（系统分析与集成专业论文）基于arm和linux的半自动生化分析仪的研究与设计.pdf

谢京信息工程大学硕士学位论文 摘要 生亿分桩仪是医疗襁构进行牯床诊断所必须翘纹器之一。它逶过对盘液等人体体液鲍 分析来测定诸如葡萄糖、胆固醇等生化指标，这然常规生化指标可以帮助隰生诊断疾病。 生化分析仪在临床诊断辩佑学检验中其有重要作麟。 目前的半自动生化分析仪多以8 位单片机为中央处理器，限制了仪器的性能。本文将 嵌入式技术应用于生化分析便静研稍当中，选用了3 2 位翦a r m 9 齄理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，嵌入 l i n u x 操作系统，搭建a r m + l i n u x 的平台，设计了智能型半自动擞化分析仪。 本文介绍了生亿分析仪酶原遴麓信眈尔定律及箕拨心部件光电北皂计。对半 自动生化分析仪的整体架构进行了说明。 半自动生纯分析仪硬件结丰奄上由电源、时钟、复位电路，存储器系统，液路控制系统， 光路控制系统，恒温控制系统( 包括温度测量和温度控制) ，数据采集系统，人机交置系统 ( 包括键盘、皴摸孱、液晶显示嚣l c d 平眭微型打印枫) 和其健一些接口等缝成，对予这些 外围硬件模块本文给出了详细设计。 在擎蜜动生佬分析仪软件设计方嚣，本文详缎奔绍了变叉编译调试环凌熬建立，引导 装载程序u b o o t 的移植，l i n u x 内核的裁减与移植，设备驱动程序的设计，文件系统的建 立与移檀，应用程彦豹编写与移楗。 本生化分析仪的功能包括m i n i g u i 图形用户界面、运动控制、温度控制、数据处理、 打印功能及s q l i t e 数攥库管理等。该新囊半自动生化分析仪使用方便，性价毙高，通用于 国内的中小型医疗机构。 关键词：生化分析仪，嵌入式系统，a r m ，l i n u x 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri sa no b l i g a t o r ya p p a r a t u sw h i c hi a t r i c a lo r g a n i z a t i o n su s et o d i a g n o s e i tc a l lm e a s u r eb i o c h e m i c a li t e m ss u c ha sg l u c o s e ，c h o l e s t e r o le t c t h r o u g ha n a l y s i so n b o d yf l u i dl i k eb l o o d t h e s eb i o c h e m i c a li t e m sc a r th e l pc l i n i c i a nt od i a g n o s ei l l n e s so fp a t i e n t s c l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri si m p o r t a n ti nc l i n i c a ld i a g n o s i sa n dc h e m i ce x a m i n a t i o n a tt h ep r e s e n tt i m e ，am a j o r i t yo fs e m i a u t o m a t i cc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e r su s e8 - b i t s s i n g l e c h i pa sc p u t h i ss i t u a t i o n r e s t r i c t sc a p a b i l i t i e so fa p p a r a t u s t h i sp a p e ri n t r o d u c e s e m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g yt or e s e a r c ho nc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e r a n i n t e l l i g e n t s e m i a u t o m a t i cc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri sd e s i g n e db yu s i n g $ 3 c 2 4 1 0 aa r m 9 e m p ua n d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mt ob u i l da na r m + l i n u xp l a t f o r m l a w b e r t b e e rl a w , t h et h e o r yo fc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e r , i sp r e s e n t e d t h en u c l e a r c o m p o n e n to fc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e