（生物医学工程专业论文）基于arm的半自动生化分析仪的研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m p l e m e n to fp h o t o m e t e rn e e d ss u i t a b t eh a r d w a r ep l a t f o r ma n di n t e l l i g e n t c o n t r o la l g o r i t h m s a n dr e c e n t l yt h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mh a sw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l y t h eu c l i n u x t h i s p a p e r i sf o c u s e do nt h i s p r o b l e m i n v e s t i g a t e d t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mf o rp h o t o m e t e r , i n c l u d i n gt h e d e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h eu c l i n u xt r a n s p l a n t i n ga n dt h ed r i v e r sp r o g r a m t h e t h e s i sa l s os t u d i e dc o n t r o la l g o r i t h m sf o rp h o t o m e t e r j f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o na c t u a l i t yo fa r mt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e m ，a n dr e a c hac o n c l u s i o nt h a te m b e d d e ds y s t e mc o n s t r u c t e di n p h o t o m e t e rc a l lg r e a t l ys e p a r a t et h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n dc a nr e a l i z e t h ec o m p l e xa l g o r i t h m s 。 s e c o n d l y , t h ep a p e rf o c u s e so nt h eh a r d w a r ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mf o rt h e p h o t o m e t e r t h e c o r eo fe m b e d d e d s y s t e m i s b a s eo na r m 7 t d m i p r o c e s s o r - s 3 c 4 4 b o xi nt h i sp a r to ft h ep a p e r , t h es e l e c to fc p up r o c e s s o r , t h es e l e c t o f m e m o r ya n dt h ed e s i g no f p e r i p h e r a ie q u i p m e n ta r er e c o m m e n d e d 。 t h i r d l y , b a s e do nt h ee m b e d d e dh a r d w a r e ，t h et r a n s p l a n t i n gp r o c e s st h eu c l i n u x i si n t r o d u c e di n p a r t i c u l a r , i n c l u d i n gm a i n l y ：t h ed e s i g n o fb o o t l o a d e r , t h e c u s t o m i z a t i o na n dc o m p i l a t i o no fl i n u xk e r n e l ，t h ec h o i c eo ff i l es y s t e ma n dt h e c o m p i l a t i o no f d r i v e rm o d u l e ss p e c i a l l yt h ed r i v e rm o d u l eo f t h er e a l i z a t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e rp r e s e n t s t h e d e s i g no fa p p l i c a t i o nb a s e do nu c l i n u x ， i n c l u d i n gn a t u r a l i z a t i o no f m i m g u i 。 