU的情况下，实现高精度频率信号获取并进行逻辑运算。
本发明实施例提供了一种通用的公共液面探测装置，从经济效益角度来说，企业可以大批量采购原材料，进一步降低生产成本；从开发角度来说，采用通用的公共液面探测装置，可以减少硬件排版布线风险，减少软件异常风险，提高研发速度；从运行维护角度，由于采用统一的液面探测装置，可以更大规模得被市场验证，对于维护者来说，只需维护一款装置，而无需维护多款，从而大大提高工作效率。
在一些实施例中，控制单元MCU还可用于通过所述直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存存储之间的高速通道。作为一种可选的实施方式，控制单元MCU还用于基于所述高速通道将所述频率信号转化为脉冲间隔的时间变量，再根据所述脉冲间隔的时间变量确定数字电容量，或者，以预设的时间分辨率，将所述频率信号转换成数字电容量。
其中，根据脉冲间隔的时间变量与数字电容量存在的线形正相关关系，确定出对应的数字电容量。
作为一种可选的实施例，液面探测装置还包括电气接口，电气接口包括电源、地、发送通信接口、接收通信接口和触发信号通信接口等等。该电气接口可采用贴片式的半孔设置于液面探测装置中。
在一些实施例中，其中，该电源还可包括高精度电源，用于为所述电容转化模块提供稳定的电压输入，进而保证电容转化模块能够得到稳定的频率输出。需要说明的是，该高精度电源的精度要求低噪音小于等于20uVRMS，除高精度电源之外，还包括其他相关硬件电容滤波器，为电容转化模块提供稳定的电压输入。
其中，加注导体信号通过电缆与本装置连接，当接触到液体表面，探测模块采集的电容信号会被电容转化模块捕获，其中，控制单元MCU对电容转化模块采集到的频率信号，进行转电容处理，并相应滤波，最终判断电容差值是否超过差值阈值，若超过差值阈值，则发出触发信号。如图2所示。在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于在接收所述电容转化模块发送的所述频率信号的情况下，通过直接内存接口DMA以预设的时间分辨率，在内存单元存储当前时钟计数值，并当所述内存单元存储容量达到阈值，提取存储的时钟计数值。
这里，按照内存单元存储的时钟计数值对频率进行采集，缩短了采集时间间隔，示例性地，利用MCU定时器自带的DMA功能，每来一个脉冲，DMA会将此时的定时器计数值存入到内存中，当存满一个数量的脉冲个数之后，DMA会触发MCU的中断通知MCU进行数据处理，相比传统出现一次中断才会进行一次的采集操作，提高了频率检测精度。
本发明实施例提供的液面探测装置的实时性较高，在MCU性能计算方面，由于采用了DMA功能，在进行原始脉冲采集的时候，MCU可以专注于前一组数据处理，从而极大得提高了采集计算效率，并且减少了MCU的性能要求，为做通用的公共平台提供了可能性。在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于将最新接收的数字电容量与最早接收的数字电容量进行差值计算，并剔除所述最早接收的数字电容量。
这里，本发明实施例根据斜率曲线原理，呈曲线显示模式，能够将采集到的数据快速输出。
在一些实施例中，其中，还包括显示装置，用于显示所述数字电容量与所述电容差值。
作为一种可选的实施例，还可用于对数据波动状态显示：如果采集到的数字电容量数据有小范围的波动，可以通过LED方式进行显示，如图2所示。
在一些实施例中，其中，所述电容差值阈值通过实时设置或者预先设置。
本发明实施例提供的装置具有数据通信功能：
1)可以查询本装置的版本号；
2)设置阈值参数，其中有两种设定阈值的方式，一种是实时设置阈值，阈值数据不存储；第二种设定阈值并存储，该方式不仅能够实时设定阈值还可以将数据保存，下次开机自动加载此阈值。
在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于在确定预设时间间隔内的电容差值前，对所述数字电容量进行滤波。
这里，通过滤波后的电容，再进行后续操作，保证探测结果的准确性。
在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于根据所述触发信号控制加注于液面的采样针停止操作。
其中，本发明实施例通过精简的电路结构，实现较小的电路板尺寸，进而可以通过焊接的方式加载在多种形式的底板上，以满足不同应用终端的需求。
在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至加样臂的底板电路，以使所述底板电路控制所述加样臂带动所述采样针停止继续加注液面。如图3所示。
其中，本发明实施例提供的小尺寸公共液面探测装置，其尺寸可以为20mm*30mm，探测精度可达到0.01pf，可通过TTL串口通信方式进行通信。
作为一种优选的实施例，本发明实施例所述的公共液面探测装置，可以加载在全自动生化仪的加样臂的液面探测组件上，其结构示意图如下图3所示：
将液面探测装置通过焊接的方式焊接在加样臂的液面探测组件上，液面探测组件放置在加样臂旋转横梁上，通过导电电缆将金属钢针内芯(采样针)与液面探测组件信号端相连，外芯与液面探测组件“地”相连。同时，液面探测组件上有防撞光耦及相关电路，以及TTL串口转232电平电路。
在一些实施例中，其中，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至机械臂控制板，以使所述机械臂控制板控制电机带动，机械臂采样针停止继续加注液面，具体如图4所示。