r c a l l e d p h o t o e l e c t r i c c o l o rc o m p a r a t o ri sa l s o m e n t i o n e d a n dt h ew h o l es t r u c t u r eo fc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri se x p l a i n e d s e m i a u t o m a t i cc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri sc o m p o s e do fp o w e r , c l o c k ，r e s e te l e c t r o c i r c u i t , m e m o r i z e rs u b s y s t e m ，l i q u i dl a n e s u b s y s t e m ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r es u b s y s t e m ( i n c l u d i n g t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 ) ，a c q u i s i t i o no f a b s o r b a n c ed a t as u b s y s t e m ，m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v es u b s y s t e m ( i n c l u d i n gk e y b o a r d ，t o u c h s c r e e n ，l c da n dm i n i t y p ep r i n t e r ) a n ds o m e o t h e ri n t e r f a c e s t h ed e s i g n so ft h e s eh a r d w a r em o d u l e sa r ee x p a t i a t e di nd e t a i l c o n c e r n i n g s o f t w a r e d e v e l o p m e n t o f s e m i a u t o m a t i cc l i n i c a l c h e m i s 埘a n a l y z e r , e s t a b l i s h m e n to fc r o s sc o m p i l i n ga n dd e b u g g i n ge n v i r o n m e n t , t r a n s p l a n to fu b o o t ，r e d u c t i o n a n dt r a n s p l a n to fl i n u xk e r n e l ，d e s i g no fl i n u xd e v i c ed r i v e r , e s t a b l i s h m e n ta n dt r a n s p l a n to ff i l e s y s t e m ，c o m p i l i n go fa p p l i c a t i o np r o g r a ma r ee x p l i c a t e dd e t a i l e d l yi nt h i st h e s i s f u n c t i o n so ft h i s c l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e ri n v o l v em i n i g u ig r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ， m o v e m e n tc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，d a t ac a l c u l a t i o n ，p r i n ts u p e r v i s i o na n ds q l i t ed a t a b a s e m a n a g e m e n t t h i sn e ws e m i a u t o m a t i cc l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e rc a nb eu s e dc o n v e n i e n t l y , w i t h m g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e i ti sf i tf o rm e d i u ma n ds m a l lm e d i c a li n s t i t u t i o n s k e y w o r d s ：c l i n i c a lc h e m i s t r ya n a l y z e r , e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x h 学位论文独创性声明 本人郑重声明； 1 ，坚持以。