（机械制造及其自动化专业论文）全自动生化分析仪控制系统的设计与实现.pdf

全自动生化分析仪控制系统的设计与实现 摘要 控制系统是全自动生化分析仪研制的一个核心内容，选择全自动 生化分析仪的控制系统这一关键部分进行重点研究，不仅具有重要的 学术意义，而且具有较大的现实意义。 本文在对全自动生化分析仪的运动控制系统研究的基础上，提出 一种新型控制方案： 1 把全自动生化分析仪运动控制系统分为几个子系统进行分组 控制，每个子系统与上层的通信以及各子系统之间的通信采用c a n 总线； 2 每个子系统内部采用一个主a v r 单片机+ 四个从a v r 单片机 的结构，主从a v r 单片机之间采用t 通信； 3 提出了基于a v r 单片机+ l 2 9 7 芯片+ l 2 9 8 芯片的步进电机控 制方案，并将这一新型的步进电机控制技术成功的应用到了全自动生 化分析仪的运动控制系统中； 4 完成了温控电路、交直流驱动电路及信号检测电路等其它模 块的设计。 最后，设计并制作了控制电路板，编写了控制程序，通过反复的 实验调试，对这一新型的全自动生化分析仪控制系统的可靠性、以及 步进电机的转动定位精度进行了测试。实验结果表明，这种新型的全 自动生化分析仪控制系统，满足仪器的功能要求，在提高其精度、可 靠性的同时，又降低了成本。 关键字：生化分析仪c a n 总线a v r 单片机步进电机 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a u t o m a t i cb i o c h e m i s t r ya n a l y z e r co n t r o ls y s t e m a b s t r a c t c o n t r o ls y s t e mi sak e yp a r to fa u t o m a t i cb i o c h e m i s t r ya n a l y z e r ；i t n o to n l yh a sa ni m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a sg r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et of o c u so nt h i sp a r t t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc o n t r o ls c h e m e ： f i r s t l y d i v i d e sa u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e rc o n t r 0 1s y s t e mi n t o s e v e r a ls u b s y s t e m s ，u s ec a nb u st oc o m m u n i c a t e ； s e c o n d l y d e s i g n ss u b s y s t e mb a s e do no n em a s t e ra v rm c u a n d f o u rs l a v ea v rm c u su s i n gt w i t oc o m m u n i c a t e ； t h i r d l y ，p u t sf o r w a r dad e s i g no fm es t e p p e rm o t o rc o n t r o lm o d u l e b a s e do na v rm c u + l 2 9 7i c + l 2 9 8i c ，a n da p p l i e st h i sn e wt y p eo f s t e p p e rm o t o r c o n t r o lt e c h n i q u et ot h em o t i o nc o n t r o ls y s t e mo f a u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e rs u c c e s s f u l l y f o u r t h c o m p l e t e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，a ca n dd c d r i v e c i r c u i t sa n ds i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，a n dt h ed e s i g no fo t h e rm o d u l e s f i n a l l y ，d e s i g n e da n dp r o d u c e dac o n t r o lc i r c u i tb o a r d ，p r e p a r e dt h e c o n t r o l p r o c e d u r e s t h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t s d e b u g g i n g ，t h e r e l i a b i