（机械电子工程专业论文）基于dsp的全自动生化分析仪控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 全自动生化分析仪是一个集光、机、电于一体的大型生化检验设备，主要 用于临床检验人体体液中的各种生化指标，是医疗机构进行临床诊断所必须的 仪器之一。本论文的工作是结合国家九五科技攻关项目“全自动生化分析仪的 研制与开发”课题开展的。 本文介绍了生化分析仪的原理、分析过程及国内外发展的状况，叙述了全 自动生化分析仪的原理、组成及其工作过程。重点论述了全自动生化分析仪控 制系统的设计。控制系统的设计包括系统硬件电路的设计和软件设计两部分。 本系统设计中采用一片高性能的d s p ( 数字信号处理器) t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 代替了目前生产的全自动生化分析仪的六个单片机完成系统控制，用可编程逻 辑器件e p m 7 1 2 8 提供所需的逻辑信号，采用1 6 位高速a d 转换器a d 9 7 6 a 取 代以往的a d 5 7 4 完成模数转换。系统软件包括上位机软件和d s p 的软件两部 分，本文在对全自动生化分析仪所需功能进行分析的基础上应用d e l p h i 编写了 上位机软件，并给出了d s p 软件流程图。 本系统具有以下优点： 1 ) 智能化强，操作简便。 2 ) 采用一片d s p 代替了六片单片机，简化了硬件结构，提高了电路控制 系统的可靠性和稳定性。 3 ) 采用1 6 位高速a d 转换器完成模数转换，使模数转换速度提高了1 0 倍。 4 ) 在d s p 软件设计中引入了高级语言的多线程思想，并行的实现了原系统 中六个单片机分别实现的控制功能。 实验研究表明，本系统可实现全自动生化分析仪的系统控制，并且检验速 度快、测量数据准确，所有检验项目均达到指标要求。本系统的研究对全自动 生化分析仪的发展具有重要意义。 关键词：全自动生化分析仪d s p 控制系统 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 a b s t r a c t w a n gh o n g y a n ( m a c h i n e a n de l e c t r o ne n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o rw a n q i u h u a 1 1 碡a u t o m a t i cb i o c h e m i c a l a n a l y z e r i sa l li n s t r u m e n t i n c l u d i n go p t i c s m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y i t i su s e di nt h ed e t e c t i o no fv a r i o u s b i o c h e m i c a l i n d e x e so f b o d yf l u i d i ti so n eo f t h en e c e s s a r yi n s t r u m e n t sf o rc l i n i c a l d i a g n o s t i c si nh o s p i t a l t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es u b j e c to fa u t o m a t i cb i o c h e m i c a l a n a l y z e r w h i c hi s u n d e rt h e s u p p o r t o ft h en a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t s n i n t h f i v e - y e a rp l a n t h e p a p e r i n t r o d u c e d p r i n c i p l e ，a n a l y t i c a lp r o c e s s ，t h e n a t i o n a la n d i n t e m a t i o n a l d e v e l o p m e n to fb i o c h e m i c a la n a l y z e r a tf i r s t , t h e nt h e p r i n c i p l e ， c o m p o s i n ga n dw o r k i n gp r o c e s so f t h ea u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e r t h ep a p e r d i s c u s sd e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ma sa ne m p h a s i s i ti n c l u d et h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s