求实、翎新的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果 3 ，本论文中除引文外，所有实验，数据和有关材料均是真实的 4 ，本论文中除弓l 文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果 5 ，其他同意对本研究所散的贡献均己在论文中作了声明并表示了谢意 作者签名： 垫垒星 日瓤一上骑蝉 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留，使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质葳l 有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查四；有权蒋学位论文的内容编入有关教据库进行检索i 有权将学位论 文的标置和摘要j 亡编出版保密的学位论文在解密后适用本规定 作者签名： 蓬堡莹 日 期：翘笺笙叠翊亟 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作裢名。j 酶 日 期：鲴军窆园筠哥 导师签名： 日期： 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 生化分析仪概述 第一章前言 生化分析仪是通过对血液等人体体液的分析来测定各种生化指标的仪器，如血红蛋 白、胆固醇、转氨酶、葡萄糖、淀粉酶、尿素氮、无机磷，尿酸、钙等当人体某些肌体 组织发生瘸变时，这些生化指标与正常人的相比将会出现差异准确而快速的检测这些生 化指标，将为医生确定病人的病情提供科学依据 人体常规生化指标的分析是当前临床诊断和治疗的重要手段，因此检测生化指标的生 化分析仪已成为医疗机构进行临床诊断所必须的仪器之一它可以准确、快速地为医生提 供检验数据，帮助医生诊断疾病和决定以后治疗的基准，在临床诊断和化学检验中具有重 要的作用生化分析仪广泛应用于临床检验、卫生防疫等领域 1 2 国内外发展状况 田外临床生化分析仪的发展从上世纪5 0 年代开始。随着科学技术的发展，自动化程度 不断提高，从手工操作发展到半自动化。再发展到全自动化。 生化分析仪在国外发展较早美国贝克曼，日本日立，岛津、德国拜尔等都是业界颁 先的公司国外的生化分析仪主要以全自动生化分析仪为主，自动化程度高，能够完成生 化分析中的取样、加试剂、混合、保温反应、检测、结果计算以及清洗等全韶步骤。它可 以快速处理样品并迅速报告结果综合而言，国外的分析仪主要向通用化、自动化方向发 展。通常这些高端产品价格较责，国内的中小医院并不能负担起这样高昂的成本 我国对生化分析仪的开发研制起步较晚。研制水平较低生化分析仪的开发与世界先 进仪器相比有一定差距。目前图内生产的生化分析仪多属半自动型的，产品的型号种类较 少，分析速度较幔，其精度、可靠性和稳定性上还有一定的差距但这种传统的半自动生 化分析仪的优点是不仅可以进行多种常规项目的检测，而且价格便宜、灵活性高。实际上， 半自动生化分析仪除了在加样及清洗过程中需要手动操作外，其它过程也实现了自动化 国内代表性的公司有深圳迈瑞等 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的目的和意义 目前生化分析仪有两种发展趋势一种向大型、多通道、高集成度、全自动方向发展， 以适应大中医院工作量大、测定项目多、速度快的要求；另一种向小型、单通道、分立式 方向发展，以适应中小医院灵活的工作需要f l 】 目前，国内大中型医院基本配备了较为昂贵的全自动生化分析仪，但由于经费限制， 中小型医院拥有量较少中小医院的这种现状不能满足广大人民群众对医疗资源的需求 因此我国的医疗机构，特别是中小医疗机构对生化分析仪的需求越来越迫切随着社会的 发展，中小型医院将越来越担负着为广大人民群众诊断疾病的责任，简单、易用、灵活的 半自动生化分析仪最能适应中小医院的工作要求，大而全的全自动生化分析仪反而无法发 挥出它应有的效率 因此开发出低成本、小体积、高性能的半自动生化分析仪具有较高的社会效益和经济 效益，对于解决我国这方面的供需矛盾，缩小与先进差距方面，具有现实的应用意义和较 高的学术价值 目前的半自动生化分析仪多以8 位单片机为中央处理器，限制了仪器的性能本文将 嵌入式技术应用于生化分析仪的研制当中，选用3 2 位的a r m 9 处理器，嵌入l i n u x 操作 系统，搭建a r m + l i n u x 的平台，设计智能型半自动生化分析仪a r m 公司的3 2 位r i s c 处理器成本低，功耗少，性能高，占有了相当的市场面向a r m 徽处理器构架的嵌入式 操作系统也已获得了飞速发展，其中嵌入式l i n u x 因其源码开放、内核稳定高效及支持多 种体系结构等优点已在嵌入式系统中应用颇热 1 4 本课题研究的主要内容 本文将嵌入式技术应用于半自动生化分析仪的研究与设计选取a r m 9 处理器为主芯 片，嵌入l i n u x 操作系统本文首先介绍了生化分析仪的原理一朗伯- 比尔定律及其核心 部件光电比色计，分析了半自动生化分析仪的整体架构。接着主要从硬件和软件两个 方面对半自动生化分析仪进行了研究与设计 半自动生化分析仪的外围硬件模块包括电源、时钟，复位电路，存储器系统，液路控 制系统，光路控制系统，恒温控制系统( 包括温度测量和控制) ，数据采集系统，人机交互 系统( 包括键盘、触摸屏、液晶显示器l e d 和微型打印机) 和其他一些接口等。