l i t yo ft h i sn e wt y p eo fa 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 c o n t r 0 1 s y s t e m a sw e l la st h ea c c u r a c yo f t h es t e p p e rm o t o rr o t a t i o n a lp o s i t i o n i n g h a sb e e nt e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e wt y p eo f a u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e rc o n t r o ls y s t e mt om e e tt h ef u n c t i o n a l l v r e q u i r e m e n t so ft h ee q u i p m e n t ，i ni m p r o v i n gi t sa c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y w h i l er e d u c i n gc o s t s k e yw o r d s ： b i o c h e m i s t r ya a n a l y z e r c a nb u s a v r s i n g l e - c h i p s t e p p e rm o t o r v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： f 事l 婆一一一 日期：五碑：三：2 生 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： l 墨i 盔 日期：垄! i ：! ! 丝 导师签名：日期： 1 1 生化分析仪概述 第一章绪论 生化分析仪( c h e m i s t r ya n a l y z e r ) 是临床检验中经常使用的重要分析仪器之 一，它通过对血液或者其他体液的分析来测定各种生化指标：如转氨酶、血红蛋 白、白蛋白、总蛋白、胆固醇、肌肝、葡萄糖、无机磷、淀粉酶、钙等。结合其 他临床资料，进行综合分析，可以帮助诊断疾病，对器官功能做出评价，鉴别并 发因子，以及决定今后治疗的基准等。【l 】 临床化学实验操作中的吸样、吸试剂、混合、去干扰物、保温、检测、结果 计算和报告的仪器操作被称为临床化学的自动化分析，其仪器称为自动生化分析 仪。随着人们在临床诊断和生命科学、生化研究等领域开展更加复杂的实验，提 出高通量、高精度、高速度要求，传统的专门、功能单一的生化分析仪已经不能 满足需求，近年来出现自动化生化分析仪。 所谓全自动生化分析仪就是利用自动化技术、光学、电子学和计算机科学， 把生化分析中试剂盘取放、取样、稀释、加试剂、去干扰、移液、加热和冷却控 制、清洗、检测、结果计算、显示和打印存储等步骤自动化的仪器。它完全模仿 并代替手工操作，不仅提高工作效率，而且减少主观误差，稳定检验质量。由于 这类仪器精度高、重复性好、快速、自动化程度高、标准化等优点，使得自动化 生化分析仪在临床医学、生命科学、生物化学、食品和环境监测等研究领域得到 日新月异的广泛应用。自动生化分析仪是各种现代科学，特别是电子学、光学、 计算机技术和各种生物化学分析技术进步及临床医学对临床化学检验需求的质 和量不断增长的结果。 1 2 本课题研究的意义 全自动生化分析仪涉及光学、精密机械、自动控制、电子电路、热工学、生 物化学、分析化学等学科，且要求高精度、高可靠性，是一个十分复杂的系统， 国际上仅有少数几个知名跨国公司可以制造，如：贝克曼库尔特 ( b e c k m a n c o u l t e r ) 、奥林巴斯( o l y m p u s ) 、日立( h i t a c h i ) 等，目前国内也有少数医 疗仪器公司正在积极进行研发，以解决我国全自动生化仪主要依赖进口的现状， 本课题即来源于北京中勤世帝科学仪器有限公司目前正在研发的全自动生化分 析仪项目。 随着我国经济水平的提高和医疗技术的发展，医院要求诊断的生化指标也越 来越多，测试工作量也不断增大，国内对生化分析仪，尤其是全自动生化分析仪 的需要会不断增大。但是目前国内的全自动生化分析仪的研制水平还较低，产品 的型号和种类很少，仪器的自动化程度和微机化水平较低，测试速度和测试精度 都很不理想。因此，还需要投入相当的人力和物力，来研制和开发具有自主知识 产权的、高性能的、价格低廉的、适合我国国情的全自动生化分析仪。本论文也 正是着眼于这一点，开展全自动生化分析仪的研究与开发工作的。 在全自动生化分析仪中，控制系统作为整个仪器的中枢部分，是全自动生化 分析仪研制的一个核心内容。本研究结合国内外全自动生化分析仪的研制经验， 选择控制系统这一仪器的关键部分作为重点，研究工作不仅具有重要的学术意 义，而且具有较大的现实意义。 1 3 生化分析仪的分类 生化分析仪的种类较多，可以从不同的角度进行分类。按反应装置的结构可 以分为连续流动式、分立式和离心式三种；按自动化程度可以分为手工型、半自 动型和全自动型；按同时可以测定的项目数可以分为单通道和多通道两类，单通 道为一次测一个项目，多通道为一次测多个项目；按仪器的复杂程度可以分为小 型、中型和大型三类；按规定程序可变与否，可以分为程序固定式和程序可变式 两类。