pw a su s e di nt h ed e s i g nt or e p l a c es i xs c mt h o s ew a su s e d i nt h ea u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e rn o wa n dt oc o n t r o ls y s t e m c p l de p m 7 1 2 8 o f f e r l o g i c c i r c u i tt ot h e s y s t e m a1 6 - b i t sh i g h s p e e d a dc o n v e r s i o nd e v i c e a d 9 7 6 a r e p l a c e da d 5 7 4 t oc o m p l e t ed i g i t a l a n a l o gc o n v e r s i o n t h es o f t w a r eo f s y s t e mi n c l u d ep r o g r a mo fp ca n dd s p t h ep a p e ru s e dd e l p h it op r o g r a mt h e s o f t w a r eo fp cb a s e do na n a l y s i sa b o u tf u n c t i o no ft h ea u t o m a t i cb i o c h e m i c a l a n a l y z e r t h ef l o w c h a r to f d s pw a s g i v e n t h e d e s i g nh a v e s o m e a d v a n t a g e sa sf o l l o w e d ： 1 1i ti sm o l ei n t e l l i g e n t i z e da n de a s yt oo p e r a t e 2 、ad s pc h i pr e p l a c e ds i xs c mt h o s em a k eh a r d w a r em o r es i m p l ea n d i m p r o v er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l 酊o f t h ec o n t r o ls y s t e m 3 、a1 6 b i t s h i g hs p e e da dc o n v e r s i o nd e v i c e w a su s e d ，i t q u i c k e na d c o n v e r s i o ns p e e dt e nt i m e s 4 、n l em u l t i t h r e a d i n gt e c h n o l o g yw a su s e di nd s ps o f t w a r e ；i tc o m p l e t e dt h e f u n c t i o n s p a r a l l e l e d 。w h i c h s i xs c mr e a l i z e dr e s p e c t i v e l yi nf o r m e rs y s t e m t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h es y s t e mc a nr e a l i z e c o n t r o lo ft h ea u t o m a t i c b i o c h e m i c a la n a l y z c r i th a sh j g ht e s ts p e e da n dp r e c i s i o nt e s td a t a a l lt e s ti t e m s a c c o r dw i t ht h ed e m a n do fi n d e x e s n l er e s e a r c ho fs y s t e mi si m p o r t a n tt o t h e d e v e l o p m e n to f t h ea u t o m a t i c h i e c h e m i c a la n a l y z e r k e vw o r d s ：t h ea u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e r d s pc o n t r o ls y s t e m i i 第一章前言 第一章前言 近二十年来，由于生物数学、近代物理学、化学、电子技术、生物材料学、 机械学、计算机等多种学科的飞速发展，并愈来愈深入地向生物学和l 临床医学 领域的广泛渗透，促进了医学检验理论及实验室仪器和技术的发展。高灵敏度、 多功能、自动化的检测仪器的涌现，大大提高了医学检验的测量精度、速度和 准确度，从而使烦琐的操作得以简化，冗长的实验h 寸间得以缩短，复杂的组分 及精微含量的测量得以实现，显示了自动化仪器强大的生命力。全自动生化分 析仪就是在这种形势下出现的临床检验仪器。 