对于这些 硬件模块本文给出了详细设计 2 南京信息工程大学硕士学位论文 在半自动生化分析仪软件设计方面，本文详细介绍了交叉编译调试环境的建立，引导 装载程序u - b o o t 的移檀，l i n u x 内核的裁减与移植，设备驱动程序的设计，文件系统的建 立与移植，应用程序的编写与移植等 本生化分析仪的功能包括圈形用户界面、运动控制、温度控制、数据处理、打印功能 及数据库管理等。本文采用m i m g u i 编写图形用户界面，采用s q l i t c 设计嵌入式数据库， 用以管理检验记录，并将微型针式打印机集成到仪器当中，打印检验单据 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章生化分析仪原理与结构 2 1 生化分析仪原理 生化分析仪属于光学式分析仪器，多采用比色分析法。化学物质的溶液具有颜色，当 溶液浓度改变时，溶液颜色的深浅也随之改变，且浓度愈大，颜色愈深因此可以通过比 较溶液颜色深浅的方法来测定溶液的浓度翻 2 1 1 朗作i - i ：i ：尔定律 比色法的理论依据是朗伯比尔定律，当光通过溶液时，被吸收的强度和溶质浓度及光 通过的距离有一定的关系当一束平行的单色光通过均匀的有色溶液时，由于溶液吸收了 一部分光能。透过光强度因而减弱溶液浓度越大，液层越厚，入射光越强，透过光强度 减弱越显著【3 l 。 溶液 c 圈2 i比色图 如图2 1 所示，用i o 表示入射光的强度，k 表示透过光的强度，c 表示溶液浓度，l 表 示液层厚度，则存在如下关系： 一唔= m 也 协。 式( 2 - i ) 即是朗伯比尔定律其中，k 表示吸光度系数，在入射光的波长、溶液种类 和温度一定的条件下，k 为定值a 表示吸光度因此，当液层厚度l 固定时，溶液的吸 光度a 与溶液的浓度c 成正比 假设有两种有色溶液，其中一种是已知浓度的标准溶液，另一种是待测溶液。根据式 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 2 1 ) 有： 在标准溶液中： a l = k i c i l i 在待测溶液中： a l = k ；c 。l 。 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 将式( 2 - 2 ) 除以式( 2 - 3 ) 可得： 生；燃 ( 2 4 ) a 。k l c 。l ， 若上述两种溶液的液层厚度相等，则有【；k ；若温度相同，且是同一种物质的两种 不同浓度的溶液。测定时所选用的单色光的波长也相同，则有蝌轴代入式( 2 - 4 ) 可得： 生：呈( 2 - 5 ) 4 ，e 由此可见，在上述条件下。吸光度与浓度成正比式中标准溶液的浓度c l 为已知，吸 光度a 和a i 可以用生化分析仪测量出来，则待测溶液的浓度c l 即为： c = 考c j ) 在实际的测试中，为测定吸光度，需要先测试蒸馏水空白或试剂空白因为单色光在 通过蒸馏水后其光强基本上不会减弱，所以将莱一波长的单色光通过蒸馏水后的光强当作 其入射光强i o 再测得该单色光透过某待测溶液的透射光强，就能计算出该溶液的吸光度。 2 1 2 光电比色计 利用光电转换元件来测量通过有色溶液后的透过光的强度，从而求出被测物质含量的 方法称为光电比色法，基于此方法设计的仪器叫作光电比色计，光电比色计是生化分析仪 的核心部件之一其基本结构由光源，单色器，比色池，光电检测器放大电路与检测装 置等单元构成，如图2 2 所示 光源采用卤钨灯，箕发光效率较高，适用的波长范围是3 2 0 n m 2 5 0 0 n m ，面生化分析 仪所需的波长范围是从3 4 0 r i m 到6 3 0 r i m 单色器是从复合光中选择出较纯的单色光的装置， 本文中的单色器采用的是前分光滤光镜。滤光镜的作用是在从含有各种波长的白光中。选 5 南京信息工程大学硕士学位论文 择近似的单色光通过待测溶液，其余的光线则被滤光片吸收比色池是用来盛放所分析的 检液的容器光电检测器是利用光电效应将光能转换成电能的器件，它将透射过比色池的 光能转换成电能，从而反映出透射光的强度从光电检铡器出来的电信号是十分微小的， 不能直接用a d 转换器将它转换为数字信号，所以需要放大电路先将它放大后再送往检测 装置，再进行后续的数据处理 图2 2 光电比色计结构图 简单的工作流程是：光源产生的复合光经单色器选择出所需要的单色光，投射往比色 池，此单色光被比色池中的待测溶液吸收掉一部分后，投照在光电检测器上，光电检测器 将溶液吸收后所剩余的光信号变换成电信号，放大后送到检测装置测得透射光强，经过计 算得出测量结果 2 2 半自动生化分析仪整体架构 生化分析仪主要用来对人的血液和其他体液中的各种生化指标进行分析首先需要医 务人员进行样品的采集、识别、处理和存储。从测试对象处采取血液等，分离出有用成分， 将所取得的样品用标记将其和受试者联系起来对于半自动生化分析仪而吉，在加样品、 加试剂、混匀等操作上，需要手工完成。