（检测技术与自动化装置专业论文）基于ATmega64的电解质分析仪的研究.pdf

江苏大学硕士学位毕业论文 摘要 电解质分析仪是一种检测人体内电解质的临床检验设备，主要 用于检测人体血液或尿液中k + 、n a + 、c 1 、c a 2 + 的浓度以及p h 值。 人体内的电解质在人体的正常活动中起着重要的作用，准确而快速 地检测体内电解质异常变化的情况，能够为病人病情诊断提供重要 的科学依据。针对国内外电解质分析仪发展不平衡的现状，本文提 出基于a t m e g a 6 4 的电解质分析仪的研究。 研究了临床电解质的检测原理，并且详细阐述了电解质分析仪 的检测原理离子选择性电极法。另外，根据行业标准提出了电 解质分析仪的总体提设计方案，同时，描述了电解质分析仪的检测 过程。 系统硬件设计以a t m e l 公司推出的高性能a v r 系列微处理器 a t m e g a 6 4 作为核心搭建了电解质分析仪硬件电路，详细介绍了电解 质分析仪各个功能模块的接口与控制方法。在液路控制中，用电磁 阀与蠕动泵代替分配阀的设计克服管路容易堵塞，引起交叉污染的 问题。为提高硬件系统的抗干扰能力，还阐述了硬件抗干扰设计原 则。 提出以程序设计模块化为原则，超级循环为框架，调度器为简 易操作系统，并且始终贯穿多级任务与多状态任务的软件设计思 想。并根据此思想，详细设计了各个功能块软件，保证了系统软件 高效率运行。 t 江苏大学硕士学位毕业论文 最后，通过系统调试以及对比实验验证电解质分析仪的性能。 结果表明所设计的电解质分析仪符合行业标准，性能稳定，检测精 确度高，达到设计要求。 关键i 百- - - j ：电解质，离子选择性电极，电磁阀，a t m e g a 6 4 ，调度器 江苏大学硕士学位毕业论文 a bs t r a c t t h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e ri sac l i n i c a lt e s t i n ge q u i p m e n to fd e t e c t i n g t h ee l e c t r o l y t e si nh u m a nb o d y , m a i n l yf o rd e t e c t i n gt h ec o n c e n t r a t i o no f k + ，n a + ，c i ，c a 2 + a n dp ho ft h eb l o o da n dt h eu r i n e i nt h en o r m a l a c t i v i t i e so ft h eh u m a nb o d y , e l e c t r o l y t e si nt h eb o d yp l a ya ni m p o r t a n t r o l e t h ep a t i e n t sc o u l db ep r o v i d e dt h es c i e n t i f i cb a s i sf o rd i a g n o s i s ，a s a c c u r a t e l ya n dq u i c k l yd e t e c t i n gc h a n g e so ft h ea b n o r m a l i t i e si nb o d y e l e c t r o l y t e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e ri m b a l a n c e a th o m ea n da b r o a d ，t h es t u d yo ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e rb a s e do nt h e a t m e g a 6 4i sr e l e a s e d t h ep r i n c i p l e so fc l i n i c a ld e t e c t i o no fe l e c t r o l y t e sa r ei n t r o d u c e d ，a n d t h ed e t e c t i o np r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e r , t h ei o n - s e l e c t i v e e l e c t r o d em e t h o di si l l u m i n a t e di nd e t a i l i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n g t o i n d u s t r ys t a n d a r d st h eo v e r a l ld e s i g no ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e ri sp u t f o r w a r d a tt h es a m et i m e ，t h ep r o c e s so f t e