【7 】 1 4 生化分析仪的发展历程和现状 1 4 1国外发展状况 1 4 1 1 发展历程 世界上第一台自动生化仪是美国泰尔康( t e c h n i c o n ) 公司于1 9 5 7 年根据 s k e g g s 教授的设计方案制造的，称为a u t o a n a l y z e r 。此后，该类仪器发展十分迅 速，出现了单通道、双通道、多通道仪器，并且成为5 0 年代到7 0 年代末世界市 场上销售量最大的仪器。【2 】 1 9 6 5 年又诞生了分立式自动分析仪，它是一种开敞式的仪器，工作原理与 手工操作相似，样品在彼此分立的反应杯中进行化学反应。8 0 年代初美国 t e c h n i c o n 公司克服样品之间和试剂之间交叉污染，发明任选式测定方式的仪 器，把自动生化分析仪的水平提高到一个新的高度。已有很多任选式的仪器相继 2 推出，它可替代多通道的功能，而且多种项目可以任选，做到化验项目的个体化。 7 0 年代和干化学试剂相配套的反射光分析仪的发展， 8 1 开辟了自动分析仪的另一 分支，提高了准确性、精密度、多功能性和分析速度，并且它的半自动型仪器在 方便急诊和高科技应用方面别具一格。 9 0 年代以来，自动化生化分析仪的技术主要是向完善仪器各种功能的方向 发展，尤其是微电脑的广泛应用，使仪器在分析的准确性、精密度、高效率、低 消耗，和参与实验室管理方面更好地满足不同层次的要求。【3 】 1 4 1 2 改进方向 9 0 年代以后，自动生化分析仪基本设计思想，主要是通过硬件和软件两方 面不断改进和充实，以扩大仪器的使用范围和完善各种功能。硬件的发展主要表 现在各种尖端材料和技术在仪器结构方面的应用，如比色杯、光学系统( 包括光 源、光栅、滤光片) 和电子、机械元件的选材，以及仪器各部分的设计、电脑功 能等；软件的发展主要是各种自动控制程序的编制、生物化学方法学和试剂的开 发、数学计算模式的应用等，两者的发展都将使仪器在应用灵活性、多功能性、 准确性、精密度、工作效率和成本效益方面收到成效。 8 】 近年来，随着科学技术的不断进步，特别是电子技术和计算机技术的飞速发 展，使得生化分析仪器结构和性能都有了很大的改进。2 1 世纪是一个信息和分 子生物学的世纪，计算机及网络将深入到日常生活的每个角落。因此，全自动生 化分析仪除了向高速度、随意任选式、模块组合化、超微量化、智能化、尖端化 发展的同时，也必然向就近检验、床边即时检验发展，患者自测项目将进一步发 展。总之，全自动生化分析仪将同时向大而全和小、快、灵两个方向发展。【l o 】 1 4 2 国内发展状况 我国自1 9 7 2 年引进第一台自动生化分析仪在北京协和医院使用以来，自动 分析仪的推广应用极快，目前已普及到区县工矿医院。我国有数万个不同层次的 医疗卫生机构，对不同层次的自动生化仪都有需求。现各大、中医院检验科里自 动化分析仪屡见不鲜，但受经济条件制约，国内使用和生产的自动生化仪多数为 半自动型，而全自动生化分析仪由于主要依靠进口，价格比较昂贵，故只有较大 型医院使用。使用半自动生化分析仪虽然价格比较低廉，但是，由于该类仪器操 作繁琐，检验的准确性与精度不高，速度不快，已经日益不能适应医院发展的需 要。与自动分析仪配套试剂的研制发展迅速，已基本解决了常用试剂的自给。不 过与国内8 0 的医疗卫生机构仍使用半自动生化仪相适应，国内绝大多数的自动 生化分析仪生产厂家，仍以生产半自动生化分析仪为主，其中以上海医用分析仪 器厂生产的s f i 型生化分析机、山东高密分析仪器厂研制的g f 2 3 4 型生化超 微量自动分析仪最具代表性。我国自动生化仪器工业虽有长足进步，但与发达国 家相比，还存在着差距。国产的全自动生化分析仪市场上还很少。尽快研制出价 格适中，性能优良的全自动生化仪，已成为我国自动生化仪的发展方向。5 1 近年来，我国的自动生化仪生产工业发展较快，全国现有自动生化仪专业生 产厂家4 0 0 多个。并先后有北京、上海等地研制生产了连续流动式和分立式仪器。 我国首台全自动生化分析仪，于2 0 0 2 年1 2 月由长春光学与物理研究所研制成功 并通过专家鉴定。它的研制成功填补了国内空白。【6 】 我国第一台拥有自主知识产权的b s 3 0 0 全自动生化分析仪，于2 0 0 3 年7 月 在深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司研制成功并投入临床应用。b s 3 0 0 全自动 生化分析仪采用世界先进技术，它的诞生打破了国外产品一统国内市场的格局。 b s 3 0 0 全自动生化分析仪具有较好的性能，如领先的光学系统，特有的包容式恒 温池系统，一次性特殊硬质塑料反应杯，灵活的进样方式，独特的搅拌系统，完 全开放的试剂系统，可使用进口和国产试剂，先进的冲洗系统，新颖的冷藏试剂 仓，流行的窗式界面，样品的稀释和防撞针系统。并且具有多功能开放的测试参 数，全功能测试监测系统，良好的性能价格比，适用各级医院临床应用，整体性 能达到了同档次全自动化生化分析仪的国际领先水平。b s 3 0 0 国产全自动生化分 析仪的研制成功，对降低医疗成本，提高我国临床生化检测分析效率和实验室诊 断水平，将发挥重要作用。