1 1 生化分析仪简介 1 1 1 生化分析仪概述 靠手工方法完成临床生化的检测受技术的熟练程度和工作责任心等因素的 影响，常使结果出现一定误差。随着临床生化项目的增多及要求检验数量增加， 单靠手工操作往往难于满足临床需要。如果仔细分析一下生化检验的操作要点， 就可以注意到这些检验大部分都离不开样品处理( 包括稀释、去蛋白等) ；加试剂 进行反应( 如显色、加热等) ；检测反应产物( 如比色、比浊法等) ；数据处理( 包括 发报告) 等具体操作。这些操作都可适当组合起来，同时再配以计算机硬件及软 件等先进的显示手段，就可制造出很多自动化分析仪器。 自动生化分析技术是以机械的方式模拟手工操作，完成取样、加试剂、保 温、去蛋白、显色、比色、计算结果和报告打印等多个步骤，并按照分析程序， 把这些步骤连接起来，使一个分析项目的整个过程按预定的程序自动完成，可 对多个样品按同一方式连续处理或对一个样品同时进行多个项目检测。实现这 些分析技术的仪器称为自动生化分析仪。 自动生化分析仪以其高技术含量、高准确性、高精密度、高灵活性和高工 作效率为特点，已成为现代临床检验科室中必不可少的设备之一，担负着越来 越繁重的常规检验工作。用于临床检验血常规、心肌酶谱、血糖血脂、肝功、 肾功、免疫球蛋白等常规生化指标。 临床实验室检验手段历经手工操作、半自动分析和全自动分析过程。科学 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 技术的飞速发展，使得自动生化分析仪类型不断更新，功能不断完善，检测速 度不断提高。对不同功能的自动生化分析仪，一般可按以下分类： ( 1 ) 按自动化程度分为全自动及半自动生化分析仪。半自动生化分析仪多半 还要靠手工完成样品及反应混合体的递送，或是手工观测及计算结果。 ( 2 ) 按反应装置结构分为连续流动式、分立式、离心式和“袋式”生化自动 分析仪。 ( 3 ) 按反应方式分为普通( 液体) 和干式生化自动分析仪。所谓干式是把样品 直接加到滤纸片上，以样品作溶剂，使反应片上试剂溶解，进一步完成反应。 由于反应片结构方面不断改进，观测能力增强，使干化学技术有很大发展，干 化学分析仪目前多用于急诊和现场化验。 ( 4 ) 按仪器复杂的程度及功能分为小型、中型和大型自动生化分析仪。小型 一般为单通道；中塑为多通道，通常同时可测2 一l o 个项目，有些仪器测定项 目不能任意选择，有些可任意选择；大型多通道的仪器可同时测1 0 个以上项目， 分析项目可自由选择。 1 1 2 生化分析仪原理 生化分析仪是属于光学式分析仪器，目前分光光度法是绝大多数的生化分 析仪所采用的对化学物质进行测量的方法，它是基于不同分子结构的物质对光 的选择性吸收原理建立起来的方法，属于分子吸收光谱分析。 分光光度分析的依据是朗伯比尔定律。朗伯比尔定律的原理是：特定波长 的单色光通过溶液，其吸收强度与溶质浓度和光通过的距离( 即光径) 成正比。 布格( b o u g u e r ) 和朗伯( l a m b e r t ) 先后在1 7 2 9 年和1 7 6 0 年阐明了光辐射强 度和吸收层厚度的关系，1 8 5 2 年比尔( b e e r ) 又提出光辐射强度和吸收物浓度 也有类似的关系；布格朗伯比尔定律的数学表达式为： a = i g ( i 以t ) = l g ( i t ) = b c ( 1 - 1 ) 其中： a 光通过介质被介质吸收的吸光度 卜透射光强与入射光强之比，即透光率i c i o i 。入射光强度 i 厂一透射光强度 第一章前言 介质摩尔吸光系数( r n l t o o ! c m - 1 ) c 吸收物的摩尔浓度( m o l m 1 ) b 吸收层厚度( c m ) 当待测样品是一种均匀分布的溶液时，它与入射单色光的作用仅限于吸收 过程，而不会发生荧光、散射和光化学现象，并且在吸收过程中溶液各物质无 相互作用，各物质的吸光度具有加和性。这样的条件完全符合朗伯比尔定律。 在应用中将光程固定，如果测得了溶液对某一单色光的吸收强度，根据两者的 线性关系就可以得到溶液的浓度。 分光光度计是生化分析仪的核心部件之一。它是将光源所发出的复色光分 成所需要的单色光，利用光电探测器将带有被测样品信息的单色光的光信号变 为电信号后迸行处理计算。通过溶液对不同波长单色光的吸光度的不同来确认 溶液的类型及浓度。根据分光光度计与样品的相对位置不同，可分为前分光型 和后分光型。前分光型分光光度计( 图l - 1 ) 是光源经分光后再入射到吸收池。其 优点是由于通过吸收池的是单色光，没有其它波长单色光的干扰，得到比较纯 净的信号。但缺点是不能同时完成对多波长的测试，因此测试速度慢。 图1 - l前分光型分光光度计原理示意图 但分光光度法最终机理是因为不同的物质有其特定的产色基团，能对特定 波长的光产生强的吸收效应，因此无论通过溶液的是单色光还是复色光，溶质 也只对其特定波长的光产生强吸收。因此，只要保证光电接收器感应到的是单色 光，通过溶液的是单色光还是复色光并不重要，这就为后分光技术提供了可能。 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 用复色光通过反应体系后，再通过单色器将吸收后的复色光分成单色光测定， 这就是“后分光技术”。如下图所示： 图l - 2 后分光型分光光度计原理示意圈 使用后分光技术，可以在同一体系中测定多种成分。