（检测技术与自动化装置专业论文）基于ARM7半自动生化分析仪的研究和设计.pdf

江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 生化分析仪是一种集光、机、医和电于一体的医疗临床诊断设备， 主要用于临床检验人体血液和其他体液中的各种生化指标。当人体组 织发生病变时，病人体液中的生化指标将会发生变化，准确而快速的 检测出这些生化指标，可以为医生诊断和确定病人病情提供科学的依 据。随着科学技术和人类社会的不断发展，检测快速、操作简单、成 本较低、性能优越的小型生化分析仪是近年来一个重要的发展方向。 本文通过了解生化分析仪原理和生化测试基础，根据生化分析仪 所要达到的性能指标，设计半自动化生化分析仪控制系统的总体结构， 对硬件和软件功能做出明确和合理的分配。 以嵌入式技术为核心，选用当前3 2 位的a r m 7 处理器l p c 2 1 2 4 ， 研究了a r m 的体系结构，搭建了智能型半自动生化分析仪的硬件平 台，详细介绍了生化分析仪各个功能模块的控制方法；并根据系统各 模块的特点，阐述了系统p c b 的设计和制作原则，提高了该硬件平台 的抗干扰能力。 在半自动生化分析仪的软件设计方面，本文详细介绍了a d s i 2 调试环境，以及仿真调试工具h j t a g ；按照系统功能要求和模块化设 计思想，设计了显示模块、键盘处理模块、a d 转换模块、实时时钟 模块和温度控制模块等。同时本文还论述了程序调试的一般方法，总 结了在软件设计和调试过程中的问题和一些解决方案。 最后对整个系统相关功能进行实验测试，并对测试结果进行了误 江苏大学硕士学位毕业论文 差分析。通过试验室调试和测试证实了上述研发成果的有效性和实用 价值，为本生化分析仪最终完成以及以后的研究开发打下了良好的基 础，其中系统的任务调度方法和生化分析方法，具有一定的应用和推 广价值。 关键词：生化分析仪，l p c 2 1 2 4 ，嵌入式，a d s ，生化测试，抗干扰 u 江苏大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t t h eb i o c h e m i c a l a n a l y z e r i s a ni 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 s ，m e d i c i n a la n de l e c t r o n i c st e c h n o l o g y i ti su s e di nt h ed e t e c t i o n o fv a r i o u sb i o c h e m i c a li n d e x e so fb l o o da n dt h eo t h e rb o d yf l u i d w h e n t h eb o d yt i s s u el e s i o n s ，t h ep a t i e n t sb o d yf l u i d so fb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r s w i l lb ec h a n g i n g d e t e c t i n gt h e s eb i o c h e m i c a lp a r a m e t e r sa c c u r a t e l ya n d r a p i d l yc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i sf o rd o c t o r st od i a g n o s i sa n dd e t e r m i n e t h e p a t i e n t sc o n d i t i o n a l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c e a n d t e c h n o l o g y , t h es m a l lb i o c h e m i c a la n a l y z e r w i t hf a s t d e t e c t i o n ，e a s y o p e r a t i o na n dl o wc o s th a v eb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s s t u d y i n gt h o u g ht h ep r i n c i p l e so f b i o c h e m i c a la n a l y s isa n dt h eb a s i s o fb i o c h e m i c a lt e s t ，a n da c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so ft h e b i o c h e m i c a la n a l y z e rt ob ea c h i e v e d ，t h ea r c h i t e c t u r e so fc o n t r o ls y s t e mo f t h eb i o c h e m i