【1 3 】【1 9 1 近几十年来，随着科学技术特别是医学科学的发展，各种自动生化分析仪器 和试剂均得到了很大发展，它们采用的尖端技术、可测的反应类型和相应的项目 增加。与之相对应的是，样品量减少、试剂消耗量减少、硬件部分减少、人工参 与减少。因而自动生化分析仪在实验室和临床检验中均获得了广泛的应用。 1 5 本课题研究的主要内容 本文在对全自动生化分析仪的运动控制系统研究的基础上，并充分考虑生化 分析仪的发展趋势和市场需求，提出一种对全自动生化分析仪运动控制系统分为 几个子系统进行分组控制的新型控制方案，每个子系统与上层的通信以及各子系 统之问的通信采用c a n 总线，而每个子系统内部则采用主a v r 单片机+ 从a v r 单片机的架构，主从之间采用t w i 通信，并且提出了基于a v r 单片机+ l 2 9 7 芯 片+ l 2 9 8 芯片的步进电机控制方案 4 5 ，着重对步进电机进行控制技术进行了研 究，将这一新型的步进电机控制系统成功的应用到了全自动生化分析仪的控制方 案中，实现了这种新型的全自动生化分析仪运动控制系统。 最后通过反复的调试实验，对这一新型全自动生化分析仪控制系统的可靠 4 性，以及步进电机的转动定位精度进行了测试。实验结果表明，这种新型的全自 动生化分析仪控制系统，较好地满足仪器功能要求，在提高其精度、可靠性的同 时，又降低了成本。 第二章全自动生化分析仪的原理 2 1 基本测量原理 根据物质在紫外、可见光区产生的特征吸收光谱和朗伯比尔( l a m b e r t b e e r ) 定律的原理，用未知浓度的样品与已知浓度标准物质比较或根据摩尔吸光系数方 法进行定量分析。 对各种物质的定量测定的基础是其在水溶液中有一定的颜色，当一束光通过 溶液时，物质的颜色与光的吸收、透过、反射有关。通过比较溶液对光的吸收情 况，来测定物质的浓度。一般用光的吸收曲线描述溶液对各种波长的光吸收情况。 不同波长的光通过一定浓度的有色溶液，可以测定其对各种波长吸收的程度，并 用吸收光谱曲线表示。光同一物质溶液的浓度不同时，其最大吸收波长和曲线形 状并不发生变化，这称为每种物质具有特定的吸收光谱。根据吸收光谱的不同可 鉴别各种物质，其对光的吸收程度越大，溶液的浓度越高。 分光光度法是自动生化分析仪的基础，生化分析仪按朗伯一比尔定律进行。 当一部分被盛有溶液的容器反射，当入射光的强度为i o ，吸光度为i a ，透光度 为n ，反射光强度为i r 时，则有i o = i a + i t + i r 。在仪器中装溶液的容器为比色杯， 均为同种材料、同一规格，当反射光强度i r 为一个恒值，不会引起测量误差， 则上式可简化为i o = i a + i t 。 仪器按用户的设置将待检测样品和试剂( 双试剂或单试剂) 定量、定时加入 到反应杯内，然后对反应从开始到结束的全过程测量各点吸光度，测量所用的波 长( 双波长或单波长) 根据用户的设置确定。测量得到的吸光度，按用户设置的 “分析方法”和“校准方式”计算出样品的浓度( 或活性) 。 2 1 1 紫外可见分光光度法 紫外可见分光光度法是根据物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收 作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析。所依据的光谱是分子或离子 吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。 通过测量物质对不同波长的光的吸收程度( 吸光度) ，以波长为横坐标，吸光 度为纵坐标作图，得到该物质在测量波长范围内的吸收曲线。这种曲线体现了物 质对不同波长的光的吸收能力，称为吸收光谱。图2 1 是抗坏血酸在醋酸水溶液 中的紫外吸收光谱图。如图所示，抗坏血酸在2 4 1 n n l 处有一最大吸收，表示为 入m = 2 4 1 n m ，称为最大吸收波长。浓度不同时，各波长处的吸光度值不一样， 6 但吸收曲线相似，最大吸收波长不变。不同浓度溶液的吸光度在最大吸收波长处 的差值最大，所以通常选取入m 进行物质含量的测定 l j u l 一 图2 1 抗坏血酸在o 1 m o l l 醋酸水溶液中的紫外吸收光谱图 2 1 2 朗伯一比尔( l a m b e r t b i l l ) 定律 不。 物质对光的吸收程度通常用透射l l ( t r a n s m i t t a n c e ) 或吸光度( a b s o r b a n c e ) 表 图2 - 2 物质对光的吸收 溶液的透射比越大( 吸光度越小) ，表示对光的吸收越小；反之，溶液的透 射比越小( 吸光度越大) ，表示对光的吸收越大。 朗伯一比尔( l a m b e r t b i l l ) 定律：单色光经过浓度为c ，厚度为l 的溶液时， 溶液的吸光度与溶液浓度、液层厚度成j 下比，即a = k c l 2 1 3 后分光技术 图2 - 3 朗伯比尔( l a m b e r t b i l l l 定律 入射光为复合光时，接收端检测到的是总吸光度，为各波长吸光度之和。为 排除待测成分以外的其他成分对吸光度的影响，仅测量选定波长的吸光度。单色 器( m o n o c h r o m a t o r ) 实现把复合光分解为单色光。 