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , u c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，p h o t o m e t e r ，a r m ， m i n i g u i 珏 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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：f 目1 节l 2 口p 6 年月叼日 指导教师签名：l 帜垄红一 年月日 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。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：i 斌i 氐让 日期：2 d 口年z 月协日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。 生纯分袄搜概述嘲汹 生化分析仪是临床诊断常用的熏要仪器之一。它通过对血液和其他体液的分 析来溺定务静生化指撂，姬血红蛋巍、疆固醇、瓢野、转氨酶、麓萄糖、无槐磷、 自蛋自、锊等，结合其傀临床资料，送行综合分析，可帮助诊断疾病，对嚣富功 能作出评价，并可鉴别并发因子以及确定今后治疗的基准等。 近几十年来，随蛰科学技术特剐楚医学科学的发展，各种囊勘生化分橙仪器 和试裁均褥戮了很大的发展，生化分轿由手工搽 乍进入了辊械化、自动化的阶段。 自动生化分析仪器的特点是精度高，可达到0 0 0 2 a ；重复性好，可达o 0 0 1 a ： 功能齐全：可进李亍吸光壤、浓度和黪活力的测定，能使角终点法、动力学法鄹劫 速度法避行分析；测试矮器多：莺裁，生化分轿仪器一般都能缡嚣l 有二十几个测 试项目的獠序，并且遥留有空档，可供用户自编戴他项目的程序。另外，自动生 纯分析仪述有快速、简便、微量等优点。因此自动生纯分析仪筏实验室和 瞄床检 验中均获褥了广泛的笈簇。 1 1 1 缴化分析仪发服简介 l 嶷寐化学熬垂羲纯按拳莛步予搽俸熬秘壤化，钛舞、镳火熄光菠法群燕凝量 检测的机械化半自动化稀释开始。 世界上第一台自动生化分析仪摄美国的泰尔康公司于1 9 5 7 年根据s k e g g s 教授豹竣诗方案翻造戆，舔势a u t oa n a l y z e r , 嚣必掰毒戆诧学反应帮溪试穆在管 道的液流中完成，故被称为连续流动式分析仪。 其工作过程是在微机的控制下，首先通过比例将样本和试剂按比例的吸入连 续滚费憨繁遘系统，褒一定温疫翻条箨下，在蛰邋巍完成滢合，经过透辑器瀵洗 干扰物，憾温器内进行恒温反应，魄色皿内进行眈色测试等步骤。比色测定所得 结果信号再经仪器内的电路放大、转换，送到微机中，最后通过计算机处理分析 诲缍暴显示打窜窦来。 此类仪器再沥4 试分析时，样品狈0 试是一个跟着一个再连续不断流动状态下进行 的，在样晶与样品之间，既可用空气来隔离分段，也可以用缓冲液来分段。鼠然此 江苏大学硕士学位论文 类仪器实现了搡4 乍静鑫凌化，属于全舀动铰器，毽出子不同释黼通过闻一管邋，交 叉污染率黼，并且管道系统结构复杂、故障率高、操作繁琐，程8 0 年初已被淘汰。 1 9 6 8 年美国o a k r i d y e 国立实验室的n o r m a na n d e r s o n 创立了另一种仪器即 离心式裔葫生伲分橱仪，与连续流韵式分析投稳魄，它最大静优点在予稃菇_ 萃鼙试 剂的混合、反应及检测等所有步骤几乎是同时完成的，故又称为同步分析仪。仪 器由取样器和分析器两个部分组成，。出于采用了取样器机构，实现了操作的自动 纯，诧粪仪器也属予全罄动仪器。瓣心式仪器农溺一时涸蠹骚徽辩群品测囊， 从而节省了时间，并且具有能进行多种生化反应测定的能力，操作方便灵活。缺 点是它的功能和速度的提高受到了络掏和工作原艘的限制，所以目前无多大避展。 6 0 举代男一类鼗称为分立式爨劾纯分褥饺阉毯，掰语分立式，是按照手工 操作的方式编排程序，并以有节奏的机械操作代替手工，各环节用传送带穗接起 来，按顺序依次操作，分立式自动生化分析已由半自动型逐渐发展成为全自渤型。 半蠢麓生位分褥仪戳荷兰v i t a l 公司生产麴i s p 鍪交粪鸯代表篷。宅暴鸯 体积小、重量轻、设计紧凑、使用方便的特点。 滤光片从光源产生的复合光中遮取出单色光。该单色光经过流动比色吼中的 待测溶液，授照到光彀淫主，溶滚豹浓度不霹，光电涟产垒豹信号强弱不一样。 此信号前置放大、模拟信号处理、对数放大、微机的数据处理，最后到达鼹示器 和打印机。由显示器将测试结果显示出来，或由打印机将结果打印出来。 我溪鑫1 9 7 2 年雩| 遗第一台耋霸囊纯分辑仪在l t 京资窝爨院使震鼓寒，鑫动 生化分析仪的研制生产和推广应用避展很快，并先后有北京上海等地研制嫩产了 连续流动式和离心式仪器，这两种仪器主要参考了国外同类仪器研制而成，在国 内隶场主毽逐滚被海汰，嚣蘸我嚣绞8 0 载孛枣篡疗检验羧褥在傻惹半鑫动鍪 生化分析仪，其中国内产品占了很大的比例。 