c a l a n a l y z e r i s d e s i g n e d ，a n d ac l e a ra n dr e a s o n a b l e d i s t r i b u t i o nf o rt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef u n c t i o n sa r em a d e b a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g ya st h ec o r e ，t h o r o u g h l ys t u d i e dt h e a r ms y s t e ms t r u c t u r e ，a ni n t e l l i g e n ts 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 y a n a l y z e ri sd e s i g n e db yu s i n gl p c 2 12 4a r m 7e m p u t h ec o n t r o l m e t h o d so fv a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so fb i o c h e m i c a la n a l y z e ra r ea l s o i n t r o d u c e di nd e t a i l i na c c o r d a n c ew i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e m i i i 江苏大学硕士学位毕业论文 m o d u l e so nt h es y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fd e s i g na n dp r o d u c t i o no fp c bi s e x p o u n d e d ，s ot h a tt h ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a c i t yo fh a r d w a r ep l a t f o r mh a s b e e ni m p r o v e d 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 fs 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 t r ya n a l y z e r , t h ed e b u g g i n ge n v i r o n m e n ta d sa n ds i m u l a t i o nt o o l h j t a ga r ei n t r o d u c e da tl e n g t h a c c o r d i n gt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f t h e s y s t e m a n dm o d u l a r i z a t i o nm e t h o do fp r o g r a m m i n g ，t h e d i s p l a y m o d u l e ，k e y b o a r dh a n d l i n g ，a d c o n v e r t e rm o d u l e ，r e a l t i m e c l o c k ， t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l ea n dt h e o t h e rm o d u l ea r ed e s i g n e d a tt h e s a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h eg e n e r a lm e t h o do fd e b u g g i n gi n t h es o f t w a r ed e s i g na n dd e b u ga n ds u m su pan u m b e ro fs o l u t i o n s f i n a l l y , s o m ef u n c t i o nm o d u l e sr e l a t e dt ot h ew h o l es y s t e mh a v eb e e n e x p e r i m e n t e da n dt e s t e d a tt h es a m et i m ec a r r i e do nt h ee r r o ra n a l y s i st o t h et e s tr e s u l t t h ea f o r e s a i ds t u d ya n dd e v e l o pa c h i e v e m e n t sv a l i d i t ya n d p r a c t i c a lv a l u eh a v eb