s t i n ge l e c t r o l y t e si sd e s c r i b e d t h eh i 曲一p e r f o r m a n c e m i c r o p r o c e s s o r , a t m e g a 6 4 ，p r o d u c e db y a r m e lo ft h ea v rs e r i e si su s e da st h ec o r et os t r u c t u r et h eh a r d w a r e c i r c u i to ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e r a d d i t i o n a l l y , t h ei n t e r f a c ea n dt h e m e t h o d so fc o n t r o l l i n go ft h ev a r i o u sb l o c k sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h e d e s i g no ft h ep i p e l i n e c o n t r o l l i n g ，t h ep r o b l e ma r i s i n g f r o mc r o s s c o n t a m i n a t i o n ，u s i n gt h e d i s t r i b u t i o nv a l v ei so v e r c o m eb yu s i n gt h e i i i 江苏大学硕士学位毕业论文 e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n dt h ep e r i s t a l t i cp u m p t oe n h a n c et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h eh a r d w a r es y s t e m ，t h ed e s i g np r i n c i p l e so fa n t i j a m m i n g h a r d w a r ei sd e s c r i b e d t h es o f t w a r ed e s i g ni d e a so fm o d u l a r - p r o g r a m m i n g ，t h es u p e rc y c l e a saf r a m e w o r k ，t h es c h e d u l e ra sas i m p l eo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dt h r o u g h m u l t i l e v e lt a s k sa n dm u l t i s t a t et a s ki sp u tf o r w a r d a n di na c c o r d a n c e w i t ht h i st h i n k i n g ，t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h ev a r i o u sf u n c t i o n a lb l o c k so f s o f t w a r ee n s u r e st h es o f t w a r ew o r k i n ge f f i c i e n t l y f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e ri sv a l i d a t e db y t h es y s t e md e b u g g i n ga n dt h ec o m p a r i n g - e x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee l e c t r o l y t ea n a l y z e rw i t hs t a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g ha c c u r a c y t e s t i n g ，m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dt h ei n d u s t r y - s t a n d a r d k e yw o r d s ：e l e c t r o l y t e ，i o n s e l e c t i v ee l e c t r o d e ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e ， a t m e g a 6 4 ，s c h e d u l e r 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、 缩印或扫捕等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密文 学位论文作者繇7 弓 旧年6 月7 日 指导教师签名铂、暄辱 叩年石月7 日 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，均己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。 