图2 _ 4 后分光方法 后分光技术如图2 4 所示，白光( 复合光) 先照射到比色杯，通过比色杯的透 射光入射到光栅上，被光栅展开为单色光，以不同的角度投射到在光电池阵面上， 各光电池仅接收单一波长的光。 2 2自动生化分析仪测定方法 2 2 1 杯空白测量 加样品之前，反应杯用去离子水加满测量其吸光度。该吸光度反映加样品前 反应杯本身的吸光度，或测量系统本身的吸光度。该吸光度还用柬判断反应杯的 透光性是否满足要求，当不满足要求时在报警窗口报警。 2 2 2 双波长吸光度测定 仪器使用双波长，主波长等于( 或接近) 反应生成物的吸收峰波长，副波长 ( 几乎) 不被反应生成物吸收。用主波长测量出吸光度a 1 ，同时用副波长测量 出吸光度a 2 ，差值a c = a 1 a 2 作为反应生成物的吸光度，用来计算生成物含量。 这样可有效去除样本的混浊、溶血、黄疸的干扰，并可有效抵消电路的噪声、光 源的噪声。 双波长的选择应使得干扰因数对主副波长的影响尽可能接近。 魁a l 装 娶 a c 2 2 3 液体双试剂方法 w l 图2 5 双波长吸光度测定 w 2 波长 试剂与样品反应，将被测组分转变为仪器的工作波长范围内有吸收或吸收较 大的物质。反应的生成物必须在紫外可见光区有较强的吸收能力，即摩尔吸光 系数较大；反应应有较高的选择性，被测组分经反应生成的化合物的吸收光谱与 其他共存组分( 包括干扰组分) 的吸收光谱有明显的差别；反应生成物有足够的稳 定性，以保证测量过程中吸光度的稳定。 9 双试剂是将反应体系的全部试剂分成两大组分。第一试剂先与被检样本中的 干扰物质反应，使其被去除。然后加第二试剂，样本中的被检测物质与反应体系 中试剂起反应，再进行测定。 图2 - 6 液体双试剂反应过程 2 3 全自动生化分析仪的工作流程 图2 7 全自动生化分析仪的工作流程 如图2 8 所示：水空白测量完成后，试剂l ( r 1 ) 加入到样品种。然后，1 0 l o 分钟之内，每间隔1 2 秒测量一次反应液的吸光度，共得到5 0 个吸光度值。根据 不同的测试方法，取相应点的吸光度计算测量结果。 越 米 蓉 o3 0 0 6 0 0 秒 图2 - 8 反应全过程曲线吸光度测量 第三章全自动生化分析仪的整体设计 3 1 全自动生化分析仪系统总体设计 全自动生化分析仪包括反应盘系统、加样系统、清洗系统、温控系统、软件 系统等。 3 1 1 反应盘系统 图3 - 1 全自动生化分析仪实物外观圈 反应盘系统包括反应盘运动控制系统和检测系统。检视4 器将光信号转换为电 信号。理想的检测器应具有线性范围宽，噪声低，灵敏度高。运动控制系统主要 完成反应盘转动等动作。 3 1 2 加样系统 加样系统：加样系统的精度直接影响测量结果，因此，加样系统一直都是全 自动生化分析仪的关键技术之一。 加样系统分为样本加样系统和试齐t j j j h 样系统，两者在原理和结构上并无区 别。加样过程由初始化过程、吸样过程、排样过程和清洗过程组成。 加样系统的运动控制系统主要完成样品盘或试剂盘的转动、加样臂转动、加 样臂升降、吸样泵吸样吐样、电磁阀开关等动作 3 1 3 清洗系统 清洗系统：在全自动生化分析仪中，反应杯清洗可通过两种方案实现，即机 内清洗反应杯和自动更换反应杯。 我们研究的自动生化仪采用机内清洗反应杯方式，反应杯是反复使用的。清 洗过程包括吸干反应液、注入酸性清洗剂、吸干酸性清洗剂、注入碱性清洗剂、 吸干碱性清洗剂、注入去离子水( 可能有多次) 、干燥反应杯等步骤。清洗的效果 直接决定着仪器的携带污染。 3 1 4 温控系统 温控系统：各类生化反应尤其是酶类对温度波动非常敏感，需要一个恒定的 温度，才能取得可靠、准确的结果，一般要求把反应室的温度波动控制在士0 1 。 目前较多采用的方法有空气浴法、恒温水浴法、恒温液加热法等。我们研究的自 动生化仪采用恒温水浴法。 3 1 5 软件系统 软件系统的目标是为用户提供方便实用、容易学习、界面友好、容易操作的 软件。 软件的功能主要包括三个方面：一是为用户提供操作仪器的界面，以实现项 目的编辑，样本试剂设置，项目的申请、执行，结果的输出和历史纪录查询等； 二是控制仪器各个部分工作，实现各种生化分析方法及一些辅助功能，对于一台 生化分析仪器来说，自动化程度越高，仪器的功能也越强；三是数据的分析处理 与计算，如病人信息和原始数据存储、化验结果汇总报告、失控报告、质控数据 计算绘图、质控回顾性检查分析、质控物和质控数据管理，等等。 全自动生化分析仪的机械部分由样本盘或样本轨道、恒温系统、搅拌系统、 操作系统、冲洗系统、反应盘、光路系统组成。 3 2 机构设计 3 2 i 样品处理机构 图3 - 2 样品处理机构实物图 图3 - 3 样品处理机构俯视图 样品处理机构按用尸的设置自动完成加样品加试剂、搅拌、测量吸光度 及清洗反应杯等动作。如图3 2 和图3 - 3 所示： 样品盘：用来放病人血样； 加样品机构：把样品盘中的病人血样加入到反应盘中的反应杯内； 试剂盘：用来放与检验项目对应的试剂； 反应盘：放反应杯，病人的血样和试剂在反应杯内反应； 加试剂机构：把试剂加入到反应杯内； 搅拌器：样品和试剂加入反应杯后，搅拌使反应杯内病人血样清和试剂 充分反应； 光度计：测量反应生成物的吸光度 清洗站：反应杯内反应物吸光度测量完成后，排空杯内反应物并将反应 杯清洗干净； 3 3 控制系统总体方案设计 h r s 2 3 25 7 6 0 0b i t s 睁c a n i _ 一 s y n c h r o n o u sc l o c k 图3 7 控制系统总体方案 1 主控板通过r s 2 3 2 串口接受用户从p c 机发过来的的指令； 2 主控板分析用户指令，生成控制各子系统模块的模块指令，然后转发给 各个子系统，通过子系统模块指令控制各子系统联动，实现用户指定的 动作； 3 同步时钟用末同步各子系统模块的起、停； 4 子系统间的模块指令、互锁信号、交换数据通过c a n 总线传送； 5 执行结果从r s 2 3 2 串口返回p c 。 