e e np r o v e db yl a b o r a t o r yd e b u g g i n ga n dt e s t t h i s h a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rf i n a lc o m p l e t i o no ft h es e m i a u t o m a t i c b i o c h e m i c a la n a l y z e ra n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n ta n ds t u d y ，a m o n gt h e s e ， s y s t e mt a s ks c h e d u l i n gm e t h o da n db i o c h e m i c a la n a l y t i c a lm e t h o d sh a v e c e r t a i np o p u l a r i z a t i o nu s i n gv a l u e k e y w o r d ：b i o c h e m i c a la n a l y z e ll p c 2 12 4 ，e m b e d e ds y s t e m ，a d s ， b i o c h e m i c a lt e s t ，a n t i - d i s t u r b i n g i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 年么月么日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密以 磐罕 了 ，玑烈 囝 轹 汨 别 7再p广广丁 师 月 教 o 导 一1 1 熊 年 出引唧 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过后作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 ，肇j年 窆二 j 2 期 ： 日 名7 签 鼬，一吖 作 文沦位学 江苏大学硕士学位毕业论文 1 1引言 第一章绪论 生化检验是医生确定病人病情的重要手段之一，通过对人体体液( 血液、尿液 等) 的检验可以测定其中的各项生化指标，如转氨酶、血糖血脂、尿素氮、淀粉酶、 免疫球蛋白等。当人体某些肌体组织发生病变时，病人体液中的生化指标将会出 现变化；因此，常规生化指标的分析成为当前医疗检测的重要手段，对于肝、肾、 心血管疾病及糖尿病的诊断尤为重要。生化分析仪就是用于测定人体体液的各种 生化指标的分析仪器，它可以准确、快速地为医生和化学检验人员提供检验数据， 在临床诊断和化学检验中具有重要作用i 卜5 1 。 1 2国内外的分类以及研究现状与趋势 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 o a n a l y z e r ，它是一台单通道、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， 此后世界上许多著名的公司都相继研制成功了自己的全自动生化分析仪，如美国 的贝尔曼公司、日本的日立公司、岛津公司、德国的拜尔公司等等【6 】，这些公司 的各种自动生化分析仪产品都已经经历了几代的更新，在分析精度和检验速度方 面都得到了不断的提高。 近几十年来，随着科学技术尤其是医学技术的发展，各种生化分析仪器也取 得了飞速的发展，可以从不同的角度进行分类。 按照结构形式来分，可分为连续式、离心式、分立式和干片式四种1 7 j 。按自 动化程度来分，生化分析仪可以分为全自动和半自动两种。按仪器同时测定的项 目分，可分为单通道和多通道两种。单通道型的生化分析仪，每次进样只能测定 一个项目，多通道的一次进样可以同时测量多个项目。按仪器复杂程度来分，可 以分为大型、中型和小型三种l 引。 半自动生化分析仪是指在分析过程中的部分操作( 如血清分离、加样、添加试 剂等步骤) 需手工完成，而其余步骤则可由仪器自动完成。这类仪器的特点是体积 江苏大学硕士学位毕业论文 小，结构简单，灵活性大，既可分开单独使用，又可与其他仪器一起配合使用， 价格便宜，一般在分立式分析仪中常见。 全自动生化分析仪【9 】，从加样至出结果的全过程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，选用程序，开动仪器等待片刻就能获取 检验报告。由于分析中没有手工步骤，故主观误差很少，且由于这类仪器一般都 具有自动报告异常情况，自动校正自身工作状态的各个功能，因此系统误差也较 小，给使用者带来很大的便利【l o 】。 半自动生化仪同全自动生化仪相比，在操作过程中虽然依赖手工混合试剂和 样品，但测量过程完全是由仪器完成的，同样可以保证测量的准确性。同时由于 其价格低廉、灵活方便、运行费用低，特别适合大中型医院病房、急诊化验，小 型医院、防疫站、计划生育服务站等门诊化验。同时这类仪器一般不受试剂、方 法的限制，国产试剂、自己配置的试剂及自行设计的方法均可在仪器上进行检测， 而且由于仪器的体积小、重量轻、操作方便、反应迅速，尤其适合中、小型检验 单位作为同常生化检测的主要仪器，也适用于作急诊生化检测或外出执行任务时 使用。 