如果比色池中有多种 特征吸收不同的多组分物质，当复色光通过后，各物质分别对各自的特征性光 波产生吸收，之后再分成光谱对不同的波长进行测定，这样就可以在同一体系 中同时得到多组分结果。后分光的优点是：可同时选用双波长或多波长进行 测定，大大降低了“噪声”，提高了分析准确性；光路中无可动部分( 无须 移动仪器的任何部件，即可选择多个波长) ，不仅提高了工作效率，减少了故 障率，而且显著提高了分析精度和分析速度。因此当测试一个波长而其它波长 的影响可忽略不计时通常采用后分光式分光光度计实现快速测试。 t 1 3 生化分析过程 生化分析过程一般包括样品的识别、处理和存储，样本和试剂的存储、传 送，化学反应和反应的检测，信号处理、数据报告和结果分析等步骤。样品 ( s p e c i m e n ) 是从测试对象采取的血液、尿液等。在放入分析仪开始分析前需 要对其加以标记、处理，样品经过处理后进入生化分析仪后成为样本( s a m p l e ) 。 样品的识别、处理和存储。样品的识别开始在采样品处，将所取得的样品 用标记将其和受试者联系起来，这部分工作主要由护士完成。目前绝大多数生 第一章前言 化分析仪不以全血，而是以血清( 浆) 为测定对象，血清由检验人员从全血中 分离出来专放到另一仪器再投入分析仪。在存储时为防止样品由于体积减少而 浓缩，些分析仪在样品放置部分加盖并可控制在低温环境中。 样本和试剂的存储、传送。样品和试剂的采取、运送可分为流式和分立式。 流式是将样品引入一个连续流动的液体管道中，流式仪器中广泛使用分配泵， 根据管道口径粗细不同决定了样本和试剂的相对比例，其加注样本的绝对量的 控制不如分立式那样可靠。而分立式中样本进入独立的反应杯中，加入试剂后 混匀进行化学反应。分立式多采用注射器装置进行标本和试剂的吸取并加入反 应杯中。一般分析仪中使用液体试剂，存储在适合不同分析仪要求的各种试剂 瓶中，放在5 1 5 7 冷室中保存，需要在不开主机或待命状态下可维持此温度。 化学反应和反应的检测。反应容器使用比色杯，比色杯既是化学反应发生 处又是光度测量处。在比色杯中加入反应液( 样本和试剂) ，并对其进行充分混 匀，在不同时间分别测定其吸光度，比色杯放在恒温水浴中，保证整个反应在 一定的恒温( 3 0 或3 7 ) 下进行。 信号处理、数据报告和结果分析。计算机作为生化分析仪的控制核心，对 整个分析仪工作进行调控。计算机能够对系统的工作状态进行实时监控，及时 发现错误并自动纠正或通知操作人员。在进行检验时，计算机可以自动安排测 定步骤和程序，接受并存储测量结果数据，经过分析，得出检验结果。 1 2 生化分析仪国内外的发展状况 世界上第一台用于临床生化检验的自动分析仪是美国泰克尼康( t e c h n i c o n ) 公司于1 9 5 7 年设计生产的，仪器名为a u t oa n a l y z e r ，是一台单通道、连续流 动式自动分析仪。最初只用于血葡萄糖、尿素氮测定，报告的结果是光密度( o d ) 值。1 9 6 4 年，又报道了一个供多项目同时测定用的分析仪。随后，泰克尼康公 司生产出连续多通道自动分析仪s 姒( s e q u e n t i a lm u l t i p l ea n a l y z e r ) 系歹4 ， 直到2 0 世纪7 0 年代中期又研制出s m a c ，该仪器由电子计算机控制，每小时可 测1 5 0 份样本，每个样本可同时测定2 0 个项目，使连续流动分析达到一个新水 平。 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 日本、美国等国各大医疗仪器公司生产的自动生化分析仪在7 0 年代后期竟 相发展，到如今已相当完善。 美国b e c k m a n 公司相继生产了c x 系列型号和d e l t a 系列的分析仪。美国 b e c k m a n c x 9 全自动生化分析仪是美国贝克曼公司的最新产品，c x 9 的检测速度 可达每小时9 0 0 多次，最多可同时测3 3 项，提供从3 4 0 n m 到7 0 0 n m 范围内的 1 0 个波长，它的最大特征是能直接连接样品分选的输送系统，便于实现实验室 全程自动化以及其完善的融培训、保养和故障自检为一体的多媒体软件 ( r x p e r t ) ，可以说c x 9 是生化分析仪和现今高科技结合最完美的一类，是极 佳的测定系统。 日本o l y m p u s 公司自1 9 6 8 年第一台大型全自动生化分析仪问世到目前为止， 已先后生产出满足不同样本处理量的分析仪。日本日立仪器有限公司是全球最 大的自动生化分析仪制造商，其在市场份额几近4 0 ，同时也是最早进入中国 市场的著名医用仪器商之一。其生产的7 0 6 0 ，7 0 2 0 ，7 1 5 0 ，7 1 7 0 等在国内几占 半壁江山。 图卜3 日立h i t a c h l 7 6 0 0 型全自动生化分析仪 目立的7 6 0 0 全自动生化分析仪，也是一套大型的实验室自动化系统，它 是一种采用了先进的控制技术和模块化结构开发的大型组合式分析仪，它具有 高度的灵活性和扩展性，用户根据需要自由组合，同时配上样品投入部，样品 架输入部，复查等待样品架缓冲部和分析完样品收纳部，内部由计算机与各单 元c p u 构成w i n d o w sn te t h e r n e t 网控制，能随时随意增减单元。