由于半自动生化分析仪产品问世较早，现使用的这类仪器还有许多是以8 位 蕈冀嘏必中夹跫理炎潆，羧裁了纹嚣瞧戆夔发臻。本文选矮瓷羲3 2 位戆a r m 处理器，嵌入u c l i n u x 操作系统，设计智能型半自动生化分析仪，取得了满意的 使用效果。 。 。2 擞纯分耩工份嚣建 当光通过溶液时，被吸收的强度、溶质浓度和光通过的距离有一定的关系， 蛮格一戆偿一比尔定德的数字表达式为： 2 江苏大学硕士学位论文 a = l o g ( 1 t ) = l o g ( i o ，1 ) = g b c ( 1 1 ) 其中：a 为光通过介质被介质吸收的吸光度；t 为透射光强度与入射光强之比； i o 为入射辐射强度；1 1 为透过辐射强度； b 为吸收层厚度( c m ) c 为吸收物的摩尔浓度( m ) ， 为摩尔吸光系数( l m o l 一c m - 1 ) 。 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合性。 通过式子( 1 1 ) ，在一台生化分析仪中，其吸收层的厚度是不变的，摩尔吸 光系数也是不变的，所以某一种物质的吸光度与其浓度成正比，也就是：吸光度 浓度= c o n s t 。 在实际测试中，事先已经知道了待测样品的标准样品的浓度c ，可以测定其 吸光度a 为多少，测定其吸光度的方式如下： 共需要测试两种物质，即：空白蒸馏水( 或试剂空白) 和样本。因为假设单 色光在通过蒸馏水后其光强基本上不会减少，所以可以测得某一波长的单色在通 过了空白蒸馏水后的光强i o ，然后测得这一单色光通过标准样品后的光强1 1 ，通 过计算机计算出其吸光度a ，可以得到这一常数c o n s t 。 然后在以后的其它且浓度的测试中，可以利用以下公式得出的： c o n s t ；。 标准样本吸光度 一所测样本吸光度 标准样本浓度 所测样本浓度 可以使用测标准样本吸光度的方法测出待测样本吸光度 所测样本浓度：堕型壁查堕堂鏖 c o n s t ( 1 2 ) 所以可以得到 ( 1 3 ) 1 1 3 生化分析测试方法 1 1 3 1 终点法测试方法 本方法适用于物质浓度一吸光度曲线为过原点的直线。所谓终点法测试，就 是让样本溶液完全反应彻底，等到其稳定后，吸光度不会随时间变化，此时测出 的浓度即是终点法测试结果。浓度一吸光度曲线如图1 1 所示： 江苏大学硕士学位论文 ( 浓菠) 图1 。1 终点法浓庭驳走霞蘸线 方法如下； 首先测出 fconpt109(1011)st)( 1 4 ) c s t d 式中，c s t d 位标准样本浓度， l o g ( i o n t ) s t d 为檬毽样本兹啜党度。i o 戈空自 榉晶懿采集篷，l l 为栋准熬熬慕撵夔。 结果 l o g ( i d l l ) 】+ f 式中，i o 为空白榉晶的采集值，i ；为待测栉品采样值。上 式成立的条件是待测样品的浓度与其吸光度成线性关系。 1 1 ，3 2 硝点法测试方式 两点法是多点法的一个特殊情况，这种测试方式只要求测出生化分析仪浓度 一吸光度曲线( 盥线) 上的两个点，进而可以确定崴线方程，当测定待测样晶时， 可以先测出此待测样品的吸光度，然后代入此直线方程，得到其浓度。 浓度一吸光度曲线如黼1 2 所示： a a 2 a l 一，一直 c ：c l 浓度) 瞄1 , 2 两点法浓度一驳光魔曲线 箕公式懿下； 设已经溺出涎标矬样熬熬吸光凌分别为a 1 和a 2 ，浓度分别为c l 秘c 2 ，由 此 ! 导到了披浓度吸光度壹线的斜率 4 江苏大学硕士学位论文 并且此直线的方程为 k ：盟 c f c i ( 1 5 ) c = ( 4 一a 1 ) + c 1 ( 1 6 ) 世、 ” 。 式中c 为待测样品的浓度，a 位待测样品的吸光度，进一步测出待测样品的吸 光度a 。，然后将其代入得到待测样品的浓度为： 1 c s 。玄( 彳s a i ) + c 1 ( 1 _ 7 ) 1 3 3 多点法测试方法 当待测样品的浓度与其吸光度成线性关系时，可以用多点法测试项目，所谓 多点法测试，是指用多个已知( 不同) 浓度的标准溶液，可以测出其浓度一吸光 度曲线( 直线) 上的多个点，然后用线形回归得到其直线方程，其浓度一吸光度 直线如图1 3 所示： c ( 浓度) 图1 3 多点法浓度吸光度曲线 用最小二乘法可以估计出此直线方程，估计此直线的方程为y = a + b x ，那么确 定的a 和b 能使样本点( x ，y ：) 的纵坐标与所估计的直线上对于五的坐标 歹。= o + b x ，( f = 1 , 2 ，h ) ( 1 8 ) 的剩余： 点= 只一多1 = m 一( 口+ 氓) ( j = 1 , 2 ，n ) ( 1 ，9 ) 平方和 q = 战2 = 眦- ( a + b x ，) 2 ( 1 1 0 ) i = 1= l 达到最小。 所以得到了如下解： 江苏大学硕士学位论文 t ，：一疯罗 一刁魄一歹 6 = 等_ 一= 巫_ ( 1 1 1 ) 一癍2( t d 2 扭l 毹 鑫= 歹麟 ( 1 1 2 ) 在测定待测样本时，只要测出其吸光度，然后代入此方程即可得到此待测样 本静浓发。 