本系统中主控板相当于一块通信板，是用a r m 芯片l p c 2 2 9 2 作为c p u 设 计的，在本论文中不做详细介绍。下面着重介绍各个子系统尤其是四个盘单元的 控制设计方案。 反应盘单元、样品盘单元、试剂l 盘单元、试剂2 盘单元的结构非常类似， 因此它们的控制方案基本一样，下面以样品盘单元为例阐述具体的设计方案，样 品盘单元设计结构图如下： 样品盘 转盘 1 2 c _ - e | 望c r u 虹蔓 c p u s l 、，、，、， l ，r 硅羹4 _ t w - r li m 1 珐咧 j ，、n i ，c o 臂上下 动c p i j s 3 由m j 、， l 一 m 一 注射泵 c p u 、 s 4 同步脉冲 c a n 加样针零位 图3 - 8 样品盘子系统结构图 如图3 8 所示，子系统的控制模块则以a v r 单片机为核心，分为两层，上 层主控c p u 主要采用资源比较丰富的a t m e g a l 2 8 或者a t m e g a 6 4 单片机，下层 c p u 采用a t m e g a 4 8 或者a t m e g a l 6 8 单片机，主单片机和子单片机之间采用 t w i ( 1 2 c ) 通信，主控c p u 和上层板通过c a n 总线通信，每个子c p u 负责一路 步进电机模块以及相关的光耦传感器、霍尔传感器、液位感知传感器、电磁阀等。 具体描述如下： 名称描述 样品盘零位光耦 1 号孔位于吸样位置，低电平有效 外圈孔定位光耦 归零后计数定位脉冲的个数知道外圈孔的孔位，上升沿有效 内圈孔定位光耦归零后计数定位脉冲的个数知道内圈孔的孔位，上升沿有效 盘号识别霍尔样品盘编码脉冲输入，确定l o 只样品盘的每个盘的识别码 ( 范围0 - 9 ) 盘转动步进电机转动样品盘 臂摆动零位反应杯一侧的排样位置，低电平有效 1 6 臂摆动步进电机 控制臂水平运动 臂升降零位加样针升到最高位时输出，低电平有效 臂升降步进电机控制臂升降运动 液位感知吸样时进入样品液面下o 5 m m 时输出，高电平有效 垂直撞针保护针下降中，针与臂刚撞上时输出，高电平有效 注射器零位 吸样时，注射器活塞干的起始位置，低电平有效 注射器步进电机 控制注射器活塞运动 针管外壁冲洗电磁阀打开时，高压冲洗水流通过，冲洗针管外臂 针管内壁冲洗电磁阀打开时，高压冲洗水流通过，冲洗针管内臂 同步脉冲反应盘转动时为低电平，停止时为高电平 串口接上位机，通过传口接收命令和上传数据 加样针零位加样针升到最高位时输出，低电平有效 子系统控制电路板的原理图如图3 - 9 ，实物图如图3 1 0 。 图3 - 9 控制电路板电路原理图 1 8 围3 1 0 控制电路板电路实物国 第四章控制系统的单片机系统 4 1 a v r 单片机简介和主要特性 a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的r i s c 单片机。r i s c ( 精简指 令系统计算机) 是相对于c i s c ( 复杂指令系统计算机) 而言的。r i s c 并非只 是简单地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度 的。 a v r 单片机硬件结构采取8 位机与1 6 位机的折中策略，即采用局部寄存器 存堆( 3 2 个寄存器文件) 和单体高速输入输出的方案( 即输入捕获寄存器、输出比 较匹配寄存器及相应控制逻辑) 。提高了指令执行速度( 1 m i p s m h z ) ，克服了瓶颈 现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降 低了成本。故a v r 单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优 化平衡，是高性价比的单片机。 a v r 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持i s p 和i a p ， 便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数 据，避免断电丢失。片内大容量的r a m 不仅能满足一般场合的使用，同时也更 有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像m c s 5 1 单片机那样扩展外部 r a m 。 a v r 单片机的i o 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入输出、 可设定( 初始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使的得 i o 口资源灵活、功能强大、可充分利用。 