整个工作流 程由中央计算机执行多线程控制，合理分配，实现高速、高效的测定。通过定 时器设定，可进行无人状态一体化程序控制检测、自动清洗、保养和关机。智 能检查各模块，在正常测试的同时，对异常模块进行维护，其分担任务自动转 6 第一章前言 移测定。它实现了实验室全程自动化。 这些大公司生产的自动生化分析仪各有特色和优势，但它们都具有一些共 同特点：使临床生化检验中主要操作实现了机械化、自动化。其中包括：样本 的定量吸取、转移到反应杯或反应管道系统；通过沉淀或过滤、离心、层析、 透析等分离去掉反应中的干扰物；试剂的定量吸取，同样本混合，自动控制在 一定温度下反应一定时间；通过可见光、紫外光、火焰光度计、荧光、散射光 或氧电极、离子选择电极、酶电极、同位素计数等检测技术，对反应终点、初 速度或反应过程进行监测；借助电子计算机将仪器的各项功能程序化，控制仪 器的运转和反应过程，处理或判断实验数据，并将结果以数字、描记曲线显示 或打印报告；样本测定后，反应容器、管道系统的清洗和准备下一次使用等。 自动分析仪的应用使临床生化检验大大提高了准确性、精密度和工作效率，适 应了临床医学的发展对实验诊断的质和量的需求。综合而言，国外分析仪主要 向通用化、全自动、微量化、组合式等几个方面发展，具体说就是可采用的测 定技术和可测的反应类型增多，测试速度不断提高，通道增多，软件功能增强， 自动化程度提高；与之相对应的是样品和试剂的用量减少，硬件部分减少，人 工参与减少，总之，国外全自动生化分析仪的生产技术已非常先进，并且在不 断的发展。 随着国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量也越来越大，对全自动生 化分析仪的需求也曰益增大，部分大型医疗机构依靠进口配备了自动生化分析 仪。但这远远不能满足需求，近来随着医学的发展，中小医疗机构对自动生化 分析仪器要求也越来越迫切。国内生产临床生化分析仪的厂家有长春光机所、 南京分析仪器厂、上海第三分析仪器厂等，但国内生产的生化分析仪均属半自 动型的，产品的型号种类少，分析速度慢，试剂消耗量大，在仪器的自动化、 精度、工艺质量、可靠性和稳定性上与国外还有相当大的差距，通用的大中型 自动生化分析仪几乎没有。长春光机所在国家“九五”科技攻关经费的支持下， 对全自动生化分析仪进行了研制开发，填补国内全自动生化分析仪生产的空白。 一垄三坠! 塑垒皇垫兰垡坌望些墼型墨竺垫望盐 1 ，3 研究的内容、意义及论文安排 研制国产适用的通用大中型自动生化分析仪器，不仅可满足国内需求、节 省外汇，经过发展还有望走向国际市场。而且全自动生化分析仪是集光学、机 械、电子、计算枫控制于一体的仪器，它的研制可以带动相关学科的发展和促 进仪器制造工艺水平的提高。因此全自动生化分析仪的研制和开发将产生重大 的经济和社会效益。 在全自动生化分析仪系统中，要全自动的完成样品加注、试剂加注、反应 液的混合、保温、显色、比色、数据处理和报告打印等功能，除具有机械硬件 之外，电子学控制系统是其是否能实现自动化的关键，具有重要的意义。电子 学系统硬件是整个系统运行的基础，而软件控制则是核心。控制系统起着指挥 和协调仪器其它部分的作用，同时还要对光度系统测量的数据进行采集和分析 处理，得出测量结果。控制系统是仪器功能得以实现的保证。 本论文的工作是结合国家九五科学仪器攻关“全自动生化分析仪的研制与 开发”项目完成的，主要内容如下： ( 1 )自动生化分析仪的简要介绍。 ( 2 ) 全自动生化分析仪的工作原理及组成。 ( 3 ) 全自动生化分析仪控制系统硬件电路的设计。 ( 4 ) 全自动生化分析仪控制系统软件的设计。 ( 5 实验结果。 第二章全自动生化分析仪介绍 第二章全自动生化分析仪介绍 在全自动生化分析仪中，样本和试剂的传送、化学反应和反应的检测、信 号处理、数据报告和结果分析等步骤完全由仪器自动完成。操作者只需把样品 放在分析仪的特定位置上，设好检验项目开动仪器即可等取检验报告。由于分 析中没有手工操作步骤，故主观误差很小，且仪器具有自动报告异常情况，自 动校正自身工作状态的功能，因此系统误差也较小，能保证检验的快速、准确。 2 1 全自动生化分析仪的结构 全自动生化分析仪系统庞杂，涉及光学、机械、电子等诸多学科，按结构 和功能划分，全自动生化分析仪包括以下几个部分：( 1 ) 机械操作系统，包括 样品盘、试剂盘和反应盘及其分别的转动机构，吸样、加样机构，搅拌机构等； ( 2 ) 微量注射系统：( 3 ) 恒温控制系统；( 4 ) 致冷系统；( 5 ) 液路系统；( 6 ) 光度系统；( 7 ) 计算机控制及数据采集系统；( 8 ) 供电系统。 图2 - 1全自动生化分析仪结构图 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 2 1 1 机械操作和微量注射机构 ( 1 ) 样品盘 样品盘是用来放置样品、标准液或质控液试管的装置。它的外圈有6 0 个放 试管的孔位，放置分析样品，内圈5 0 个孔位放景标准溶液。在分析操作过程中， 步进电机带动样品盘转动，由码盘和位置传感器在计算机控制下确定样品盘的 停靠位置，旋转机构停位精度的使用要求为0 1 m m 。 ( 2 ) 取样机构 取样机构由注射器、吸液针和转臂机构组成。转臂由步进电机经一对齿轮 带动水平转动，可将吸液针置于取样、注液和清洗三个位置。