目前，国内外诊断技术趋于两极化发展f l l 】，一种是高度集成、自动化的仪器 诊断，向大型、多通道、全自动方向发展，以适应大中医院工作量大、速度快、 精度高、测定项目多的要求；另一种是简单、快速便于普及的快速诊断，向小型、 单通道、分立式、可编程自动化的方向发展，以适应中小医院的工作需要。而后 一种诊断方法更符合社会发展的需要。目前我国生化分析仪生产水平较低，仅限 于半自动和刚刚起步的小型全自动生化仪的生产，难以满足临床检验的需求。国 内大中医院均耗巨资购买进口全自动生化分析仪，因价格昂贵，难以在一般中小 医院普及。本课题定位于上述生化分析仪的第二种发展方向，研究的就是一种开 发功能较强、性价比高、操作方便，反映快小型半自动生化分析仪，极大提高了 仪器的一体化程度，尤其适合中小型检测单位或医院作为日常生化检测的主要仪 器，也可用作急诊生化检测。在提高国产仪器的竞争力，适应广大中小型医疗部 门的临床需要方面，具有重要的意义和实用价值。 2 江苏大学硕士学位毕业论文 1 3 本文研究的意义和主要内容 生化分析仪自2 0 世纪5 0 年代末面世以来，发展十分迅速。它可用于药品、 水质、食品和临床分析等领域。在临床分析方面，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如血红蛋白、胆固醇、转氨酶、葡萄糖、淀粉酶、 尿素氮、白蛋白、无机磷、尿酸、钙等进行分析。由于生化分析仪可以给医生提 供受检者的综合性信息，近些年来，生化分析仪成为临床分析最重要的检验仪器 专一【1 2 】 ，o 0 近些年来，临床实验室迅速发展，i 临床检验技术将迅速达到敏感，特异，准 确，快速，安全的水平。检验仪器的自动化，检验方法和标准化和实验室管理的 科学化进程越来越快。随着临床检验仪器向着机械化、自动化、精密化和简单化 的方向发展，一些高灵敏度、多功能、高智能化的检测仪器不断涌现并被广泛应 用。生物技术和i t 技术在未来将融合得更加紧密。自动生化分析仪的开发完全模 仿并代替了手工操作。不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，稳定了检验 质量。由于这类仪器一般都具有灵敏、准确、快速、节省和标准化等优点，使得 生化分析仪在临床生化分析中得到了广泛应用也具有重要的研究意义。 生化分析仪是医院临床分析不可或缺的一种检验仪器。但由于我国医疗器械 产品总体水平落后，国内只有为数不多的几家半自动生化分析仪厂家，全自动生 化分析仪目前仍处于技术不全面状态。国内生化分析仪的市场基本上由国外大公 司所独占，国内生化实验室采用的基本上是进口的产品。开展自动生化分析仪的 研究，对于提高我国分析仪器的研究、设计和生产水平具有重大的作用和意义1 1 3 】。 本课题侧重从系统总体设计、硬件设计、软件设计及性能测试与改善四个方 面对仪器进行了分析、设计、调试和改进。本文完成的工作如下： 1 、分析生化分析原理，生化测试基础，讨论生化分析仪的控制系统方案，根 据生化分析仪所要达到的性能指标，设计生化分析仪控制系统的总体结构，对硬 件和软件功能做了合理的分配。 2 、医学检验仪器多属于精密仪器，为改善低浓度试剂信号的信噪比，提高信 号采集的准确性，设计增益信号调理电路，提高生化分析仪的分析精度。以 l p c 2 1 2 4 为核心，实现生化分析仪的硬件设计，完成硬件平台，接口模块，信号 调理模块的开发和设计，并使系统具有一定的抗干扰能力。 江苏大学硕士学位毕业论文 3 、完成生化分析仪控制系统的软件设计。选用c 语言进行软件程序的编写， 选用a d s l 2 开发调试环境进行开发。在设计中采用模块化程序设计思想，根据 系统的功能，将软件分成若干个独立的模块，包括显示模块、键盘模块、数据存 储模块、时钟显示模块、m d 转换模块、数据处理模块、温度控制模块等。各个 程序模块分别进行设计，编程和调试。最后把各个调试好的程序模块连成一个完 整的程序。 4 、生化分析过程分为两步进行处理，第一步，求取各个生化反应的反应吸光 度；第二步，综合各个反应吸光度信息进行浓度的分析，对生化进行校准，则是 由各标准液的反应吸光度通过多点校准，修正工作曲线，对生化测试是把反应吸 光度代入曲线中计算待测指标的浓度。 5 、对调试遇到的问题进行总结，在前面的基础上，讨论生化分析仪下一步需 要改善的地方和未来研究和开发的方向。 1 4本章小结 本章介绍了生化分析仪的国内外的发展现状和发展趋势，讨论了生化分析仪 的研究意义和价值，明确了生化分析仪系统的研究目标和主要研究的内容。 4 江苏大学硕士学位毕业论文 2 1引言 第二章生化分析仪的原理和结构 在本章中，我们通过对生化测试一般原理的分析，总结了生化分析仪的原理， 同时比较几种常见的生化分析方法，并通过对生化分析仪结构的分析，描述了各 部分的功能。 2 2 生化测试基础 2 2 1 生化分析的原理 生化分析仪是属于光学式分析仪器，它是基于物质对光的选择性吸收原理， 即分光光度分析法。分光光度法是绝大多数生化分析仪所采用的一种检测方法， 它是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的方法，属于 分子吸收光谱分析法。