学位论文储虢得 日期少笋多月7 曰 江苏大学硕士学位毕业论文 1 1引言 第一章绪论 人体内含有各种无机物以及有机物物质，这些物质又可以分为电解质与非 电解质。电解质有n a + 、c a 2 + 、k + 、m g + 、c 1 。、h c 0 3 。、s 0 4 厶、h p 0 4 2 - 以及其 他有机酸及其衍生物，如氨基酸、蛋白质等，非电解质有葡萄糖、尿素、肌酐 笙【卜1 0 1 可 。 其中，电解质对于人体神经的j 下常应激性、酶的催化作用、保持体液酸碱 平衡、维持渗透压等起着重要作用，保持体液中电解质的恒定对维持人体正常 机能是极其重要的【1 1 。1 2 1 ： k + 是细胞内液最主要的阳离子，在细胞间起最初的缓冲作用。9 0 的k + 在 细胞内，损坏的细胞会释放k + 到血液中。k + 在神经传导，肌肉功能，保持酸碱 平衡与渗透压方面起着重要的作用。 n a + 是细胞外液中最主要的阳离子。其对人体的主要功能是通过化学作用维 护渗透压，酸碱平衡以及传递神经冲动。n a + 的功能是调节细胞膜内外的电位差 以维护神经元兴奋传导。n a + 还作为因子参与一些酶催化反应。人体内n a + 一直 维持基本平衡，即便病理情况下一些细微的变化也会察觉【1 1 。 c l 是存在于细胞外的最主要的阴离子。通过它影响细胞的渗透压，在监测 酸碱平衡与水平衡中也起重要作用【。 血液中的c a ：+ 在肌肉收缩，心脏的功能，传送神经冲动与血凝这样的重要 过程中起重要作用1 。 因而，检测人体内电解质发生异常变化的程度可以作为病人临床诊断的重 要依据。 1 2电解质检测方法 临床诊断中，k + 、n a + 、c i 。、c a 2 + 的定量分析最重要。测定人体的电解质 通常是检查血液，以血浆( 血清) 代表细胞外液1 3 】。除了可以通过检测血液来 江苏大学硕士学位毕业论文 测定人体中电解质的浓度，还可以检测尿液来测定电解质的浓度。电解质存在 于人体，也是从每日的食物中摄取，再通过肾脏系统排泄到尿液中，从排泄物 尿液中检测电解质，可以了解肾脏的状况与其它的病理状况等重要信息。 如何准确有效地检测血液与尿液中的电解质是将电解质异常变化的情况应 用于医学诊断的f i 提与关键，本节将介绍电解质的检测方法。 1 2 1传统电解质检测方法火焰光度法 火焰光度法是临床检验对电解质检测的传统方法。 火焰光度法是用火焰激发被测元素，并通过光电系统测量被激发元素所产 生的谱线强度来测量元素含量的一种离子浓度分析方法f 1 4 1 。 火焰光度法是发射光谱分析法中的一种，当样本溶液经雾化装置化为细雾 送入喷灯的火焰中燃烧时，由于原子被火焰的热能所激发，发射出辐射线。当 外层电子排布方式具有最低能级时，原子处于基态；原子受外界能量激发时， 外层电子吸收一定能餐跃迁至更高的能级上，原予即处于激发态。而被激发的 电子是很不稳定的，当它们由较高的能级再返回到较低的能级时，就放出一定 的能量而产生各种具有固定波长的谱线。每一种元素都有自己的特征光谱，因 此，根据某一元素谱线的出现，就可以判定该种元素的存在；而谱线的强度与 元素含量之间在一定范围内具有一种简单的蛹数关系： i = a c 6 ( 1 1 ) 式中：i 为元素的谱线强度，a 和b 在一定的实验条件下为常数，a 与激发 条件、溶剂组成、仪器性能等有关，b 为谱线的自吸收系数，当元素的含量较 低时，b 值接近于l ，含量较高时，b 值小于1 ，c 为元素含量。 产生自吸现象的原因，是由于在激发过程中，火焰中心高温部分原子被激 发的电子，在由高能级返回较低能级时所放出的能量，一部分被火焰外围较冷 原子所吸收，这种现象称为谱线的自吸。自吸的结果，降低了谱线的强度。元 素的含量愈高，辐射愈强，这种自吸现象也就愈显著，b 值也愈小。当元素的 含量较低时，b 值接近于1 ，因此，式( 1 1 ) 可改写为： i = 口c ( 1 2 ) 即谱线的强度与元素的含量呈线性关系。 2 江苏大学硕士学位毕业论文 由于火焰光源的能量较低，因而所能激发的元素种类有限，出现的谱线也 较少，情况比较简单，用一种适宜的滤光片就可以把一种元素的谱线简易地分 离出来。使选择出的被测元素的谱线投射在硒光电池上，就可以检测检流计所 产生的光电流。光电流的大小取决于谱线的强度，而谱线强度直接与被测元素 的含量有关，这就是火焰光度法的简单原理。 在临床的电解质分析过程中，火焰光度法不仅需要使用压缩气体与可燃气 体，而且还必须先分离血液样本，得到血清后再稀释才能测定【】。并且由于检 测原理的限制，其检测的方便程度、精确度与离子选择性电极法有一定差距。 1 2 2现代电解质检测方法离子选择性电极法 离子选择性电极法可以直接测定血液样本与尿液样本，无需稀释，分析速 度快，测量准确度高，样品用量少。 