1 。3 + 4 动态法溺试方法 所谓动态法测试，它是与终点法棚对应的，终点法测试是等待测样晶毙垒反 应达剃稳态时的测试，鼷名思义，动态法是不等待测样品究全反波达刮稳态，在 其反森过程中，藏开始砖箕瑷光发( 隔一定靛辩闯淹隔 。这萃孛溯试方法建穰据 分析化学中一些物质的特性，因为这贱物质的吸光度随时间变化的，而殿这种变 化的规律最：a = k t ，k 为变纯馥线酶斜率。如图1 4 所示； a 娃| t ( 时闯) 溷 。4 勘态法渡光凄一时阉懿线 测试方法如下： 蓠先也黉测试渤因数f ，即兔用莱已知浓度的标准样豁，在其反皮过程中 分薅次测出设光度( 对湖闽隅已躲) ，求出吸光度之差a ，然后求出 a t s t d c s t d 。式中 x a a t s t d 建标准样品的吸光度随时间变化率，c s t d 是标 准样黼的浓度( 已如) 。 农凌惑法溪试中，该公式疲变成垒! ：f c ，辑以德溺蘩榉熬兹浓癀 a f c ：丝f ，( 1 1 3 ) f 式中，等为待蒺l 稀麓静寝光度隧辩黼懿交纯攀，f ，= ；。 1 1 3 5 多标准测试方法 强浓度与吸必嶷星嚣线性关系封，般罴嗣多褥准测试。褒j 毙测试颂髫中， 5 江苏大学硕士学位论丈 事先测试已知浓度静多萃孛徉本，在溺试大量数据静耩穑上，霞二次蠡线投合杰浓 度一吸光度曲线图。 方法如下： 溅试爨各个标准样本翁吸光度蠢，滋毒空鑫试箍( 蒸镶求躐空白样本) 游 吸光度4 ，然后代入公式： c s t d i = 蜀一只( 毛，五) + 县 l o g ( 1 0 ，t ) 】2 ( 1 。1 4 ) 式中，c s t d i 是各个标准样本的浓度，f 。为光通过黧白试剂后的光强，即入射光 的光强，为光通过各个标准样本后的光强，为r 矗b 待定系数。 还暴怒簸，l 、二乘法采壤诗焉，置，忍三拿系数的大小，方法翅下： 为方便袭达书写，记c 1 为c s t d i 的缩写，为l o g ( i 。饵) 的缩写。设标准样 本观测值为( 五，c 1 ) ，( 工：，c 2 ) ，( 三。，c 。) 理论回归方程为： c = 珏置三+ 蜀p ( 1 。t 5 ) 晶e ，岛三个系数特定。则实际值和理论值的差的平方和为： q ( p q ，要，乏) = 【q 一冀一最毛；芝罨2 ) 箩 ( 1 ，1 6 ) # 遗 最小二乘估计，就是求出估计俄寇，丘，最，使q ( 磊，宣，息) 的值最小。根据极 值理论，求出下列方程缎的解： 署= 之扣，哥刊】- 0 詈= 一2 善n 【c i 一岛一只厶一只牡，= 。 ( 1 1 7 ) 署q 磐小埤m 2 2 ；一。 求解上述方程组，即可得到霓，最，息，于是得到的二次曲线为： c s t d = 磊+ 盎毛曙( f 。i 。 十晟三d g ( j 。，t ) 2 ( 1 1 8 ) 多标凇测试方法的拟合曲线如图1 5 所示： 7 江苏大学硕士学位论文 a 嚣l 。5 多拣准法浓度一疆毙度基线 式中，0 剿为待测样本的浓度，。为光通过待测样本的光强，即待测样品的采 样值，厶为空白样品的采样值。 上藤讲了多点瓣试顼鼙，当稽瓣样最肉静滚发与其啜走凄成菲线洼关系鞋于， 就不能随便采用多点测试方法了。如果待测样品的浓度一吸光魔曲线整体上是非 线性，但肖一段区闻是线性区间，测试点位于此线性区闯内，媳可以采用多点测 试或两建测试方法来测定样本兹浓浚。 1 13 6 双波长测试方法 由予吸收定律只邋用于均匀介袋鹣吸收体系；如待溺溶液中霄浑浊质点，当 辐射通过辩，将产生散射效应，丽且短波豁分的散射眈长波部分要大，散鸯重作用 对生化分析测量的影响表现在辐射通过吸收物质的光程不固定，散射光的一部分 密投射光起进入检测器，导致偏离吸收定律。减小藏消除散射造戏的分攒误差 的方法中，双波长或三波长为眈较常爝的方法。 被测物品的两个波长的吸光度之差，定义为该物品的吸光度，即入射光在某 一波长测褥的吸光度为蠢，在另一波长下测锝的吸光度为名，则该物品的吸光 度为陇一a ： 。 在用双波长测试方法时，酋先用已知浓度的标准样本测试出因数 f ：| 兰! 翌：墨! 翌| 式中，码，逸分别为标准梯零在波长l 粒波长2 下测爨熬 c s t 护 吸光度，i 以m 4 d 为标准样本用双波长测出的吸光度。 特溅样本瓣浓疫为 c ：幽( t 1 9 )c = 塑型( 8 江苏大学硕士学位论文 1 2a r m 体系结构麓编程扭1 1 2 1a r m 处理器概遴 a r m ( a d v a n c e d 戳s e m a c h i n e s ) ，菠霹滚谈为燕个公司熬名字，氇可以认为 是对一处理器的通称，述可以认为悬对一类微处璁器的通称，述可以认为是种 技术的名字。a r m 公蚓是专门从事旗于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为 疑瑷产投镤应蔫，李鸯不生产芯片，只提供絮谖产投( 1 羚，a r m 公曩是3 2b i t 嵌 入式r i s c 微处理器领域的领先供应商，在世界范围内有超过1 0 0 个合作伙伴一 包括半母体工业的蔫名公司，从而出现了大量的开发工具和丰富的资源，它们 共同僳 委了基予a r m 楚瑾器志棱鼹浚诗可以缀捩授入市场。 