1 i 茬另一部分工作，如吸入反应液，保温、波长选 择、吸光度检测、结果的计算、打印等功能，则仍可由仪器自动完成 生化分析仪主要由液路控制系统、光路控制系统、恒温控制系统、数据采集系统和人 机交互系统等组成生化分析仪系统框图如图2 3 所示 a r m 9 芯片作为整个生化分析仪的控制核心，对整个分析仪工作进行调控液路控制 系统包括进，排液管道、蠕动泵及比色池，孀动泵由步迸电动机带动来吸取检液进入比色 池，及检后排除废液，亦可用于清洗光路控制系统包括光源和单色器，另一台步进电动 机带动滤光轮转动使其上的干涉滤光片从卤钨灯发出缒光中滤出3 4 0 n m 、3 8 0 姗、4 0 5n m 、 4 9 2n m 、5 1 0n m 、5 4 6 衄，5 7 0n m 及6 3 0 r i m 波长的单色光，以满足不同试液的需要 为纠正因步进电机失步造成的滤光片位置偏差，安装有光电位置检测器，滤光轮每转动一 6 南京信息工意大学硕士学位论文 周进行次位置校准样品和试剂混匀后吸入到比色池中比色池存放在恒温环境中，因 为只有恒定在指定的温度下检测才能保证生化检验结果的可靠性，现行的标准检测温度有 2 5 、3 0 1 2 、3 5 1 2 及3 7 ，恒温控制系统正是起到恒定溶液温度值的作用，它包括温度检 测装置和控温元件帕尔贴。数据采集系统包括光电检测器、放大罂和a d 转换器，光电二 极管将透过比色池的光信号转化成电信号，经过放大后进行检测，再根据预定的方法如终 点法、两点速率法、动态法和a b s 法等进行数据的处理，分析，得出检验结果人机交互 系统包括键盘、带触摸的l c d 显示屏及微型打印机，提供友好的人机接口，方便医务人员 的操作 图2 3 生化分析仪系统框图 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章半自动生化分析仪主芯片s 3 c 2 4 1 0 a 现有的半自动生化分析仪多以一片或多片8 位单片机为中央处理器，控制各功能模块， 再以一台p c 机作为上位机进行数据管理。为满足我田大多数中小医疗机构对生化分析仪 的特殊需求，本文将当前流行的嵌入式技术应用到生化分析仪的开发当中，采用一片a r m 9 芯片三里公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 作为整个生化分析仪的控制核心。对外围液路控制系统， 光路控制系统、恒温控制系统、数据采集系统和人机交互系统等进行控制，对整个分析仪 工作进行调控 3 1a r m 简介 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理罂的通称，还可以认为是一种技术的名字a r m 公司是专门从事基于 r i s c 技术芯片设计开发的公司，是业内领先的半导体知识产权( 口) 提供商，其本身不生 产芯片，而是通过转让设计技术给合作伙伴，由他们来生产各具特色的芯片。a r m 处理 器具有小体积、低功耗、低成本、高性能等特点，并且具有1 6 3 2 位双指令集。a r m 广泛 应用在1 6 3 2 位嵌入式r i s c 解决方案中，已遍及工业控制、消费类电子，通信系统，医疗 设备等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器几乎占具了嵌入式r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额例 a r m 处理器目前包括以下几个系列 a r m 7 系列a r m 9 系列、a r m l 0 系列、a r m l l 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 等等每一系列提供相对独特的性能 来满足不同应用领域的需求 a r m 体系结构支持3 2 位的字、1 6 位的半字和8 位的字节三种数据类型，字必须4 字 节边界对齐，半字必须2 字节边界对齐a r m 体系结构将存储器看作从零地址开始的字 节的线性组合，可将地址空间看作是2 3 2 个8 位的字节组成，或是2 3 1 个1 6 位的半字组成， 或是2 3 0 个3 2 位的字组成a r m 体系结构可以用高字节在低地址中的大端格式和低字节 在低地址中的小端格式来存放字数据，通常可以通过外部引脚来进行设定a r m 的工作 状态有两种：一种为a r m 状态，执行3 2 位字对齐的a r m 指令；另一种为t h u m b 状态， 执行1 6 位半字对齐的t h u m b 指令两种状态之间可以切换。但a r m 微处理器在开始执 行代码时，应该处于a r m 状态 8 南京信息工程大学硕士学位论文 与传统的8 1 6 位系统不同，a r m 微处理器支持7 种运行模式，分别为：用户模式、 快速中断模式、外部中断模式、管理模式、数据访问终止模式、系统模式及未定义指令终 止模式这些模式可以通过软件改变，也可通过外部中断和异常处理改变。除大多数应用 程序运行的用户模式外，其余的6 种模式称为特权模式，其中除去用户模式和系统模式外 的5 种又称为异常模式异常是指正常的程序执行流程发生暂时的停止。