作为一种可选的实施例，本发明实施例所述的公共液面探测装置，可以加载在全自动化学发光仪机械臂控制底板上，其结构功能示意图4如下：
将液面探测装置通过焊接的方式焊接在机械臂控制板组件上，通过串口TTL方式与机械臂控制板组件的控制器进行数据通信，如查询版本，设置阈值灯，通过导电电缆将金属钢针内芯(采样针)与液面探测组件信号端相连，外壁与液面探测组件“地”相连。机械臂控制板控制电机运转带动金属钢针下降，检测到液面后，液面探测装置会发出触发信号，机械臂控制器接收到触发信号后，开始执行电机快速减速操作，待控制采样针停止后，开始吸样。
本发明装置集成电源管理、电容信号采集电路、软件数据处理以及电平触发输出等功能，并进一步实现在全自动生化分析仪、全自动化学发光仪、全自动定量分析仪等体外诊断仪器，不同的样本或者试剂加注装置上使用通用的液面探测装置。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液面探测装置，其特征在于，包括探测模块、电容转化模块和控制单元MCU；
所述探测模块，用于实时从液面探测电容信号；
所述电容转化模块，用于将所述电容信号转化为频率信号；
所述控制单元MCU，用于通过直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存单元之间的高速通道，基于所述高速通道，将所述频率信号转换成数字电容量，确定预设时间间隔内的电容差值，并将所述电容差值与电容差值阈值进行比对，若超过阈值，则发出触发信号。
2.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于通过所述直接内存接口DMA建立定时器捕获外设与内存存储之间的高速通道。
3.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于基于所述高速通道将所述频率信号转化为脉冲间隔的时间变量，根据所述脉冲间隔的时间变量确定数字电容量，或者，以预设的时间分辨率，将所述频率信号转换成数字电容量。
4.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于在接收所述电容转化模块发送的所述频率信号的情况下，通过直接内存接口DMA以预设的时间分辨率，在所述内存单元存储当前时钟计数值，并当所述内存单元存储容量达到阈值，提取存储的时钟计数值。
5.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于将最新接收的数字电容量与最早接收的数字电容量进行差值计算，并剔除所述最早接收的数字电容量。
6.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于根据所述触发信号控制加注于液面的采样针停止操作。
7.根据权利要求6所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至加样臂的底板电路，以使所述底板电路控制所述加样臂带动所述采样针停止继续加注液面。
8.根据权利要求6所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于将所述触发信号发送至机械臂控制板，以使所述机械臂控制板控制电机带动机械臂采样针停止继续加注液面。
9.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，还包括显示装置，用于显示所述数字电容量与所述电容差值，所述电容差值阈值通过实时设置或者预先设置。
10.根据权利要求1所述的液面探测装置，其特征在于，所述控制单元MCU还用于在确定预设时间间隔内的电容差值前，对所述数字电容量进行软件数字滤波。
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|---|---|---|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5866426A (en) * | 1996-12-17 | 1999-02-02 | Akzo Nobel N.V. | Device and method for determining liquid-probe contact |
| CN105067080A (zh) * | 2015-08-06 | 2015-11-18 | 四川迈克生物医疗电子有限公司 | 电容式液面探测装置、方法及系统 |
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| CN107270999A (zh) * | 2017-06-22 | 2017-10-20 | 电子科技大学 | 一种雷达物位计测量电路 |
| CN112050900A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-08 | 安图实验仪器(郑州)有限公司 | 用于加样针的液面探测系统 |
-
2021
- 2021-03-05 CN CN202110249728.8A patent/CN113029288B/zh active Active
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