它以分子吸收某一波长的光为基础，表现为分子的吸光度 值( a ) 与波长( 九) 的函数关系，分光光度分析法的依据是朗伯一比尔定律【1 4 1 ，它以被 测物质分子吸收某一波长的单色光为基础。其测量原理如图2 1 所示。 分光光度法的原理是：单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的 单色光通过盛有样品溶液的比色池，样品的吸光度与样品溶液浓度和光通过的距 离( 即光径) 成正比。光电转换器将透射光转换为电信号，此后经信号处理系统处理， 可得到样品溶液的浓度。当光通过盛有样品溶液的比色杯时，吸收的强度与溶质 浓度和光通过的距离有一定的关系。 刖 光 置 光 单比电 学 -色 色探 系 器杯 测 器 统 图2 1分光光度法的原理图 布格( b o u g u e r ) 和朗f a ( l a m b e r t ) 在1 7 2 9 年和1 7 6 0 年阐明了光辐射强度和吸收 江苏大学硕士学位毕业论文 层厚度的关系，1 8 5 2 年比尔( b e e 0 3 l 提出光辐射强度和吸收物浓度也具有类似的 关系，布格一朗伯一比尔定律的数学表达式为【1 4 】： 么= 1 分l = l g 亍1 = 6 b c ( 2 1 ) 式中： a 光通过介质被介质吸收的吸光度 t _ 透射光强与入射光强之比即透光率 。入射光强度 透射光强度 介质摩尔吸光系数( m l m o l 。1 c m 。1 ) c - 吸收物的摩尔浓度( m l m 0 1 ) 卜吸收层厚度( c m ) 上式表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中吸收物 浓度和光通过的距离成证比。半自动生化分析仪就是通过检测样品对某种单色光 的吸收程度，以及反应过程中吸光度的变化来计算样品中待测成份的含量。但上 式是以下列条件为前提： ( 1 ) 吸收过程中各物质无相互作用，但各物质的吸光度具有加合性； ( 2 ) 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光、散射和光化学现象； ( 3 ) 吸收物是一种均匀分布的连续体系。 2 2 - 2 生化分析的步骤 生化测试是在生化样品中加入分析试剂进行反应，连续监测反应过程中吸光 度的变化，通过分析吸光度变化情况进行生化分析，求取待测生化指标浓度。一 个完整的数据分析过程，要经过两个步骤：首先，监测生化反应过程的吸光度变 化，获取生化反应曲线，取得反应吸光度；其次，由反应吸光度求取生化指标的 值【1 5 1 。 6 江苏大学硕士学位毕业论文 2 2 3 生化分析的方法 在不同的生化反应中，反应吸光度的求取方法也不同。根据不同的反应曲线 特点即形成复合物的速度特点，一般把测定的方法分为终点法、速率法、双波长 法和两点法【1 6 - 1 引。 ( 1 ) 终点法是使用一种或两种试剂，当样品和试剂混合后，待测样品与试剂的 物理化学反应到达终点时，测一次吸光度，来计算待测样品的浓度。在利用终点 法进行定量分析时分别需要对空白、标准和待测样品三个试样进行测量，得到三 个吸光度值，分别为：如白、如准和如涮样品；然后按照式2 2 计算得到待测样品 浓度。 c 特测样品= c 标准( 如测样品一每自) ( 如准一红自) ( 2 2 ) 式中4 白：n 毫升蒸馏水加入到m 毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间 后，反应液的吸光度； 氏准：n 毫升标准液加入到m 毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时问后， 反应液的吸光度； 雒测样品：1 1 毫升待测样品液加入到m 毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时 间后，反应液的吸光度： c k 准：试剂盒中标准液的给定浓度。 n ，m 的数值由试剂盒给定，或者根据试剂盒按比例确定。反应温度和反应时 间也由试剂盒给定。 不难看出，终点分析法中，血清中待测物质的含量和反应液的最终吸光度成 正比，而与反应过程无关。它属于分析化学中的标准对照法。在应用时应注意试 剂空白的测量，一般当参比溶液选择蒸馏水时，如果采用上式进行计算，要先计 算试剂空白的吸光度，然后再从标准和待测样品反应液吸光度中扣除。也可以直 接采用试剂空白作为参比溶液，检测吸光度，即可认定生白为0 。 ( 2 ) 速率法是和终点法相对应的，适用于酶活性和代谢物检测，多有酶的参与。 通过测定单位时间内样品和试剂的吸光度变化来测定酶的反应速率。原理是在酶 7 江苏大学硕士学位毕业论文 反应的最佳条件下，用物理、化学或酶促反应的分析方法，在反应速度恒定期( 零 级反应期) 来连续观察和记录一定反应时问内底物或产物量的变化，以单位时问 酶反应初速度计算出酶活力的大小和代谢物的浓度，计算方法为： e = a a m i n x f( 2 3 ) 式中：e 一待测样品的浓度；a a m i n - - 御l j 样品的吸光度变化率，由线性 回归得到；，一常数，由用户所选择的试剂给出( 因素值) 或由仪器测量标准样 品得到： f = _ 二笾l 一 ( 2 4 ) 1 ( a a m i n ) s m p 叫 式中：一标准样品的浓度值；( a a m i n ) s 巾一标准样品的吸光度变化率。 ( 3 ) 双波长测定方法，其原理是检测待测样品的吸光度时，同时用两个波长检 测，用主波长的吸光度减去副波长的吸光度，并与标准样品比较，计算待测样品 的浓度，即： e = ( 4 2 4 ，) f ( 2 5 ) 式中：4 。一待测样品在副波长下的吸光度；4 ：一待测样品在主波长下的吸 光度；f 一常数，由用户所选择的试剂给出( 因素值) 或由仪器测量标准样品得 到： f ： g z 塑 彳一钿 ( 2 6 ) 式中：a 。m 一标准样品在副波长下的吸光度；，一标准样品在主波长下的 吸光度双波长法不仅可以有效地校准样本的混浊、溶血、黄疸等，还可对电源波 动有补偿效果。 与单波长法不同，双波长法具有排除来自样品内部干扰和降低吸收池误差的优 点。正是因为双波长法有着单波长法无可比拟的优点，在许多临床生化检验试剂 盒中，都同时给出了单波长法和双波长法两种检验参考波长。 ( 4 ) 两点法也称固定时间法，其主要针对某些代谢物( 而不是酶) 的测定，包 括有工具酶参与的动力学反应，以及少数具有典型动力学特征的化学反应。其测 江苏大学硕士学位毕业论文 定方式是监测比色池内反应溶液在前后两次时间间隔内的吸光度变化值。在测量 时间内不需要作线性监测，也不需要计算每分钟吸光度变化率。这种方法的优点 是可以消除样品、试剂的颜色、浊度以及一些干扰物质对测定的干扰。在样品与 试剂混合后，延迟一定的时间读取4 ，( 某一时刻的吸光度值) ，隔一定时间后读 取4 ：( 另一时刻的吸光度值) ，计算：以= 4 ：- a , 。，然后与标准样品比较，求 得待测物的浓度，即： e = ( 4 ：一a s 。) f( 2 7 ) 式中：4 ，一待测样品的第一点吸光度；a s ：一待测样品的第二点吸光度；f 一 常数，由用户所选择的试剂给出( 因素值) 或由仪器测量标准样品得到： f ：粤 ( 2 8 ) 铀一乓秘 、。 式中：钿一标准样品的第一点吸光度；：一标准样品的第二点吸光度。 2 2 4 工作曲线与工作方程 工作曲线是反应吸光度随生化项目浓度变化关系的曲线【1 9 】。工作方程是工作 工作曲线反映的生化项目浓度与反应吸光度的函数关系式。一般认为，工作方程 是线性函数a = k c + b ，一个典型的工作曲线如图2 2 所示。其中b 是空白吸光 度，对应浓度为0 ( 蒸馏水) 时，加入试剂后的吸光度。对曲线上的任一点，曲线的 横坐标对应浓度为c l ，纵坐标对应反应吸光度a l 。 住毯 米 整 词 呕 a 1 b 图2 2工作曲线图 9 江苏大学硕士学位毕业论文 2 2 5 生化校准 生化校准是通过测试已知浓度的标准物来确定工作曲线的过程。按照校准的方 法可以分成两点线性法、多点线性法、一点线性法。 与生化测试过程中的错误值影响一次测试不同，校准过程中的错误将通过工作 曲线参数的形式记忆下来，从而影响以后所有生化测试的结果，直到下一次校准 才终止。所以，校准过程的正确性尤其重要。为了尽可能避免记忆错误的校准结 果，每次校准都进行两次重复实验，只有完全合格的数据才被接受。 2 3 半自动化生化分析仪的结构 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和受试者联系起来1 2 02 。对于半自动生 化分析仪而言，在加样品、加试剂、混匀等操作上，需要手工完成。而另一部分 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。生化分析系统结构框图如图2 3 。 a r m 7 微处理器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，蠕动泵由步进电动机带 动来吸取测试液进入比色池，及测试后排除废液，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 钨灯发出的光中滤出不同波长的单色光，以满足不同试剂的需要。为纠正因步进 电机失步造成的滤光片位置偏差，安装有光电位置的零位检测器，滤光盘每转动 一周进行一次位置校准。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常温、2 5 0 c 、3 0 0 c 及3 7 0 c ，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、放大器和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， 1 0 江苏大学硕士学位毕业论文 经过放大后进行检测，再根据预定的方法如终点法、两点速率法和动态法等进行 数据的处理，分析，得出检验结果。人机交互系统包括键盘、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。 2 4 本章小结 图2 3系统结构图 本章讲述了生化分析仪的相关知识，介绍了生化分析的基础，分析测试基础， 讲解了生化分析的步骤和过程，并详细介绍了几种主要的生化分析方法，并对几 种方法的使用进行比较。 根据生化分析仪器的需求，对仪器进行了系统总体的结构设计，提出了以 a r m 7 为核心的控制系统，并对系统的各部分做了详细的规划。 江苏大学硕士学位毕业论文 第三章半自动生化分析仪的硬件设计 现有的半自动生化分析仪多以一片或多片8 位单片机为主控制器，控制各功 能模块，协调各部分的工作，再以一台p c 机作为上位机进行数据管理。