离子选择性电极法利用膜电势来测定溶液中离子浓度。电极内含有已知离 子浓度的电极液，通过离子选择电极的敏感膜与被检测样本中相应离子相互渗 透，从而在膜的两边产生膜电势，样本中离子浓度不同，产生的电势信号的大 小也不同，通过测量电势信号大小就可以测定样本中离子的浓度。这个电势和 离子浓度的关系符合n e m s t 方程【1 3 1 ： e ：坚l n 鱼 ( 1 3 ) z 壬? c 2 式中：e 为电势，r 为气体常数( 8 3 1 4 3j ( k m 0 1 ) ) ，t 为绝对温度( k ) ，f 为法拉第常数( 9 6 4 8 5c m 0 1 ) ，z 为离子电荷数，c l 为溶液中离子的浓度，c 2 为 电极内离子的浓度。 根据上述基本原理只要把特定的离子选择性电极组合在一起就可以实现对 溶液中各种离子浓度的测量。 目前，离子选择性电极还无法测到其电位的绝对值，一般都是指定一个电 极电位相对不变的电极作为标准，即可测量其他电极的电位。国际纯粹和应用 化学联n ( i u p a c ) 选定“标准氢电极”作为比较标准，规定标准氢电极的电位为 零，其他各种电极的电位均是在标准状态下以其为标准测定的。由于标准氢电 极对使用条件要求严格，制备不方便而未能普遍。因而，使用较普遍的参比电 江苏大学硕士学位毕业论文 极是甘汞电极【1 2 。 另外，离子选择性电极是一种比较脆弱的传感器，容易受到温度等因素的 影响，产生零点漂移。故在测量样本前，需要系统定标，克服零点漂移，提高 测量精确度【15 1 。 仪器启动后，分别测量特定离子浓度已知的a 标准液与b 标准液电位。根 据n e r n s t 方程求出各个特定电极的实际斜率s l o p ： 观卯= l g ( c 丘n - - l c a ) ( 1 4 ) 式中：e a 、e b 分别为a 标准液与b 标准液测量电位，c a 、c b 分别为a 标 准液与b 标准液中离子浓度。 定标完成后，仪器进入自检模式。测置a 标准液浓度，把测量结果与已知 的a 标准液浓度进行对比，判断电极定标是甭符合测量样本的要求。若不符合 要求，提示操作人员选择冉次定标；若符合要求，进入主菜单，进行样本离子 浓度测量。离子浓度计算公式： 亟二生 g = c a 幸1 0 吼钟( 1 5 ) 式中：e x 为被测样本测量电位，e a 为a 标准液测鼍电位，c x 为被测样本 离子浓度，c a 为a 标准液离子浓度，s l o p 为电极实际斜率。 另外，人体血液中c 2 + 浓度的测量易受到p h 值的影响，在临床测量中必 须测量样本的p h 值( 测量原理同式1 5 ) ，对所测的c a 2 + 浓度进行校正【1 6 - 1 7 1 ， 即： n c a = f e + ( p - 一7 4 ) 1 8 9 ( 1 6 ) 式中：n c a 为校正后c a 2 + 浓度，i c a 为校正前c a 2 + 浓度，p h 为p h 值。 火焰光度法是应用光学原理进行离子浓度分析的方法。该方法在实际的临 床使用过程中需要使用可燃气体，如丙烷、丁烷或者其混合气体，并且需要压 缩，同时使用前还需要一定时问的预热。这些因素造成使用的不方便，也不安 全，并且影响检测的精确度。 离子选择性电极法采用电化学的方法。与火焰光度法相比较，该方法便 捷、安全，且检测精确度高。该方法已经成为目前临床电解质检测的主流方 法。 4 江苏大学硕士学位毕业论文 1 3课题提出的背景与意义 随着信息时代的到来，科技进入一个飞速发展的时代，其发展速度堪称前 所未有。科技进步给我们带来先进科技成果的同时也推动经济高速发展，大大 提升人们物质文明和精神文明水平。 在我国，改革开放3 0 年，基本改变贫困落后的面貌，温饱已经基本不是问 题，人们开始追求健康的生活。身体的健康状况已经是大部分人关心的问题， 也是国家关心的问题，其中最基本的问题就是看病问题，也是关系困计民生的 大问题。然而，虽然我国已经基本改变贫困落后的面貌，但是我国还属于发展 中国家，不仅有1 3 亿人口，而且其中7 亿人口生活在相对落后的农村。这就使 得我国的医疗资源紧缺且分布不平衡，导致老百姓“看病难，看病贵”【1 8 】。这 一现象在经济相对落后的地区更为突出。 现代医学中，医学检验已经成为不可或缺的重要组成部分。准确的检验结 果为病人病情诊断提供有力的依据。例如，用传统的x 光机技术不能检测韧带 撕裂，而使用现代的c t 扫描技术将清楚地检查出韧带撕裂部位以及撕裂程 度，但是使用c t 的检查费用要比使用x 光机高7 1 0 倍。目前，医学检验的成 本已经成为看病费用的重要组成部分。医学检验的成本与检验设备的关系是非 常密切的，先进的医疗设备在提高检验效果的同时也提高了检验成本，例如， 人体生化参数检测仪器的检验成本直接与其检验精度有关。我国在医疗设备的 表1 1市场上销售的电解质分析仪一览 品牌钕橇嘎国籍 备注 m e d i c a5 8 美国 分析n a + 、c e + 、k + 、p h o l y m p u s2 3 1 日本a u 6 4 0 自动生化分析仪( 含电解质分析模块) a u d i c o m0 8 中国 a c 9 8 0 分析k + 、n a + 、c i 、c a 2 + 、p h 航创 1 4 中国h c 一9 8 8 3 讯达 2 4 中国x d 6 0 0 设计与制造领域相对落后，很多高档医疗设备主要依赖进口，如c t 机主要进 口品牌为s i e m e n s 、p h i l i p s 、g e 等。