a r m 体系结构 支持复位、未定义指令、软件中断、指令预取中止、数据中止、外部中断请求和快速中断 请求7 种异常在存储器开始的位置存放有这些异常的异常向量表a r m 总共有3 7 个3 2 位的寄存器，分为通用寄存器和状态寄存器，这些寄存器依赖于处理器状态和操作模式的 不同而有选择的对程序员可见 3 2s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 a 介绍 $ 3 c 2 4 1 0 a 是三星电子基于a r m 9 2 0 t 内核推出的1 6 3 2 位_ r i s c 处理器，a r m 9 2 0 t 实现 了m m u 、a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构这一结构具有独立的1 6 r 潞令c a , ：h e 和1 6 k b 数据c a c h e s 3 c 2 4 l o a 提供了一系列系统外围设备，大大减少了整个系统的成本 集成的片上功能有m ： 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电 外部存储控制器 具有p l l 片上时钟发生器 3 通道u a r t 2 端口u s b 主机l 端口u s b 设备 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器 1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 8 通道l o 比特a d c 和触摸屏接口 l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a 4 通道d m a 并有外部请求引脚 具有日历功能的r t c 看门狗定时器 $ 3 c 2 4 1 0 a 为生化分析仪提供了低成本，高性能的解决方案主芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 各外 围硬件模块图如图3 1 所示 9 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 各外围硬件模块图 $ 3 c 2 4 1 0 a 提供8 路片选，为n c - c s n 眇川，每个片选都指定了固定的地址，每个片选 为1 2 8 m 字节各硬件模块占用片选、中断资源情况如表3 1 所示： 表3 1 生化分析仪各硬件模块占用片选、中断资源表 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章半自动生化分析仪各外围硬件模块设计 4 1 电源、时钟及复位电路模块 4 1 1 电源电路 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础电源电路设计的好坏直接关 系到整个系统工作的稳定性。根据系统的需要，电源电路需要输出1 s v 、3 3 v 、5 v 和1 2 v 的直流稳压，其中1 2 v 为步进电机及卤钨灯供电，1 8 v 为a r m 内核及r t c 供电、3 3 v 为$ 3 c 2 4 1 0 a 的o 端口和存储器端口供电，5 v 为帕尔贴及外围芯片供电。为简化系统电 源电路设计，整个系统的输入电压为1 2 v 直流稳压电源 冀l 船4 t l g 图4 1 电源电路 南京信息工程大学硕士学位论文 系统的电源电路如图4 1 所示外部1 2 v 直流通过l m 2 6 7 6 稳压至5 v ，5 v 再经过 d c - d c 转换器l m l l l 7 完成到3 3 v 和】8 v 豹电压转换系统中r t c 所需电压由1 s v 电 源和备用电池共同提供。备用电池的阳极通过v d d r t c 脚接至内部r t c 模块，系统工作 时1 8 v 电压有效，系统掉电后备用电池开始供电，这样保证r t c 模块一直正常工作婀 为降低噪声，将数字电源和模拟电源进行隔离，并采用大面积敷地。 4 1 2 时钟电路 时钟电路用于向c p u 及其它电路提供工作时钟。$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器的主时钟可以由 外部时钟源提供，也可以由外部振荡器提供，采用哪种方式通过引脚o m 3 ：2 来进行选择 本文选择o m 3 ：2 1 均接地的方式，即主时钟m p l l 和u s b 时钟u p l l 均采用外部振荡器提 供系统时钟。$ 3 c 2 4 1 0 a 片内p l l 电路兼有频率放大和信号提纯功能，因此系统可以较低 的外部时钟信号来获取较高的工作频率，从而降低因高速开关时钟所造成的高频噪声外 部振荡器由1 2 m h z 晶振和2 个1 5 p f 的微调电容组成振荡电路输出接$ 3 c 2 4 1 0 a 的x t i p l l 引脚，输入接x t o p t l 引脚，外部时钟源e x t c l k 须接高电平3 3 v 1 2 m h z 的晶振频率 经$ 3 c 2 4 1 0 a 片内的p l l 电路倍频后，可达到2 0 0 m i - i z r t c 时钟电路也采用相同的方式， 采用3 2 7 6 8 l 【i 妇的晶振如图4 2 所示 蚶 一 船c l k1 两一 x 舭 司广 占0 7 m j o o 一 f产陲 x t o t l t 口u c 畔 x 瑚r i l 口m c p占如 t骨 船衄c 4 1 3 复位电路 圈4 2 时钟电路 复位电路主要完成系统的上电复位和运行时按键复位功能本文采用r c 复位电路， 如图4 3 所示 南京信息工程大学颐士学位论文 圈4 3 复位电路 系统上电时，通过电阻r 1 2 向电容c 2 1 充电，当c 2 1 两端的电压未达到高电平的门限 电压时。n r e s e t 端输出为低电平，系统处于复位状态；当c 2 1 两端的电压达到高电平的门 限电压时。