另一步进电机经 齿轮和齿条滑杆驱动转臂上下运动，使吸液针接近液面实现吸液和注液。吸液 针旁安有液位传感器，当传感器接触液面时，停止吸液针下降动作，并可探知 液量的多少。 ( 3 ) 微量注射器 微量注射器结构与常规医用注射器原理相似，只是抽液滑杆由一套精密传 动机构实现吸液和注液动作，并由一个位置传感器探测齿条滑轴所处的位置， 控制吸液量，并向控制系统发出信号。样品注射器吸液量为3 2 5 i t l ，吸液针管 径为1 3 m m ，滑轴移动的距离约3 0 m m ，移动精度o 0 5 m m ，吸液精度为o 0 6 1 x l 。 试剂和样品吸液注液过程相同。 ( 4 ) 试剂盘 仪器有两套试剂盘分别放置r 1 和i 也试剂。每个试剂盘上有3 2 个试刘盒 位，可放置2 0 、5 0 、1 0 0 m l 的试剂盒。步进电机经一对齿轮带动试剂盘转动， 同时编码盘转动，到达指定位置后，切断位置传感器信号，使步进电机停止。 转动周期5 秒，位置停靠精度o 1 m m 。试剂需放置在冷藏室内，低温水通过 一柱形套体，将试剂空间致冷，致冷温度5 1 5 。 ( 5 ) 取试剂机构 试剂吸入机构的功能是从试剂盒中吸入一定量的试剂，并注入到反应杯中， 然后转到清洗槽位置清洗针头和吸管，再回到试剂吸入位置。r l 和r 2 试剂分 别有一套试剂吸入机构，其结构和动作顺序与取样机构基本相同，也带有液位 探针，可探知试剂盒中的剩余试剂量。此机构的动作周期为5 秒，停靠精度 o 1 m m 。注射器吸入容量2 0 3 5 0 n 1 ，管径5 m m ，齿轮滑轴移动距离1 7 m m ，移 第二章全自动生化分析仪介绍 动精度0 0 5 m m ，吸液精度好于0 2 m 。 ( 6 ) 反应盘 反应盘可放置1 2 0 个反应杯，2 0 个一组，共6 组，反应杯固定在反应盘上， 并置于恒温水槽中，以保证反应杯中血样与试剂的化学反应在恒定的温度下进 行。反应杯由聚苯乙烯精密铸造制成，光学程长6 m m ，容积8 0 0 “1 。反应盘转 动周期1 4 秒，每转动6 1 个孔位停一次，等待样品和试剂加入反应杯中。步迸 电机经一对齿轮带动反应盘转动，转到指定位置后停止，完成一系列动作，等 待计算机的下一操作指令。恒温水槽有进水口和出水口与恒温水控制系统相连， 水槽内的温度传感器与控温线路相接，以保证水槽的恒温精度为3 7 4 0 1 。 ( 7 ) 搅拌机构 在每一个反应杯中加入血样和试剂后，需用搅拌棒进行搅拌，步进电机经 一齿轮带动齿条轴将搅拌棒移向反应杯，由位置敏感器发出停止信号，将其停 在反应杯上方，然后下降，搅拌棒插入反应杯中。搅拌棒由电机带动搅拌反应液。 1 秒后导轨向上运动，将搅拌棒退出反应杯，另一导轨向后移动，搅拌棒回到 清洗槽位置，清洗搅拌棒一秒钟后停止，等待搅拌下一个反应杯。有两套搅拌 棒对应r l 和r 2 试剂进行搅拌。 ( 8 ) 清洗机构 清洗机构共有七组针管对反应杯进行清洗和注入空白水。七组针管安装在 同一支架上，由上下移动导轨带动，实现进入和离开反应杯的动作。步进电机 带动一凸轮实现导轨的上下移动，控制系统通过两个位置传感器探知清洗机构 是否到位。 2 1 2 液路 在全自动生化分析仪中，液路系统起着重要的作用，它的主要功自有以下 两个方面：( 1 ) 保证仪器测试所需的工作环境；( 2 ) 避免造成交叉污染。该系 统由以下部分组成：( 1 ) 供水排水系统；( 2 ) 试剂冷却恒温系统；( 3 ) 反应盘 水浴恒温系统；( 4 ) 取样清洗系统；( 5 ) 搅拌清洗系统：( 6 ) 真空吸液及反应 杯清洗系统。 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 2 1 3 光度计 光度计是用来测量水空自和反应液对光的吸收值的，在设计中应用了后分 光型分光光度计。光度计由光源、聚光镜、入缝、平场谱仪和光二极管阵列组 成。光源和聚光镜安装在反应盘室内，需冷却，平场谱仪安装在恒温槽外。光 源经聚光镜产生平行光，经恒温水和反应杯，再由另一聚光镜将光聚焦在入缝 上，进入单色器，经光栅分光聚焦在阵列探测器上。这样当反应盘转动时就可 测各个反应杯的吸收值。 在全自动生化分析仪中采用了溴钨灯作为光源( 3 4 0 n m 8 0 0 n m ) ，光电二极 管阵列作为光电探测器。光度测量范围：吐2 ，5 a b s ，光度测量精度：2 ( 2 a b s ) 。共1 2 个特征波长，1 2 路前置放大器，通过模拟开关分别输出，再 根据不同波长进行不同的放大，最后将信号进行a d 转换，数字信号进入计算 机进行数据处理。如图2 2 所示。 2 1 4 恒温系统 图2 - 2 信号采集与处理 在全自动生化分析仪系统中，检测时的化学反应大都需要酶的参与，而酶 的活力受温度影响很大，在测量过程需要边保温边测量，温度的变化显著影响 化学反应的速度和结果，从而显著影响仪器测量结果的准确性。所以就要求全 自动生化分析仪具有高精度恒温控制系统保证反应杯中的反应液以商控温精度 保持在恒温下( 3 7 ) ，使其中的化学反应在恒定的温度下进行。在设计时恒温 系统控制采用了模拟p i d 调节控制方法，温度传感器采用铂热电阻( p t l 0 0 ) 。 2 1 5 制冷系统 制冷系统需要能够保持试剂盘的温度在5 1 5 c 范围内，在冷水中放置温度 传感器进行水温的监控。