虽然一些医疗设备我们能够自主研发 设计，但是在质量以及品牌战略上与国外品牌还是有一定的差距。而国产品牌 江苏大学硕士学位毕业论文 有一个最大优势价格，这极大影响着医疗成本。表1 1 是对市场上销售的 部分电解质分析仪的调查记录。 由调查表可知，进口品牌与国产品牌价格相差较大，同时国产品牌之间的 价格也存在一定差距。 由此可见，在我国国情这一大背景下，提供性能优越、价格相对较低的医 学检验仪器对缓解我国“看病难，看病贵”的医患矛盾是非常必要的，特别是 向相对贫困地区提供这类产品具有更现实的意义。这也是本项研究的出发点和 意义所在。 1 4课题的主要工作 针对我国正处于医疗体制改革深入的国情，以及现有国内外电解质分析仪 的性能与价格的矛盾，根据行业标准。阳】一一y y t 0 5 8 9 2 0 0 5 电解质分析 仪，同时根据国产品牌存在的相关设计问题，本文研究并没计了一款性能优 越、成本相对较低的多参数、多项目的电解质分析仪。该电解质分析仪可以检 测k + 、n a + 、c 1 。、c e + 的浓度以及p h 值，并且可以分别检测血液与尿液。 根据现有条件以及本人围绕课题所开展的相关研究，本文的主要工作包括 以下几个部分： ( 1 ) 概述课题所研究的领域，引出课题；介绍电解质检测的方法，重点描述 当前流行的离子选择性电极分析方法，包括其使用的技术、原理以及优 势。 ( 2 ) 介绍课题的研究背景及意义，列出本课题所做的主要工作。 ( 3 ) 依据嵌入式系统可靠性、精确性、易维护性与可扩展性等特点，以高性 能m c u a t m e g a 6 4 为核心进行外围硬件设备的搭建，其中主要包 括液路控制模块、信号采集模块、数据存储模块、人机接口模块、通讯 模块以及硬件抗干扰设计。 ( 4 ) 本系统软件设计以程序设计模块化为基础，超级循环为架构，调度器为 简易操作系统，并且始终贯穿多级任务执行与多状态的思想，使整个系 统有效、高速地运行。 ( 5 ) 通过技术监督部门的检测以及对比实验的方法对所研制的电解质分析仪 6 江苏大学硕士学位毕业论文 进行功能与性能上的验证。 ( 6 ) 文章进行总结与展望。总结整个课题的研究成果及其价值，指出研究上 尚存在的问题及以后需要改进的方面。 江苏大学硕士学位毕业论文 第二章电解质分析仪的总体设计 临床医疗对电解质的分析有两种方法：火焰光度法与离子选择性电极法。 上章介绍了这两种方法，并对离子选择性电极法做详细说明，本章将介绍基 于离子选择性电极法的电解质分析仪的总体设计方案。 2 1电解质分析仪总体设计方案 电解质分析仪总体设计图如图2 1 所示： 蠕动泵 图2 1电解质分析仪总体设计图 仪器按功能基本可以分为：液体管路部分、信号预处理与信号采样、数据 处理与仪器控制三部分组成。 液体管路部分由电磁阀、蠕动泵、吸液池、进样针、进样器、三通阀门组 成。电磁阀是一种由电磁线圈控制阀门通断的单向阀门，该阀门由一个m o s 管驱动，控制液体管路的通断。由图2 1 可知该仪器有两个电磁阀，分别控制 a 标准液和b 标准液管路的通断，两种标准液与检测样本在三通阀门处汇合。 这种设计的好处在于，不会像分配阀样，由于长期的阀门旋转而造成阀门内 部间隙有钱留物，从而使阀门堵塞，引起交叉污染2 0 。2 1 】。在仪器的实际应用 中，电磁阀的长期通断动作，不会有残留物的存在而造成管路在阀门处堵塞， 进而减少a 标准液、b 标准液以及待测样本交叉污染的问题，提高了仪器稳定 性与测量精确度。 江苏大学硕士学位毕业论文 其余两个部分将在后续的硬件没汁与软件设计部分中做详细介绍。 仪器测量的液体类型有三种：a 标准液、b 标准液以及样本，其中a 标准 液同时起清洗液的作用，三种类型液体检测过程如下所述： ( 1 ) a 标准液测量 仪器校准定标时需要测量a 标准液，仪器打开a 电磁阀，关闭b 电磁 阀，关闭进样器，开启蠕动泵，a 标准液沿管路经过吸液池，进样针，进样 器，三通阀门，到达离子选择性电极处，关闭a 电磁阀，关闭蠕动泵，离子浓 度转换成电信号，等待a d c 采样，采样信号送进控制器处理。信号采集完 成，开启蠕动泵，把测鼍过的a 标准液吸进废液桶。 ( 2 ) b 标准液测量 在仪器校准定标时需要测量b 标准液，仪器打开b 电磁阀，关闭a 电磁 阀，关闭进样器，丌启蠕动泵。b 标准液沿管路经过三通阀门，到达离子选择 性电极处，关闭b 电磁阀，关闭蠕动泵，离子浓度转换成电信号，等待a d c 采样，采样信号送进控制器处理。信号采集完成，开肩蠕动泵，把测量过的b 标准液吸进废液桶，同时吸入a 标准液清洗仪器管路。 ( 3 ) 样本测量 样本测量是仪器的基本功能，通常分为血液样本测量与尿液样本测量。测 量时，系统关闭a 电磁阀与b 电磁阀，打开进样器，把进样针插入样本，开启 蠕动泵。样本通过进样针，进样器，三通阀门，到达离子选择性电极处，关闭 进样器，关闭蠕动泵，离子浓度转换成电信号，等待a d c 采样，采样信号送 进控制器处理。信号采集完成，开启蠕动泵，把已测样本吸进废液桶，同时吸 入a 标准液清洗仪器管路。 