n r e s e t 端输出为高电平，系统进入正常工作状态当按下复位按钮s 1 时，c 2 1 两端的电荷被泻放掉，n r e s e t 端输出为低电平，系统进入复位状态，再重复以上的充电过 程，系统进入正常工作状态两级非门电路用于按钮去抖动和波形整形唧 4 2 存储器系统 存储器系统负责系统的静态存储与动态存储存储器系统包括两个部分：f l a s h 用于静 态存储，s d r a m 用于动态存储。f l a s h 用于存储系统的引导程序( b o o t l o a d e r ) 、内核( k e r n e l ) 、 文件系统( f i l es y s t e m ) 及应用程序但由于f l a s h 的存储速度较慢，所以当b o o t , l o a d e r 启 动以后，b o o t l o a d e r 将内核复制到内存中，然后执行；执行应用程序也是一样，操作系统 会将应用程序调到内存中然后再执行，这样以提高执行速度。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的存储器控制器提供访问外部存储器所需要的存储器控制信号$ 3 c 2 4 1 0 a 总共有8 个存储器b a n k ，其中6 个是r o m 、s r a m 等类型存储器b a n k ，剩下的2 个可以 作为r o m 、s r a m ，s d r a m 等存储器b a n k 每个b a n k 有1 2 8 m 字节，但最后两个b a n k 即b a n k 6 和b a n k 7 的大小是可编程的。也可以通过编程来选择大，j 、端模式和除b a n k 0 外其 余b a n k 的8 1 6 3 2 位宽访问大小 s d r a m 存储器速度较快，但不具有掉电保持数据的特性，主要作为程序的运行空间 f l a s h 存储器是一种可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，常用于存放程序代 码和需要保存的数据。h a s h 对称为块的存储器单元进行擦除和再编程，多数情况下写入操 作之前必须先擦除。f l a s h 有n o r f l a s h 与n a n d f l a s h 两种，n o r f l a s h 支持直接启动，但价 格较贵，擦除和写入速度比n a n d f l a s h 慢，而n a n d f l a s h 价格比较便宣，容量较大，但读 速度比n o rf l a s h 幔因此n o rh a s h 适合存储少量代码，而n a n df l a s h 适合存储高密度用 1 3 南京信息工程大学硕士学位论文 户数据【“ 在本系统的设计中综合考虑价格、容量和性能等因素，选用s d r a m 作为系统主存储 器。n o r f l a s h 和n a n d f l a s h 作为辅助存储器系统配置了2 x 5 1 2 m b i t s s d r a m 、6 4 m b i t s n o r f l a s h 和6 4 m x 8 b i t n a n df l a s h 。 图4 4s d r a m 存储器系统电路圈 为充分发挥3 2 位c p u 的数据处理能力，采用两片8 h i b b i t x 4 b a n k s 的k 4 s 5 1 1 6 3 2 d 并 联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，共1 2 8 m b 空间，如圈4 4 所示两片k 4 s 5 1 1 6 3 2 d 作为一 个整体配置到b a n k 6 ，即片选接n g c s 6 ，起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 ，其中片为高1 6 位，另一 片为低1 6 位$ 3 c 2 4 1 0 a 内的s d r a m 控制逻辑方便t s d r a m 的构建，且它具有s d 鼬蝴刷 新控制逻辑 z 磐 j 匠t 口 l 书 一( 吲) 0 。a ”t a 7 _ - _ n e a - - 口 一 厂_ m 图4 5n o rf l a s h 和n a n df l a s h 存储器系统电路图 本文采用一片4 m x1 6 b i t 的e 2 8 f 6 4 0 j 3 a - 1 2 0 构建i 难的rf l a s h 存储器系统，采用一片 6 4 m x 8 b i t 的k 9 f 1 2 0 8 u o m - y c b 0 构建n a n d f l a s h 存储器系统，如图4 5 所示 n o rf l a s h 带有s r a m 接，可以像s d r a i v l - - 样与系统总线连接，e 2 8 f 6 4 0 j 3 a - 1 2 0 单片 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 8 m 字节，共“个扇区，每个扇区都是1 2 8 k 字节大小，均匀分布通过对e 2 8 f 6 4 0 j 3 a 1 2 0 内部的命令寄存器写入标准的命令序列来对其进行相应操作将f l a s h 配置到b a n k o ，即 片选接n g c s o ，起始地址o x 0 0 0 0 0 0 0 0 。