此外制冷系统的控制要和主机分开，这样在不开主机 或待命状态下试剂盘也可维持此温度。 第二章全自动生化分析仪介绍 2 2 全自动生化分析仪的工作过程 全自动生化分析仪的工作过程如下；开机首先由计算机初始化各动作机构 和部件状态。反应盘上共有1 2 0 个反应杯，转动一周时间为1 4 秒，每转动6 1 个反应杯位停止，周期为7 秒，相应机构动作周期也为7 秒，对于各反应杯， 反应盘每转动一周，测量光度一次。当反应盘停止时，清洗机构中的吸管将去 离子水注入某一反应杯a 中，反应盘转动，依次测量四次水空白，当反应盘停 止时，反应杯a 到达清洗机构的最后一个吸管位置，吸除反应杯a 中的水，反 应盘继续转动时反应杯a 到加样位置，由加样机构加样。注入样品后，反应盘 转动6 1 个杯位，反应杯a 到达加试剂r l 位置，此时试剂r 1 的加注机构已完 成对上反应杯的加注动作，正准备给反应杯a 加注试剂r l ，加注完毕后，反 应盘继续转动，反应杯a 到达搅拌位置，将样品和试剂混合搅拌后，反应盘转 动至测光位置进行光度测量，对反应杯a 的光度测量开始计时，反应盘继续转 动，反应盘上的其它反应杯依照上述的程序分别进行测水空白、加样品、加试 剂、搅拌等动作。6 分钟后反应杯a 开始进行试剂r 2 的操作，顺序与r 1 相同。 1 2 分钟后反应杯a 又到清洗位置，清洗后等待下一次循环开始。 在上述1 2 分钟内，反应杯a 自加入试剂r 1 后共旋转了5 0 圈，光度测量 5 0 次，此5 0 点的数据由计算机采集并保存，按设定的分析方法和校准方法进 行计算处理。以上测量过程的时序如图所示。 加加撰加搅 滑 警j 1 带r 2 锋 洗 t 曰囝一目一崮崮崩u u 目一臼 广厂 女时阐6 旁1 砑 图2 - 3测量过程时序图 巢蝌 基于d s p 的全自动生他分析仪控制系统的设计 第三章控制系统的硬件设计 3 1 系统方案的选择 前面介绍了全自动生化分析仪的组成和生化分析的过程，控制系统的功能 就是指挥各个子系统协调工作，使生化分析的过程顺利实现，并把测量结果转 化为医生可以参考的数据输出。 通过对测量过程的分析可以看出，全自动生化分析仪系统的工作基本上是 围绕四个转盘来开展，核心工作是对反应杯中的溶液吸光度进行测量。对系统 的控制包括机械结构的运动。如盘子的转动、取样机构的转动及上下运动，搅 拌机构及清洗机构的运动等等。机械结构的运动主要是由电机驱动，采用齿轮 或皮带传动。运动机构的准确定位是依靠光电开关或霍尔元件。在四个转盘下 都装有光栅盘，通过对经过光电开关次数的计数确知转盘转过的角度和现在所 处的位置。反应盘的恒温水浴系统和试剂盘的冷却系统都需要水路循环控制， 系统采用数字通道对泵、阀等功率驱动模块进行控制。此外，还要通过模拟量 输入通道对温度传感器、液位传感器进行控制。 全自动生化分析仪的控制系统主要包括电子学硬件部分和软件部分。要求 控制的输入输出量较多( 经过统计，电子学系统数字输入量4 7 个，输出量5 7 个，模拟量输入5 个) ，对系统的实时操作性要求很高。根据系统的要求，提出 了两种控制方案，分别为多单片机方案和数字信号处理器( d s p ) 方案。下面 分别进行介绍。 3 1 1 多单片机控制方案 所谓多单片机控制方案就是根据全自动生化分析仪的具体情况，把复杂的 时序任务分割开，由多个单片机( 下位机) 分别执行，再由一台计算机( 上位 机) 协调各个单片机的工作，系统的功能由子系统分别完成。经过分析可发现 虽然整个系统运行时序非常复杂，但所有的动作都是围绕四个转盘展开的。各 个转盘及与其相关联的机构和任务都有着相近的运行规律，这就是为采用多单 片机控制系统提供了前提条件。可以把复杂的任务分成几个顺序执行的动作交 4 第三章控制系统的硬件设计 给几个单片机分别处理，每个单片机只处理与之相关机构的动作。图3 1 给出 了多单片机方案的原理框图，这个系统划分为样品盘控制、反应盘控制、两个 试剂盘控制、监控、光度计控制等6 个子系统。各个子系统之间的配合由微机 通过标准r s 4 8 5 接口协调。 图3 - 1多单片机方案原理框图 采用多单片机方案，虽然整机运行时序非常复杂，但四个转盘的硬件结构 和执行任务都有相似性，可分别对每个子系统的顺序动作编写软件程序，降低 了开发难度缩短了研发周期。但是由于整个系统是由六个子系统组成的，调试 起来比较困难，硬件系统显得庞杂，大量的硬件降低了系统的可靠性。 3 1 2d s p 控制系统方案 为了简化硬件系统，提高系统的可靠性，在多单片机方案的基础上提出了 采用高性能数字信号处理器( d s p ) 的方案，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的一个重要分支。也是数 字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。d s p 芯片的内部采用数据和程序 分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以快速实现各种数字信号的处理，这些卓越的性能为全自动生化分析 仅d s p 控制系统方案的实现奠定了坚实的基础。 在这个方案中，计算机通过串行通讯i z l 向d s p 发送控制命令，d s p 接到动 作命令后，按照命令执行相应的操作，实现对生化仪的控制。