2 2本章小结 本章展示了基于离子选择性电极法的电解质分析仪的总体设计方案。本文 所做的电解质分析仪的研究正是基于这样的原理与总体设计方案。 9 江苏大学硕士学位毕业论文 第三章系统的硬件设计 嵌入式系统以嵌入式处理器及其外围硬件设备为基础、嵌入式操作系统为 支撑以及用户应用程序为灵魂。软硬件有机组合才能充分发挥嵌入式系统的性 能实现监视、控制与管理等功能。嵌入式系统具有以下几个特点：准确 性、可靠性、实时性、易维护性与可扩展性吲。而保证这些特点的基础就是良 好的硬件设计。嵌入式系统硬件设计的好坏从根本上决定了嵌入式系统性能的 优劣。 因此，在进行硬件设计时，首先，应该根据设计要求充分评估所设计的嵌 入式系统的性能；其次，根据具体实际选择合适的处理器芯片以及外围器件； 再次，需要搭建合适的硬件电路保证所选硬件能够发挥最大效能；最后，要进 行成本控制保证良好的性价比。 在考虑仪器性能等因素的基础上，本文对电解质分析仪的硬件电路进行了 设计，为设计性能优良的电解质分析仪打下了坚实的基础。本章将对硬件设计 做洋细介绍。 3 1硬件设计方案 电解质分析仪的硬件设计框图如图3 1 所示： 图3 1电解质分析仪的总体硬件设计框图 1 0 江苏大学硕士学位毕业论文 由上图可知，电解质分析仪由以下几个模块构成：核心控制模块；液 路控制模块；信号采集模块；数据存储模块；人机接口模块；通讯模 块。电解质分析仪采用高性能m c u a t m e g a 6 4 作为核心控制器，负责采样 数据的后期处理以及整个系统的控制；液路控制模块由电磁阀与蠕动泵组成， 控制测量液体在仪器内部的合理流动；信号采集模块由离子选择性电极信号的 放大部分与a d c 采样部分组成，负责检测信号的采集；数据存储模块采用一 块2 5 6 k b i t 的e e p r o m 作为存储器，用于存储系统参数、病员样本的检测报告 以及统计数据，使用r e a lt i m ec l o c k 为系统提供时问；人机接口模块由l c d 显示器、打印机、键盘以及蜂鸣器组成，操作人员通过对这一功能块操作可以 实现对电解质分析仪的操作，完成一系列的任务，如系统校准、样本检测、报 告打印、数据统计等；通讯模块包括u s a r t 和j t a g 两部分，u s a r t 实现病 员检测报告与统计数据上传至p c 的功能，以便服务器软件对检测报告与统计 数据进一步分析处理；j t a g 负责系统程序下载与调试。 3 2 硬件模块 3 2 1核心控制模块 电解质分析仪采用单处理器设计。这样的设计方案不仅减少硬件电路的面 积，而且降低成本，更重要的是提高了系统稳定性。但是采用单处理器设计的 前提是需用一款高性能的处理器。 a t m e l 公司生产的a v r 系列微处理器a t m e g a 6 4 就是这样一款能够 胜任这项任务的高性能处理器【2 2 七引。a t m e g a 6 4 芯片管脚图如图3 2 所示。 该处理器具有以下特点： ( 1 ) 采用先进的精简指令集( r i s c ) 结构，具有3 2 个8 位通用工作寄存器与 外围i o 口控制寄存器，绝大部分指令为单周期指令，指令执行速度可 达1 6 m i p s 。 ( 2 ) 应用了h a r v a r d 结构，使数据总线与程序总线相互独立以获得最高的性 能以及并行性。 ( 3 ) 具有丰富的存储空间。片内集成了大容量的非易失性程序存储器、数据 江苏大学硕士学位毕业论文 存储器以及工作存储器，其中程序存储器为6 4 k b 的系统内可编程 f l a s h 存储器，擦写寿命1 0 0 0 0 次；e e p r o m 为2 k b ，擦写寿命可达 1 0 0 0 0 0 次；s r a m 为4 k b ；同时它支持最大为6 4 k 字节的外部存储器 扩展，可以对它的锁定位进行编程以实现用户程序的加密。 r x 0 0 f ( p 0 1 ) ( t x d o p d o ) ( x c k 0 t a i n 0 ) ( o c 3 n a i n l ( o e 3 8 n t 4 ( o c 3 c i n t 5 ) ( - i - 3 i i n t 6 ) 0 c 3 a n - r t ) s s ) s c k ) 酗o s ” ( m i s o ) ( o c 0 ) o c l a o c l b ) 图3 2 a t m e g a 6 4 芯片管脚图 p a 3f a d 3 ) p a 4 a d 4 ) p a 5 a d 5 ) p a 6 a d 6 p a 7 a d 7 ) p g 2 ( a l e ) p e 7 a 1 5 p e 6 a 4 p c 5 a 1 3 p c 4 a 1 2 p c 3 a 11 ) p c 2f a l o p e lf a 9 ) p c o a s ) p g l r d p g 0 ( w r ) ( 4 ) 具有j t a g 接1 3 ( 兼容i e e e11 4 9 1 标准) ；支持在线仿真调试 ( e x t e n s i v eo n c h i pd e b u g ) ；支持对f l a s h 、e e p r o m 、芯片熔丝位和保 密锁定位的编程。 ( 5 ) 外设资源丰富 含有两个8 位定时器计数器及两个1 6 定时器计数器。 1 2 江苏大学硕士学位毕业论文 具有两路8 位p w m 通道及8 路1 0 位a d c 。 具有面向字节的两线串行总线接a ( t w i ) 。 具有两个增强型可编程串i t u s a r t 接口，支持同步、异步以及多 机通信自动地址识别。 具有一个可工作于主机从机模式的s p i 接口。 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。 具有片内模拟比较器。 ( 6 ) 处理器特殊的特点 片内含有经过标定的r c 振荡器。可以在没有外接时钟的情况下， 保证系统正常工作。 含有多个片内片外中断源。提高系统实时工作的性能。 具有6 中睡眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉 电模式、s t a n d b y 模式以及扩展的s t a n d b y 模式。 可以软件选择时钟频率。 ( 7 ) 6 4 引脚t q f p 封装与6 4 引脚m l f 封装。具有5 3 个可编程i o 口，可 任意定义i o 的输入输出方向，输出时为推挽输出，驱动能力强，可 直接驱动l e d 等大电流负载，输入口可定义为三态输入，可以设定带 内部上拉电阻，省去外接上拉电阻，并能通过大的灌电流。 ( 8 ) 工作电压与速度等级 a t m e g a 6 4 l ：2 7 - 5 5 v ，0 - 8 m h z a t m e g a 6 4 ：4 5 5 5 v ，o - 16 m h z 在本课题中选用a t m e g a 6 4 作为处理芯片，且工作时钟为1 6 m h z 。因为该 处理器不仅能够提供丰富的外设资源，而且片内集成了大容量的程序与数据存 储器，同时还具有很好的数据处理能力【2 7 1 。在设计中大大简化的外设电路的设 计，具有非常高的性价比。 3 2 2液路控制模块 电解质分析仪的液路是检测液体在仪器内部流动的路径。它除了有多条管 路、吸液池、进样针、进样器、三通阀门组成以外，还包括控制管路通断的电 江苏大学硕士学位毕业论文 磁阀以及控制检测液体流动的蠕动泵。处理器通过控制电磁阀与蠕动泵实现对 仪器内部液路的控制。 电磁阀是通过控制阀门内部电磁线圈通断电来控制阀门打开与关闭的一种 机械自动化器件【2 0 1 。在本课题中选用两个电磁阀( 电磁阀a 与电磁阀b ) 来分 别控制a 标准液与b 标准液管路的通断，而没有采用常用的分配阀来控制管路 的通断。因为分配阀在长期的阀门旋转过程中会造成阀门内部f b j 隙留有残留 物，从而使阀门堵塞，引起交叉污染，这样会大大影响整个仪器的性能。而电 磁阀的长期打开与关闭动作，不会有残留物的存在而造成管路在阀门处堵塞， 进而减少a 标准液、b 标准液以及待检测样本交叉污染的问题，提高了仪器测 量精确度与稳定性。另外，电磁阀控制简单。分配阀需要个步进电机来控 制，而电磁阀只要控制器通过i o 的高低电平变化经m o s 管驱动来控制阀门打 开与关闭【2 0 l 。电磁阀控制电路如图3 3 所示： 阀b 图3 3电磁阀控制电路图 图中，p d 2 与p d 3 为a t m e g a 6 4 的i o 口信号，分别控制电磁阀a 与电磁 阀b 的打开与关闭。控制信号解释如表3 1 所示： 表3 1电磁阀控制信号解释表 p d 2p d 3 电磁阀a 状态电磁阀a 状态 低电平低电平打开打开 低电平高电平打开关闭 高电平低电平 关闭打开 高电平 高电平关闭关闭 采用电磁阀控制管路通断的设计，不仅电路设计简单，控制方法简单，而 江苏大学硕士学位毕业论文 且能够克服使用分配阀造成交叉污染的问题。 蠕动泵通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压与释放来泵送流体。就像用 两根手指夹挤软管一样，随着手指的移动，管内形成负压，液体随之流动。流 量的大小取决于泵头的大小与转速。当泵头大小一定时，控制流量就是控制泵 头的转速，即控制步进电机转动。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或者线位移的开环控制元件。在非 超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率与脉冲数， 而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点， 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得简单【2 8 】。 在本课题中，使用的是+ 1 2 v 的四相步进电机，控制电路图如图3 4 所示： 图3 4步进电机控制电路图 图中，p d 4 、p d 5 、p d 6 以及p d 7 为a t m e g a 6 4 的i o 口信号，i o 信号通 过m o s 管来控制与驱动步进电机的四相线圈。为了使步进电机转动得相对平 稳，控制时序采用四相八拍的设计。 电磁阀与蠕动泵在a t m e g a 6 4 的控制下，不仅实现对液路的控制，而且降 低了液路控制对系统检测精度以及稳定性的影响，提高了系统的整体性能。 