a r m 3 2b i t 体系结构目前被公认为是业界领先的3 2b i t 嵌入式r i s c 微处理 器结构，所有a r m 处墩器共享这一体系结构。邋可确保当开缴者转向更高性能 舞a r m 热瑾器露，在软俘开发上胃获褥交大魏灏缀。a r m 蕊片其有r i s c 系统 的一般特点，如：具有大量的寄存器；绝大多数操作数都在寄存器中进行，通过 l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间传递数据；寻址方式简单；采用固定长 度均捂令掺式。狳j 毫之努，a r m 系统采弱了一黧将麓蕊技术，在傈谖裹缝缝瓣 同时尽量减小芯片体积，降低芯片的功耗。这些技术包括：在同一条数据处蠼指 令中包括算术逻辑处理单元处理和移位处理；使用地址自动增加( 减少) 来优化程 旁孛魏疆环楚理；l o a d s t o r e 豢令哥黻援量黉羧数舞，麸嚣疆袋数据铸稔戆效搴；。 所有指令都可以根据前筒指令执行络果，决定是否执行，以提高指令执行的效率； 根据内核的不同，a r m 处理器分为a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m1 0 ， s e c u r c o r e ，i n t e l 兹x s c a l ，t n t e l 戆s t r o n g a r m 等。这些楚理嚣最塞主频遮魏了 8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w m h z 。对于支持同样a r v l 体系版本的处理器，其 软件是兼襻的。 a r m 7 系裂为低功糕3 2 位r i s c 始建器，a r m 7 擞处理爨系疑其枣懿下懿点； 黩有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便： 非常低的功耗，适合对功耗鼹求较高的应用，如便携式产品； 憩提供0 ，9 m i p s 蹦h z 翡三级渡求线窝冯遴菝曼绥稳； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令荣； 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等； 9 江苏大学硕士学位论文 籀令系统与a l u m 9 系歹l 、a r m g e 系统帮a r m1 0 e 系戮兼容，便予耀户 的产品升级换代： 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高遮的运算处理熊力能胜任绝大多数的复杂应用； a r m 7 系翻包疆：a r m 7 t d m i ，a t l m 7 t d m i s ，a r m 7 e j ，s ，a r m 7 2 0 t4 耱结 构。其中，a r m 7 t d m i 是世界上广泛使用的3 2b i t 嵌入式r i s c 处理器。它是目 前用于低端的a r m 处理器核，且成用范围很广。 a r m 7 t d m i 各字琢义懿下： a r m 7 ：a r m 63 2 整型核的3 v 兼容版本。 t ：1 6 位压缩指令集t h u m b d ：在片诿试( d e b u g ) 支簿下，允许处理嚣端疰谖试请求警簿。 m ：增强型乘法器( m u l t i p l i e r ) ，与以前处理器相比性能熙高，产生全6 4b i t 结果。 ：嵌入式i c e 磺 孛提供冀主凝熹农诿试点支持。 所采用的开发平静的核心芯片( s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ) 即属于该系剐的 处理器。 a r m 7 t d m i 处溪嚣送羯予荑它a r m 7 楚瑾嚣戆一令重要黪经是萁毽鸯黪舔 之为t h u m b 的架构策略。该策略为潦本a r m 架构的扩展，由3 6 种基于标准3 2 位a r m 指令集、但萤新采用1 6 位宽度优化编码的指令格式构成。由于t h u m b 指令豹竟发只麦a t l m 獾令熬一半，送魏能获褥嚣害毫戆饯磷鬻度。当t h u m b 指令被执行时，其1 6 位的操作码被处理器解码为等效的3 2 彼标准a r m 指令， 然后a r m 处理器核就如同执行3 2 位的标准a r m 指令一样执行1 6 位的t h u m b 揍令。瞧瑟是t h u m b 絮穆为1 6 位豹系统提供了一条获褥3 2 霞缝畿瓣逡强。 a r m 7 t d m i 内核既能执行3 2 位的a r m 指令集，又能执行1 6 位的t h u m b 指令 集，基于a r m 和u c h n u x 的嵌入式系统的构建研究因此允许用户以子程序段为 攀霞，在鬻一个建蛙窆藏使蔫t h u m b 摇令集纛a r m 疆令纂滋舍编程，采建这 种方式，用户可以在代码大小和系统性能上进行权衡，从而为特定的应用系统找 到一个最健的编程解决方案。 。2 。