用于存放引导程序u b o o t 、内核z h m 萨、舳d i s k 类 型的根文件系统及应用程序b 越k 0 的数据总线必须首先设置成1 6 位的，即o m 1 ：0 = 0 1 因 为b a n k 0 作为引导r o m 区( 映射到地址0 x 0 0 0 0 - 0 0 0 0 ) ，在复位时，系统将检测o m i ：0 上的 逻辑电平，并依据这个电平来决定b a n k 0 区存储器的总线宽度当系统启动时，c p i 憎先从 复位地址o 妯0 0 0 0 0 0 0 处读取启动代码，启动代码完成初始化操作。并将内核和文件系统复 制到s d r a m 中，然后跳转到内核启动l i n u x 。 n a n d f l a s h 使用i o 方式进行读写，8 个引脚用来传送控制、地址和数据信息。s 3 c 2 4 1 0 a 徽处理器支持- n a n df l a s h 接d ，方便与k 9 f 1 2 0 8 u o h f y c b o 的连接。在c l e 有效时。锁存在 的上的是控制字；在a 【卫有效时，锁存在i ，o 上的是地址；瓜e 或n j l ，e 有效时，锁存的是数 据一片勋f 1 2 0 8 u 舭y c b 饱含4 0 9 6 b l k s ，每个b l o c k 包含3 2 p a g c s ，每个p a g e 包含5 1 2 b y 峨 加1 辨s 的o o b 【l ”生化分析仪蔼要存储大量检验结果记录，n a n df l a s h 正是用于存储这 些数据 生化分析仪的地址空间分布如图4 6 所示； 伽o 0 0 脚日帅 n o r f l a s h 8 d r 眦 4 3 液路控制系统 心心心测 懑勰 蕊 阀 圈4 6 地址空间分布图 m 0 0 哪 嘲0 8 0 n d 0 0 咖 液路控制系统包括进，捧液管道、蠕动泵及比色池该模块的主要功能有：吸取检液 进入比色池，及检后排除废液；清洗管道和比色池 南京信息工程大学硕士学位论文 吸取检液到比色池是生化分析工作的第步本文采用一台步迸电动机来驱动蠕动泵 从而吸取检液由于检液对管道具有腐蚀作用，因此采用了专用的增强型的生化试剂管 为解决交叉污染通过采用不断吸取蒸馏水的方法来冲洗比色池和管道的内壁，以减少前 一次测试检液在管道和比色池内壁中的残留物对下一次测试检液的影响 步进电动机是一种将电脉冲信号转化为相应的角位移的机电执行元件输入一个电脉 冲，电动机就转动一个固定的角度，称为。一步”，这个固定的角度称为步距角。电动机输 出轴的角位移与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，转向与通电相序有关，步进 电动机易于启停、正反转及变速，具有良好的跟随性，广泛应用于各种开环控制系统【l “ 象 辅入口 输出口 图4 7 蠕动泵结构图 蠕动泵的吸取量和步进电动机的步数存在以下关系： 总的吸取量= 步数单步吸取量 ( 4 1 ) 按照式( 4 1 ) ，可以通过控制脉冲个数来控制步进电动机的角位移量，进而达到控制 液体流量的目的蠕动泵的结构图如图4 7 所示泵安排在比色池的后端，输入口接比色 池的输出口，输出口则接到废液管，泵通过挤压泵管来实现充满和排空比色池的目的 图4 8 步进电动机开环控制系统原理图 本文对吸取量没有太高的精度要求在非超载的情况下，步进电动机的转速，停止的 位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，这一线性关系的存在， 1 6 南京信息工程大学硕士学位论文 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，因此采用步进电机的开环控制方式 能满足应用需求这种控制方式简单可靠、成本低廉、容易实现。步进电动机开环控制系 统原理图如图4 8 所示。 本文采用型号为4 2 b y g h l 0 1 的二相混合式步进电机，它体积小，步距转角为1 8 度， 采用1 2 伏工作电压，o 4 安培的工作电流，静转距为4 2 k g * c m ，定位转距为0 2 k g * c m 该 步进电机的工作电流适中，所提供的扭矩能够满足设计要求 步进电动机的驱动电路包括两个主要的模块：步进电动机控制器和步进电动机驱动器。 本文采用意法半导体公司生产的步进电动机控制器芯片l 2 9 7 和步进电动机驱动器芯片 l 2 9 8 组成步进电动机驱动电路l 2 9 7 + l 2 9 8 集成块是专为步进电动机驱动而设计 l 2 9 7 + l 2 9 8 的经典设计电路具有外围元件简单，工作稳定性好的特点 l 2 9 7 是步进电动机控制集成芯片，可产生四相驱动信号。应用于微处理机控制两相双 极性和四相单极性步迸电动机电动机可由半步、整步和斩波三种驱动模式驱动。该器件 的一个显著特点是只需要时钟、方向和模式输入信号相位是由内部产生的。因此可减轻 微处理器和程序设计的负担。 l 2 9 8 是内含两个h 桥的高电压大电流双全桥式驱动器每个桥都有一个使能端。接受 标准1 - r l 逻辑电平信号l 2 9 8 用来驱动步进电动机的电力输出可以驱动两个二相电机， 也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达5 0 v ，输出电流最大3 安培，可以直接通过 电源来调节输出电压而且电路简单，使用比较方便。对于驱动本文所要求的1 2 伏工作电 压，0 4 安培工作电流的步进电动机来说完全足够【1 w 图4 9l 2 9 7 ，l 2