3 2 3 信号采集模块 信号采集模块分为两个部分：信号放大部分与a d c 采样部分。 江苏大学硕士学位毕业论文 离子选择性电极是高输出阻抗信号源【2 9 1 ，由于电极信号的好与坏直接影响 系统的检测精确度，故在信号放大的前级部分选用高输入阻抗的放大器，并设 计成高输入阻抗的放大电路，进行阻抗变换。另外，在电极绝对电位值无法测 量的情况下，采用了参考电极的电位作为标准电位的设计方法，因此，前级放 大电路需要设计成双信号输入，单端对数字地输出的单端输出的结构。信号放 大的前级部分，采用高输入阻抗放大电删3 0 】，如图3 5 所示： u r 图3 5电极信号前级放人电路 图中，r 0 ，r 1 ，r 2 ，r 3 采用高精密度电阻；u i 为特定离子选择性电极电 位，u r 为参考电极电位；特定离子选择性电极信号u o 满足： u o ：( r o + 2 r 1 ) r 3 ( u , 一玑) ( 3 1 ) 心 “ 、 放大电路的后级部分主要对离子选择性电极的微小信号( 几十毫伏到上百 毫伏之间) 进行适当的放大。后级的放大采用a d c 自带的程控放大器，采用 这样的设计不仅满足信号放大的要求，而且简化了信号放大电路的设计，提高 了系统稳定性。 a d c 采用a n a l o gd e v i c e s 公司推出的完整1 6 位一k a d 转换器 a d 7 7 0 5 3 1 3 2 1 。它包括由缓冲器与增益可编程放大器( p g a ) 组成的前端模拟调节 电路，调制器，可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的两路 微小信号进行a d 转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优 良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点。它采用四线s p i 接口通讯，有两个 全差分输入通道，能达到0 0 0 3 非线性的1 6 位无误码数据输出，其增益与数 据输出更新率均可编程设定，还可选择输入模拟缓冲器，以及自校准与系统校 准方式。其有两种工作电压：3 v 与5 v 。 a d 7 7 0 5 支持两路采样信号输入，不能满足电解质分析仪5 路电极信号的 1 6 江苏大学硕士学位毕业论文 需求，故在离子选择性电极与a d c 之间加入一个多路开关4 0 5 l 。4 0 5 1 是 一个3 端控制，8 路输入，1 路输出的多路开关，具有低打丌阻抗与低关闭漏电 流的特性【3 3 1 。 a d c 采样电路的硬件连接图如图3 6 所示： a b ，c7 9 4 - 6 k +a i n os p ic l ks p ic l kr a o i j ta i n + 一 n a + il a l n l s p lm o s i s p im o s ir c 1 i 。 ra l n 2s p lm l s os p lm l s o c a 2 + i a i n 一 i 7a i n 3# s p ic g# s p ic s p h l a n q 4 l 7 r e f l n -r e f i n + 喹前级放大的 ；- - - 3 _ 南 a t m e g a 6 4 5 路i b 极信号 4 0 5 1 j i a d 7 7 0 5 c l c k l 。k u t i ng t d 图3 6a d c 采样电路硬件接口电路图 图中，p d 4 6 为a t m e g a 6 4 的3 个i o 信号，控制多路开关的信号选择； 2 4 5 7 6 m h z 的晶振c r y 为a d c 内部工作提供时钟；参考电源采用l m 3 3 6 2 5 为a d c 提供正参考电压【3 4 1 。采用上面的电路，则经前级放大的电极信号就可 以通过多路丌关进入a d c ，实现电极信号的采样，然后采样数据由s p i 接口被 a t m e g a 6 4 读取，等待处理器进一步处理。 3 2 4 数据存储模块 数据存储模块包括a t m e l 公司生产的e e p r o m 存储芯片a t 2 4 c 2 5 6 与 e p s o n 公司生产的实时时钟芯片r x 8 0 2 5 s a 。 a t 2 4 c 2 5 6 具有以下特点：提供2 5 6 k b i t 的存储空间且掉电数据不丢失；支 持页读写功能( 每页6 4 个字节) ；数据传输速度最大达1 m h z ；自写周期最大 为5 m s ；保证1 0 0 万次的写操作；数据可以保存达4 0 年；具有数据写保护功 能；采用t w i 总线接1 5 1 【35 1 。在设计应用中，a t 2 4 c 2 5 6 的特点被充分利用： 2 5 6 k b i t 的存储空间可以保存电解质分析仪的系统参数、大量的病员检测报告数 据与统计数据；6 4 字节的页读写功能大大提高了数据读取与存储的速度；百万 次的写操作次数与4 0 年的有效存储时间可以保证系统的数据存储模块长期正常 工作；t w i 接口设计简化了存储器与处理器的电路连接，a t 2 4 c 2 5 6 与 a t m e g a 6 4 的接口图如图3 7 所示【3 6 】： 1