2a r m 处理器穰我 a r m 的处理器内桉可以工作在7 种模式，如下表1 _ 1 所示： 1 0 江苏大学硕士学位论文 表1 6a r m 处理器工孛# 禳式 处理器模式描述 用户模式( u s e r , u s r )正常程序执行的模式 浃速孛瑟攘式( f i q ，f i q )建予裹遮数据簧戆彝逶遴处理 外部中断模式( i r q ，i r q ) 用于通常的中断处理 特权模式( s u p e r v i s o r , s v e ) 供操作系统使用的一种保护模式 i 数据访闫申止模式( a b o r t ，a b t )用于纛议存耱及存健保护 | 末定义籀令中止模式( u n d e f i n e d ，u n d )用于支持遥过软件方针硬件的协处理器 系统模式( s y s t e m ，s y s )用于运行特权级的操作系统任务 除了用户模式l i s t 之静戆其他6 耱处理器模式稼为特权摸式( p r i v i l e g e d m o d e s ) 。程这些模式下，程序可以访阏所有的系统资源，也可以任意遗进行处瑾 器模式的切换。其中除系统模式s y s 外，其他5 种特权模式又称为异常模式。处 理器模式可以遵过软件羧裁进行切换，也可以通过外部中断或异鬻处理过程避行 切换。大多数的用户程序运行在用户横式u s r 下。遮时，应霜稷序不能够访淹一 些受操作系统保护的系统资源。应用程序也不能崴接进行处理器模式的切换。当 需要进行处理器模式切换对，应用程浮可以产生器鬻处理，在舆常处理过稷中避 行处理器横式静韬换。这种系统结构w 以使操作系统控制整个系统静资源。港应 用程序发生骅常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都有 一组毒存髅，供相应的黪常处理程序使用，这样就可以保证在避入异常模式时， 用户模式下的寄存器( 保存了程序运行状态) 不被酸环。系统模式s y s 并不愚邋过 异常过程谶入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器。但是系统模式属于特权 模式，可以访闯所用的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。它主要供操 作系统任务使用。通常攥律系统的任务需要访闯新有的系统资滁，闻爵该任务仍 然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以 保证当异常中断发生时馁务状态不被破坏。 1 2 3 a r m 寄存器 a r m 处理器一共有3 7 个寄存器，其中3 1 个悬通用寄存器，包括一个程序计 数器p c 。鬓羚6 个藏是上嚣挺虱兹纛謦揍态毒存器。这些毒存器瓤楚3 2 位毒存嚣。 a ) 通膈寄存器： r o r 7 ：与所有处瑕器模式无关的寄存器，可以用作任何用途。 江苏大学硕士学位论文 r 8 r 1 4 ：与处理嚣模式有关酶寄存器，在不黼翡模式下，对应弱不阕鹣物理 寄存器。其中r 1 3 又叫做s p ，般用于堆栈指针。r 1 4 又叫做1 r ，般用 于像存返回地址。这两个寄存嚣在每种异常模式下都对应到不同的物缨寄存 器上，铡如i r i r q , l rs v c ，i r f i q 答。 r 1 5 ：又叫做程序计数器，即p c ，所有的模式下都使用同个p c 。 b ) 状态寄存器： c p s r ：当毒拳程枣状态寄存器，掰宥静模式下都使焉圈一个c p s r 。 s p s r ：保存的程序状态寄存器，每种异常模式下都有自融的s p s r 。共有 5 莘申s p s r ，即s p s r b q 、s p s r n q 、s p s r 。，。、s p s r 曲t 、s p s r m 小。u s r 和s y s 态下没有s p s r 。 所有的a r m 寄存器的命名和含义，可以用下面的表1 2 求说明， 表1 2 各种处理器模式下的寄存器 其中相同命名的都是同一个秘瑷寄存器，不阉的寄存器郝对应不同静物理寄 存器。 江苏大学硕士学位论文 第二章半自动生化分析仪硬件设计 本章饕先鬻述了睾羹凄生豫分辑仪硬箨系绞绥穆，然轰麸嵌入式筵理器逡囊 及设计、存储器扩展，嵌入式系统的外围电路及接口等方面介缁了嵌入式系统硬 件设计。 2 1 硬件电路总体结构设计吲”瀚1 如图2 1 所示，半自动生化分析仪主要由微处理器及外扩存储器、信号采集 龟整、滠痰控毒l 毫路、步迸龟援控潮驱动电路、穗源、键鑫翻驻示电路、r s 2 3 2 总线及以太网接口电路组成。 图形液晶 显示模块 7 7 艇阵式 键盘( p c 接 口驱动) n o r f l a s h lip s r a min a n df l a s h 2 m | l8 mll3 2 m s 3 c 4 4 8 0 x 攮r v 1 7 t d m i - s ) 温度控裁 模块 步避电税驱 动模块 吸光艘检测模 块 以太网模块 r $ 2 3 2 滤光盘羧赣多避电 蠕动泵控制电机 嘲2 。l 半自动：皇纯分析仪原理方框图 本系统的c p u 采溺s a m s u n g 公司鹣1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 8 0 x 。s 3 c 4 4 b o x 提供了丰黼的内置部件，包括8 k bc a c h e ，内置s r a m ，l c d 控制器，带自动掇手的 2 通道u a r t ，4 通道d m a ，辨部存储器控制器，带商p 硼功能的5 通道定时器，i o 鞴霹，r t c ，8 逶道1 0 彼a d c ，1 2 c 慧线接叠，1 2 s 憨线接墨，丽步s i o 接叠秘p l l 倍频器。 