a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u r a t 、1 2 c 、s p i 使 用。其中与8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分 频系数提供多种档次的定时时间。a v r 单片机独有的“以定时器计数器( 单) 双 向计数形成三角波，再与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、 相位可变方波的设计方法( 即脉宽调制输出p w m ) 更是令人耳目一新。 增强性的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、 两级接收缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高了通 信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂 应用，串口功能大大超过m c s 5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机高速，中 断服务时间短，故可实现高波特率通讯。 面向字节的高速硬件串行接口t w i 、s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 2 0 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的收发全部 4 种组合的多机通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路 b o d ，多个复位源( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ，可 设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 a v r 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 5 - 2 7 v ) ，抗干扰能 力强，可降低一般8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 a v r 单片机技术体现了单片机集多种器件( 包括f l a s h 程序存储器、看门 狗、e e p r o m 、同异步串行口、t w i 、s p i 、a d 模数转换器、定时器计数器等) 和多种功能f 增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类 全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器计数器、具 替换功能的i o 端口) 于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片 上系统s o c ”过渡的发展方向。 综上所述，a v r 单片机博采众长，又具独特技术，是8 位机中的佼佼者， 因此本系统的控制电路板选用a v r 单片机。 2 0 】 4 1 2a v r 系列单片机的选型 a v r 单片机系列齐全，每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容 量等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方也相同，可适用 于各种不同场合的要求。a v r 单片机有3 个档次： 低档a t t i n y 系列a v r 单片机：主要有t i n y l 1 12 13 15 2 6 2 8 等； 中档a t 9 0 s 系列a v r 单片机：主要有a t 9 0 s 1 2 0 0 2 313 8 5 15 8 5 3 5 等；( 正 在淘汰或转型到m e g a 中) 高档a t m e g a 系列a v r 单片机：主要有a t m e g a 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 ( 存储容量 为8 1 6 3 2 6 4 1 2 8k b ) 等以及a t m e g a 8 5 1 5 8 5 3 5 等。a v r 器件引脚从8 脚到6 4 脚，还有各种不同封装供选择。 在全自动生化分析仪的控制电路板中，上层单片机主要采用资源比较丰富的 a t m e g a l 2 8 或者a t m e g a 6 4 ，下层子单片机采用a t m e g a 4 8 或者a t m e g a l 6 8 ，它 们的主要参数如下 2 1 2 2 2 4 2 5 】： a t m e g al2 8a t m e g a 6 4a t m e g a 4 8a t m e g a16 8 f l a s h 程序存储器容量k b 1 2 8 e e p r o m k b 4 快速寄存器s r a m b 4 0 9 6 6 4 2 4 0 9 6 4 0 2 5 6 5 1 2 1 6 0 5 1 0 2 4 最大i o 端口数量 5 35 32 32 3 系统时钟m h z 1 