为满足我 国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p h i l i p 公司的l p c 2 1 2 4 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、数据采集系统和人机交 互系统等进行控制，对整个分析工作进行调控。 3 1 嵌入式处理器l p c 2 1 2 4 简介 在设计生化分析仪器时，根据控制任务的复杂程度和可靠性、精度等指标要 求选择了一种性价比合理的m c u 。p h i l i p 公司的l p c 2 1 x x 系列，从运行速度、 片内资源、扩展能力、保密性和特殊功z f j l 匕l - , ( 包括可靠性、功耗、掉电保护、故障监 视等) 等方面考虑，能很好的满足本系统的设计要求。 l p c 2 1 2 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的 微控制器，并带有2 5 6 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和 独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制 的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 由于l p c 2 1 2 4 较小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、4 路l o 位 a d c 或8 路1 0 位a d c 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗 系统、访问控制和p o s 机。 l p c 2 1 2 4 支持多种通信接口，包括u a r t 、1 2 c 和s p i 等通用的串行接e l ，对 于m c u 的外围接口部分设计极为方便、灵活。它对嵌入式的f l a s h 存储器支持 j t a g 、i s p 和i a p 等多种编程方式，这对终端的调试和远程自动升级的设计是极 为方便的【2 2 1 。 l p c 2 1 2 4 是一款工业级嵌入式微控制器，6 4 脚l q f p 封装，芯片面积仅 1 0 m m x l o m m ，图3 1 所示为其方框图【2 3 】。 1 2 江苏大学硕士学位毕业论文 酎j 甜1 ：目1 哥l 茸：。善 0l o 久i一 ，晏l i r 、 i l - i = lvj 赳z 上h ll 卜t 卜_ t 呵一卜f t 测试和调试拔n协 1 r1 且 i p l lw t 系统功能 f r a r m 7 t d m i s， 踪 模 人r m 7 t 【】) 部总线， a t m 桥块l 白曼r ，t 他c 雎l 皿 ： ：j ii ”“ ji 内部s r a m内部f i 。a s h j 奠j 盒徽然线 、 r 控制器控制器 ： 一 i ji 1 6 k2 5 6 k 1 r s r a mf a l s h l1r a h b 译码器 a h b t o v p bv p b 桥分频器 e n 寸t o 宰j v p b ls c i ， e e i i n n t t 2 i + * = j 二i j , b 部, - b l l l i 1 i c 串行接1 2 1i 二s d a * - f i n i t z + ：l s f 、l ( 幸 c a p o 8 2 1 1 捕获比较 二m o s i + 二 举俅8 t i g - t l o 1 s p i 串行口 捌l s ( ) + 二 s s e i 。+ a d c 0 3 a n r lt x d l l 一u a k j u r x d + j 0 3 0 ：0 一 t x d 一r x i ) j 1 3 l ：1 6 通用l o u a r t l 渊制解谣 登制( 6 p i n p w m 6 ：1 i p w m n 看门狗定时器 实时时钟 系统控制 1r + 与g p i o 共用。 当使用测试调试接口时，共用这些引脚的g p i o 其他功能都不可用。 图3 1l p c 2 1 2 4 方框图 l p c 2 1 2 4 的典型特征： 1 6 3 2 位6 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器； 1 6 k b 静态r a m ； 可加密：全球首个实现可加密的a r m 微控制器； 2 5 6 k b 片内f l a s h 程序存储器( 在工作温度范围内，片内f l a s h 存储器至 少可擦除和写1 0 ，0 0 次) 。1 2 8 位宽度接n ；自n 速器实现高达6 0 m h z 操作 频率； 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( 1 a p ) 。