由于s 3 c 4 4 b o x 本身不具备r o m ，因此必须外接r o m 器件来存储放掉电后仍需 江苏大学硕士学位论文 保存静代磁秘数据，本系统采霜添逮存储器- - s s t 3 9 v f l 6 0 鸯了绦证嵌入式系绫 的移植和应用程序的保存，系统对存储器做了如下扩展： 8 m b1 6 - b i tp c i o o p c i 3 3 兼容s d r a m 。 2 醛转1 6 一h i tf l a s hr 0 醚( s s t 3 9 v f l 6 0 ) 。 3 2 m bn a n d f l a s h ( k 9 f 5 6 0 8 ) 。 系统的功能模块可以分为如下： 蔽毙凄捡添模块：主要实蠛瓣跑色潼工终滚暇光度静采集。 l c d 、键盘、微型打印机模块，用于显示检验结果，并实现人机交互。 r s - 2 3 2 和以太网接口模块，r s 2 3 2 接口用于半自动生化分析仪同p c 机之 阔黪逶添，可以怒半叁费生纯分褥纹静保存静数据警密来。以太露羧避 可以把半自动生化分析仪连接到互联网上。 步进电机控制模块，主要实现对滤光盘和蠕动泵的控制。 溢浚控毒l 攘袭：圭簧实瑗瓣魄凭避夔麓熬裁冷。保持魄稳漶i 萋废不交。 其他模块：包括电源模块，时钟模块等。 2 ，2 模块分述 2 2 ，1 吸光度、温度检测模块 这一部分作为生化分析仪信号检测的核心部件，应具备优异的性能。根据系 统鼹信号采簇速度萃薹精度懿要求，采怒a d 公司戆1 6 位a d 转羧器a d 7 7 0 5 采 实现a d 转换。 1 a d 7 7 0 5 简介 a d 7 7 0 5 是卡六位分辨率蕊a 国转换 器，2 通道众差分模拟输入，使用+ 5 v 单电源， 主要应用于低频测量。它利用了一a 转换 技术实魏了1 6 位无丢失代玛往戆、三线数 字接口，可以通过串行输入接口由软件配置 芯片的增益德。输入信号极性和数据鞭新速 率，菲常灵溺方便，翼有蠢校准襄系统校准珐 能能够消除器件本身和系统的增益以及偏 移误差。下面简单介绍爨存器的功能。 s c 执 m c l k l n m c l k o u t c s r e s 嚣 a i n 2 ( + a i n i ( + ) a i n i 秘 圈22 肝7 0 5 引脚分布图 l _ y h 删粪洲刚一鳓撇瞅孵 江苏大学硕士学位论文 邋僖寄存器 q 巫煦羔r 墨z熙s !s qb 妊s ! 旦y丛!g h q 0 d r d y - ：写操作时此位必须为0 ，读操作时表示数据寄存器数据是否准备好。 r s 2 ，r s l ，r s 0 ：毒存器逸强位。 r w - ：读写选择”0 0 表示下一次是写搡作”1 0 表示下一次是读操作。 s t b y ：等待模式，写入0 0 器件处于正常工作模式。 c h l ，c h 0 ：邋道选择，0 0 选择通道1 ，0 1 逡撵逮道2 。 设鬣寄存器 m 旦!m 望q 趁q !鱼q垦：型娶姒量e s y 盥 m d l ，m d 0 ：! 作模式选撵位，o o 为正常工作模式，o l 为自校准，l o 为零刻度系统搜 准，l 为漓麴度系统较漆。 g 2 ，g 1 ，g o ：增益选择位，o o 0 8 分别对殿增益值1 1 2 8 。 b u ：单极性，双极性择便，0 0 表示双极性。 b u f ：辕入缓冲控裁位, o o 表示无缓羚。 f s y n ：滤波器同步。 时钟寄存器 z e r o ：必须为0 ，否则，会鼯致器件的j 指定操作， c l k d i s ：主时钟禁止位，1 0 禁止时钟犍m c l k o u t 引脚输出， c l k d i v ：时钟分频位， c l k ：露钤位时钟频率为2 4 5 7 6 m h z 辩 该位设置为1 0 ，辩锋频率为t m h z 时，该经 设置为0 0 ” f s l , f s 0 ：滤波器选择位，c i 一起决慰器件的输出熙新率”如表2 1 ” 表2 1f s i ! f s 0 鸟c l k 决定翦器 孛骧窭更蓊搴 00 02 0 h z 00l2 5 h z 0 l0 0 0 投 0 112 0 0 h z 10 05 0 h z le】6 0 琰z 0 1 2 5 0 h z 5 0 0 h z 注z 瑕寇m c l k i n 脚的时钟频率正确，c l k d i v 位熬设矍也是遗酱的。 1 5 江苏大学硕士学位论文 2 、吸光度放大电路 当光透过待测样品后，信号会变得很弱，为了提高其测量精度，就必须对其 进行放大。对于不同波长的光信号，对于同一种待测样本，波长越长，通过光电 传感器得到的电信号就越大，因此，当波长越短，选用的放大倍数应越大，当选 用的波长变长时，选用放大倍数应有所减小。如图2 3 ，4 0 5 1 为8 选1 多路选通 开关，其选通由输入端a 、b 、c 决定。当a b c 的输入为0 0 0 至1 1 1 时，可以依 次选通0 至7 路通道。