采用这种方案， 系统的硬件结构将得到大大的简化，除了电机驱动模块和泵阀驱动等电路之外， 控制模块只有个，整个系统由单一芯片控制，一片d s p 芯片就可以实现多单 片机方案中六个单片机所实现的功能，大大简化了系统设计。系统可靠性得到 增强，同时也给生产调试带来便利。 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 全自动生化分析仪项目的控制系统最终采用该方案，在系统中应用了t i 公 司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 d s p 芯片。并在逻辑电路设计中使用了a l t e r 公司的可编程 逻辑器件e p m 7 1 2 8 芯片，使电路设计得到进一步简化。 。 3 2 系统总体设计 全自动生化分析仪的计算机控制系统的硬件由上位计算机、以数字信号处 理器d s p 为核心的控制及数据采集模块组成。所要实现的功能包括对步进电机 的控制、传感器信号的采集、对光信号的采集和大量数据的处理。 根据上述系统功能要求，d s p 控制及数据采集模块应包括供电电路、电平 转换电路、可编程逻辑器件、a d 转换电路及串行通信电路。 控制系统的硬件框图如下： 3 3d s p 芯片简介 图3 - 2 测控系统的框图 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计 算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。 由于d s p 具有体积小、成本低、易于产品化、可靠性高、易扩展及能方便地实 现多机分布式并行处理等性能，所以在航空航天、工业控制、医疗设备及科学 研究的各个领域获得了越来越广泛的应用。 第三章控制系统的硬件设计 3 3 1 d s p 的主要特点 1 ) 哈佛结构 早期的微处理器内部大多数采用冯纽曼( v o n - n e u m a n n ) 结构，其片内程序 空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行 的。而d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛( h a v a r d ) 结构，允许 同时取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且，还允许 在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可以 多次访问程序空间和数据空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 、e 等4 条总线 ( 每条总线又包括地址总线和数据总线) ，可以在一个机器周期内扶程序存储器 取l 条指令、从数据存储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个操作数，大大提 高了d s p 的运行速度。因此，对d s p 来说，内部总线是十分重要的资源，总线越 多，可以完成的功能就越复杂。 3 ) 流水线结构 d s p 执行一条指令，需要通过取址、译码、取操作数和执行等几个阶段，在 d s p 中，采用流水线结构，在程序运行过程中这几个阶段是重叠的，如图3 - 3 所 示。这样，在执行本条指令的同时，还依次完成了后面3 条指令的取操作数、译 码和取指，将指令周期降低到最小值。 利用这种流水线结 构，加上执行重复操作， 就能保证数字信号处理 中用的最多的乘法累加 运算y = z 8 i x 可以在单 个指令周期内完成。 时钟 指。 译码 囊慑作t 执行 厂 厂- 门：厂 ： nn + 1n + 2n + 3 4 ) 多处理单元图3 - 3 四级流水线操作 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑单元( a l u ) 、辅助寄存 器运算单元( a r a u ) 、累计器( a c c ) 以及硬件乘法器( m u l ) 等。它们可以 在个指令周期内同时进行运算。 基于d s p 的全自动生化分析仪控制系统的设计 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了 一些特殊的d s p 指令。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的f i r s 和l m s 指令，专门用于 系数对称的f i r 滤波器和l m s 算法。 6 ) 指令周期短 早期的d s p 的指令周期约4 0 0 b n s ，采用4 i l ln m o s 制造工艺，其运算速 度为5 m i p s ( 每秒执行5 百万条指令) 。随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛采 用亚微米c m o s 制造工艺，其运行速度越来越快。本项目采用的t m s 3 2 0 c 5 4 x 的 运算速度可达1 0 0 m i p s 。t m s 3 2 0 c 6 2 0 3 的时钟为3 0 0 m h z ，运行速度达到2 4 0 0 m i p s 。 7 1 运算精度高 早期的d s p 的字长为8 位，后来