f l a s h 1 3 江苏大学硕士学位毕业论文 编程时间：l m s 可编程5 1 2 字节，扇区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s ； e m b e d d e di c e l 盯接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内 r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行； 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗； 多个串行接i - 3 ，包括2 个1 6 c 5 5 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口； 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率； 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； 多达4 6 个通用i o 口( 可承5 v 电压) ，9 个独立外部中断引脚( e i n 和 c a p 功能) ： 片内晶振频率范围：1 一3 0 m h z ； 2 个低功耗模式：空闲和掉电； 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗。 3 2l p c 2 1 2 4 控制器的外围电路的设计 硬件设计的任务就是根据系统的设计要求，在所选定的单片机和元器件的基 础上，设计出系统的电路原理图。还包括结构设计、印刷板设计等。在必要的时 候作一些部件实验，以验证电路图的j f 确性。 本系统的主体框图如图3 2 所示，m c u 的外围电路主要有以下几个部分构成： 1 、最小系统部分。包括：l p c 2 1 2 4 、复位电路、晶振电路和电源电路。这些 是完成系统功能的必要组成部分，其主要作用是保证系统的各部分能订三常的工作， 然后m c u 根据外围电路的动作，进行必要的处理以及执行相应的命令； 2 、j t a g 电路。它的主要功能是实现l p c 2 1 2 4 控制器程序的写入，并可以在 线调试； 3 、调理和控制电路。这部分电路主要包括光强的控制、温度的控制、液路的 控制； 4 、前端数据采集和调理电路。这部分包括光强的采集和温度的采集，以及光 1 4 江苏大学硕士学位毕业论文 信号和温度信号的采样处理； 5 、其他部分。包括存储电路、 时钟。 液晶显示、键盘电路、打e p 木r j l 电路以及实时 l 嘿乎l _ o 辱= d 电源模块 j 西荔 y 多路 。i i，一 a d一i 辱= 刊 复位系统 瓦习卜 转换 刑。 l 传摹器l = = 纠l c 。液晶显示 主控m c u ，亨矗善r h 啦 一 卜 辞= 刊 键盘输入 竹i 咱。己口日 ny 打印机 k a r m 7 = = 刮滤光箍步进电机 立时时钟 卜 l p c 2 1 2 4 二二刮吸液步进电机 ：芪1 4 1 1 4 】f i - n 重倍龄调“= = 纠 光源控制 令7 l u l - 丑伙， i - i j ia 单 圈 = 二纠 温度控制 i 、j 3 _ 2 1 电路最小系统 图3 2 系统主体图 ( 1 ) 电源模块 电源是整个系统工作的基础，稳定的电源是整个系统稳定工作的前提条件。 根据选定器件，需要1 2 v 、+ 5 v 、3 3 v 、1 8 v 几种电源。l p c 2 1 2 4 内核工作电压 为1 8 v ，外设工作电压为3 3 v ，一些外围接口电路以及帕而贴需要+ 5 v 电压， o p 0 7 需要5 v 电压，而电机驱动芯片需要的电压是1 2 v ，因此设计了图3 3 所示 的电源方案。 图3 3 电源模块示意图 1 5 江苏大学硕士学位毕业论文 7 8 0 5 是5 v 的稳压电源模块，输入电压可以在8 1 8 v 内波动，输出可以稳定 在5 v 。在输出端并联了0 1 u f 和2 2 0 u f 的两个滤波电容，以便能得到更稳定的电 源。整个系统设计了半导体加热致冷元件帕尔贴实现对温度进行控制。 由于帕尔贴需要较大的电流，所以单独用5 v 的电源供电。为了得到3 3 v ，1 8 v 电源，选用了s p x l l l 7 系列l d o 芯片，其输出电流大，输出电压精度高，稳定 性好，输出电流可达8 0 0 m a ，输出精度在j 下负l 以内，还具有电流限制和热保 护功能，广泛的用于嵌入式系统和工业控制等领域。具体的电路图如图3 4 。 叫出，中苟t t 们 图3 4 电源模块电路图 ( 2 ) 复位电路 微控制器在上电时状态并不确定，将造成微控制器不能正确工作。解决这个 问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的 状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微控制器在上电复位时自 身会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。图3 5 为简单的复 位电路，这个电路成本低廉，为了能保证任何情况下都产生稳定可靠的复位信号， 图3 5 复位电路 所以一般场合需要使用专门的复位芯片。如果系统不需要手动复位，则可以选择 m a x 8 0 9 ，如果系统需要手动复位，则可以选择m a x 7 0 8 s 1 2 4 1 。复位芯片的复位门 1 6 江苏大学硕士学位毕业论文 槛选择至关重要，一般应当选择微控制器