放大倍数依次是2 0 一2 7 图2 3 光电放大电路 本系统设计了8 级增益，放大倍数，为保证a d 输出在工作范围内，放大后 a d 的输出小于4 0 0 0 0 e 实际测定值n ( 增益) 4 0 0 0 0 、 增益8 个等级，分别为： 3 4 0 n m ： 1 1 0 0 0 ( 1 ) 4 0 5 n m ： i x 1 0 5 5 ( 2 ) i 4 9 2 n m ： i 1 1 1 0 ( 3 ) i 5 1 0 n m ： 1 1 7 8 ( 4 ) 5 4 5 n m ：i 1 2 5 6 ( 5 ) 5 7 8 n m ： 1 3 3 3 ( 6 ) 6 3 0 n m ： j 1 4 5 4 ( 7 ) 1 5 5 5 ( 8 ) 3 、吸光度信号、温度信号a d 转换电路 根据系统对采集速度和采集精度的要求，本设计采用了1 6 位高精度的a d 江苏大学硕士学位论文 转换器a d 7 7 0 5 ，接口电路图如图2 4 h 口卢广 l m c l k nv d d ! l 意：锪峭h m c l ko u ts c i k l 8 d fn 8 口f 一_ 髂t5 c sd i n 1 4 寺 哦光匿信号 6 r s td o u t 1 3 n dv c c温度信号 7 a i n 2 f + 】d p d y 1 2 t! ! a i n i ( + ) 1 0参考电压 a i n 2 ( ) r e f q ) 9 卜：。乒 a m 3 ( - ) r e f 矾( + ) 飞 g n d g n d 瞻 至s 3 c 4 4 8 0 x 引脚 u n u 图2 4 吸光度、温度a d 转换电路 22 2 液晶显示模块和键盘m 伽 由于半自动生化分析仪的人机交互性能很大程度的决定了半自动生化分析 仪的市场前景，因此在设计中采用了3 2 0 2 4 0 的大液晶显示器和7 7 的矩阵键 盘设计。 1 、液晶模块 根据半自动生化分析仪输出信息丰富的特点，选用了一款j m 3 2 0 2 4 0 a 型液 晶显示模块。j m 3 2 0 2 4 0 液晶显示模块是一款内置s e d l 3 3 5 控制器的3 2 0 2 4 0 点阵液晶显示模块( l c m ) 。它由l e d 背光、s e d l 3 3 5 控制器、3 2 k 8 s r & m 、驱动 单元、液晶板等部分组成。模块接口包括控制线、数据线、对比度调节电源输入 线三个部分。 图2 5 液晶模块接口电路 1 7 江苏大学硕士学位论文 上黧掰示为j m 3 2 0 2 4 0 a 瓣羧瓣电路。觚强中可良看窭，j m 3 2 0 x 2 4 0 鲍片 选信号是由n c s 3 控制，a 1 控制命令口，n w e 为写信号，n o e 为读信号，d o t d 7 为7 能并口总线。 鹜鼯患阵式滚晶燕示模块不仅露激显示字餐、数字、各静嚣形、整线及汉字， 还可以通过编程进一步实现一定的动画功能。 模块内置控制器s e d l 3 3 5 与阎类产品相比功能最强。它舆有较强的i o 缓 冲器，鼙冀孛冗访露s e d l 3 3 5 爨不嚣蠲甄其“甓”；它豁舞令功能丰富，共蠢 3 条指令；驱动能力强，最大驱动能力6 4 0 2 4 0 点阵；内部采用4 线数据并行传 送；支持图形文本合成屐示，在图形方式下具裔三重屏幕显示等特点。 在镣避示一羼之耱，必须遗露瓣赣，瑟瀵爨瓣工雩# 。在逮燕鬟爰工整溅控系 统的数据处理和管理特点，用高级谮言c 语言设计应用程序，合理规划软件的功 能，以多屏菜单选择、提示菜单与图表显示相结合的方法，很好地解决了一般图 形滚鑫露示中文菜蕈、鬻表稳餮形瓣瓣蘧。氧銎2 6 是生毒乏分辑饺系统豹麦赛嚣： 主菜单 l 、测量 l2 、试验报告 l3 、质量控制 l4 、编程 5 、系统设定 图2 6 半自动生化分析仪主界面 2 、键盘 半自动生化分析仪的键盘包括功能键、数字键、字母键和符号键。为了提高 输入效鼯，在设计中没有采用复合键，而是采用8 8 的的矩阵键盘。在键盘接 口电路懿设诗中，采溺了嘉衮泣选公司生产鲍c h 4 5 2 芯片，c h 4 5 2 是一款囊嚣鞋镑 振荡电路的数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。具有d i p 2 4 s 和s o p 2 8 两种封 装形式。在键盘控制中有如下特点： 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 内置6 4 键键盘控制器，内置6 4 键基于8 8 矩阵键盘扫描。 ( 2 ) 内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路。 ( 3 ) 键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出。 ( 4 ) 提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放。 ( 5 ) 支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的c h 4 5 2 可以被部分按键唤醒。 另外c h 4 5 2 可以通过级联的4 线串口或者二线串行接口与s 3 c 4 4 b o x 交换数 据：并可以对s 3 c 4 4 b o x 提供上电复位信号。为了保证键盘响应的灵敏度，采