（生物医学工程专业论文）基于嵌入式PC的PKU荧光检测系统硬件设计.pdf

a b s t r a c t p h e n y l k e t o n u r i a ( p k u ) i sak i n do fd i s e a s ew h i c hi sr e l a t e dt ot h ed e c r e a s eo f c h r o m o s o m ei nt h eb o d y t h i sc a nr e s u l ti nt h e m e t a b o l i z a b i l i t y c o n f u s i o no f p h e n y l a l a n i n e n o w a d a y s ，t h e i n s t r u m e n t sw h i c ha r e u s e dt o i n s p e c t t h e p h e n y l a l f i n i n ei no u rc o u n t r ym a i n l yd e p e n do ni m p o r t a t i o n s ot h ed e v e l o p m e n to f i n s p e c t m i o nw e n to ns l o w l y t h e r ea r e 1 w om e t h o d st oi n s p e c tt h ep h e n y l a l a n i u ea m o n gt h ep e o p l e t h e ya r e b a c t e r i o s t a s i sa n df l u o r e s c e n tm e a s u r e t h eb a c t e r i o s t a s i si sak i n do fq u a l i t a t i v e m e t h o dw h i c hh a sb e e nw a s h e do u t t h ef l u o r e s c e n tm e a s u r ei sap r e c i s eq u a n t i t a t i v e m e t h o d i th a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi n s t e a do fb a c t e r i o s t a s i sb e c a u s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha ss i m p l e 、f a s t 、e a s yt oo p e r a t e 、g o o dr e p e t i t i o na n ds t a b i l i t y t h eh a r d w a r ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e dp ci sr e l m et ot h ep k uf l u o r e s c e n t m e a s u r es y s t e m d e s i g n sa b o u ts e n s o r 、d r i v i n gc i r c u i t 、c o n t r o l l i n gc i r c u i t 、o f i e u t i n g c i r c u i t 、d e t e c t i n gc i r c u i ta n ds i g n a lt r a n s f o r mc i r c u i ta r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r a l l t h e s ed e s i g n sa r eb a s e do ne m b e d d e dp ca n dc o n t r o l l e db yi t s i g n a l sw h i c hc o m ef r o mh a r d w a r ec i r c u i ta r er e v e r t e db ye m b e d d e dp c t h e y a r et h es a m et ot h ea c t u a li n p u ts i g n a l r e v e r t e dd a t ah a st ob ed e a l tw i t ha n a l y s i so f r e g r e s s i o ni no r d e r t oc h e c ko u tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ei n s t r u m e n t k e y w o r d ：e m b e d d e dp c , h a r d w a r ed e s i g n , a n a l y ，s i so f r e g r e s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也小包含为获得墨注盘雯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。 