61 62 02 0 供电v c c v 2 7 5 5 2 7 - 5 5 1 8 5 5 1 8 - 5 5 1 6 位定时器 2211 下面重点介绍一下在全自动生化分析仪系统中作为主c p u 的a t m e g a l 2 8 4 1 3 a t m e g a l 2 8 介绍 a t m e g a l 2 8 是增强型内置f l a s h 程序存储器的精简指令集结构的低功耗8 位c m o s 单片机，它废除了机器周期，与5 1 单片机相比，a v r 单片机具有很高 的执行速度和非常丰富的片内资源： ( 1 ) 有1 2 8 k b 的系统内可编程f l a s h ，擦写寿命达1 0 0 0 0 次，可以满足开 发人员多次调试、修改程序的需要； ( 2 ) 4 k b 的e 2 p r o m ，可长期保存关键数据，避免断电丢失，擦写寿命达1 0 0 0 0 0 次； ( 3 ) 4 k b 片内s r a m ，6 4 k b 可选外部存储空间； ( 4 ) i o 端口线具有全部带有可设置的上拉电阻，可单独设定i o 、可设定( 初 始) 高阻输入、驱动能力强； ( 5 ) 片内集成8 路1 0 位a d c ，能够满足大部分测试系统的精度和分辨率的要 求； ( 6 ) 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，正确设置后，可以有效地保 护程序的正常运行； ( 7 ) 可以通过s p i 接口进行系统内编程，省去开发者购买专业仿真编译器的 成本； ( 8 ) 具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行：2 7 - - 一5 5v ，抗干扰能力强。 a t m e g a l 2 8 芯片的结构框图如图4 1 所示。 图4 - 1a t m e g a l 2 8 芯片的结构框图 2 3 】 4 2 控制系统单片机电路设计及通讯模块设计 4 2 1 单片机电路设计 4 2 1 1主单片机电路设计 电路原理图如下所示： 美釜笺 图4 2 主单片机接口电路图 如图4 2 ，图中标注的主单片机是a t m e g a 6 4 ，由于a t m e g a 6 4 和 a t m e g a l 2 8 的封装一样，在实际使用时电路上焊接a t m e g a 6 4 或者 a t m e g a l 2 8 都可以。a t m e g a 6 4 内部f l a s h 为6 4 k ，而a t m e g a l 2 8 为1 2 8 k ， 其它功能包括封装等都是一样的，但是价格便宜不少，因此在实际使用时可根据 情况选择。 前面已经介绍过两者选型的标准，这里不再赘述。为了方便，在下面介绍的 时候都一致用a t m e g a l 2 8 来指主单片机。 主c p ua t m e g a l 2 8 的设计如下：p a 0 p a 7 口接s j a l 0 0 0 t 的a d o a d 7 口， p g 2 接s j a l 0 0 0 t 的a l e 口，p g l 接s j a l 0 0 0 t 的r d 口，p g 0 接s j a l 0 0 0 t 的 w r 口，p d 7 接s j a l 0 0 0 t 的c s 口，p d 6 通过跳线接s j a l 0 0 0 t 的r s t 口，p d 6 通过跳线接s j a l 0 0 0 t 的r s t 口，p d 3 接s j a l 0 0 0 t 的i n t 口，p c 4 p c 7 接4 位拨码开关，p d 0 、p d l 分别为t w i 通信的s c l 和s d a ，外接上拉电阻，p e 7 口接l e d 灯，作为单片机工作状念指示灯，p f 4 p f 7 接j t a g 口，外接上拉电 阻，p e 0 、p e l 分别接r s 2 3 2 的r 1 和t 1 ，图中网路标号为“s 1 ”开口的引脚 为主单片机和从单片机l 的硬件连线，“s 2 ”开口的引脚为主单片机和从单片机 2 的硬件连线，以此类推，网络标号“b a c k i n ”的引脚为备用输入信号引脚， 网络标号“b a c k o u t ”的引脚为备用输出信号引脚，下面将在每部分电路中详 细讲解。 2 4 4 2 1 2j t a g 口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议 ( i e e e1 1 4 9 1 兼容) ，主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持j t a g 协议，如d s p 、f p g a 、高档a v r 单片机等。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o ，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 j t a g 编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程再装到板 上产生很多不便，j t a g 编程方式简化了流程，先固定器件到电路板上，再用j t a g 编程，从而大大加快工程进度。 具有j t a g 口的芯片都有如下j