学位论文作者签名 签字日期：文旷年f 月吖目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储躲蒽 签字日期：函面年r 月，f 日 导师签名： 芝营 签字日期：函西年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 系统研究的内容意义 1 1 1 苯丙酮尿症( p k u ) 及其晒查的重要性 苯丙酮尿症( p k u ) 是一种由于人体正常染色体缺陷，所造成的新生儿体内 苯丙氨酸代谢紊乱的疾病。1 9 3 4 年，f o l l i n g 首先诊断出智力发育不全性苯丙酮 尿症。其发病机理是新生儿体内缺乏一种叫做苯丙氨酸水解酶的活性物质，而苯 阿氨酸水解酶的作用是将蛋白质中的苯丙氨酸水解为酪氨酸，便于人体吸收和利 用。由于酪氨酸的形成途径被阻断，血液中的苯丙氨酸就不能被水解。苯丙氨酸 通过代谢旁路形成苯丙氨酸及其衍生物引起苯丙氨酸浓度高出正常水平。如 果在婴儿出生早期没有得到及时诊断和治疗，在其发育过程中，高浓度的苯丙氨 酸会严重损害婴儿的神经系统，将导致病儿不可逆的智力障碍。但是，如果早期 能够确诊苯丙酮尿症，及时给婴儿喂养低苯丙氨酸的食品，就可以预防智力发育 障碍的出现，因此对新生儿出生早期进行p k u 筛查非常有意义 1 】。 据报道，全球新生儿p k u 平均发病率的大约是2 5 0 0 0 分之一，我国目前筛查 结果显示p k u 平均发病在1 5 0 0 0 分之一左右。尤其我国华北地区是p k u 的高发区， 发病率在l ：6 0 0 0 左右。按照1 5 0 0 0 分之一这一平均值计算，我国拥有1 3 亿多 人口，每年新出生人口在2 0 0 0 万左右，每年将新增添1 3 0 0 多p k u 患儿。尽管苯 丙酮尿症的发病率并不高，但是它的危害却非常大，它不仅影响下一代智力的发 育，也给许多家庭和社会带来不幸。所以对这些患儿及时诊断和治疗，避免其发 生智能落后，有着极其重要的社会意义和经济意义。新生儿疾病的筛查已经成为 提高我国人口素质的重要措麓1 2 】。 1 1 2 研究目的意义 我国政府对新生儿筛查工作非常重视，早在1 9 9 4 年颁布的中华人民共和 国母婴保健法中第二十四条明确规定：医疗保健机构为产妇提供科学育儿、合 理营养和母乳喂养的指导。医疗保健机构对婴儿进行体格检查和预防接种，逐步 开展新生儿疾病筛查、婴儿多发病和常见病防治等医疗保健服务。卫生部对该条 文的解释中明确指出：新生儿疾病筛查是防治某些先天性代谢及内分泌疾病造成 的儿童智力低下的有效方法。由此也可以看出，对新生儿进行必要的筛查对 一个国家具有积极的意义归j 。 国内的新生儿筛查工作在筛查方法上已经经历了从起步到达到国际水平的 第章绪论 过程。目前c h ( 先天性f p 状腺功能低f ) 的筛查已经经历了由放免一免放一酶 免一时间分辨荧光免疫的过渡，p k u 筛查方法由抑菌法一荧光法的过渡正在进行 巾。无论c h 还是p k u 筛查，现在国内使用的基本为芬兰w a l a c 和l a b s y s t e m s 公司的产品。各实验室与列外公司所签定的合同基本到期，有寻找廉价的替代产 品的愿望。 基于上述原因，我们决定研究和开发一种有自己独立知识产权的，可以在国 内生产的、具有广泛使用性，可以替代国外同类产品的仪器。这样就可以大大降 低新牛儿筛查的成本，从而推动我国新生儿筛查事业的发展，为提高国民健康水 平提供技术支持。 1 2 系统研究方法 目前世界上用于检测苯丙氨酸的方法有经典的细菌抑制法、荧光法、比色法、 高效毛细管电泳法、苯丙氨酸脱氢酶法以及高效液相色谱法等。适用于大人群新 生儿p k u 筛查的方法则只有细菌抑制法和荧光法。其中细菌抑制法仅是一种半定 量甚至只是定性的方法。速度慢且假阳率高，所以目前已经趋于淘汰。而荧光法 是一种定量的精确的方法，该方法是一种高灵敏度定量分析方法其检测方法简 便、快捷、易操作、重复性好、稳定性高。目前采用荧光分析法检测p k u 特异性、 灵敏度较高，易于大规模普查。所以今天世界性的趋势是用基于微量反应板的定 量荧光法来替代半定量的抑菌法。 荧光检验法于1 9 6 2 年由c a m a n 和r o b i i i s 发明。这种检验方法是基于通过二 肽和l 亮氨酸提高苯丙氨酸水合茚三酮反映产物。一种琥珀酸盐缓冲液被用来 优化荧光法和增加特异性。一种铜反应物被用来迸一步增强反应和降低副反应。 这种方法能够定量测定苯丙氨酸而不受其他氨基酸的影响。它可以半自动化进 行，并且假阳性率也低于细菌抑制法。这种检验方法的灵敏度能够达到1 2i j f n o l l ( 0 2m g d 1 ) 的样本浓度。正确的采样方法对于检验结果的准确性非常重要。如 果不使用有统一标准的试剂，而采用般的采样试纸，可能会影响到检验结果的 准确性。不一致的采样、把样品暴露在恶劣的环境中、被其他液体污染、或因为 操作过程没有戴手套而污染，都可能使检验结果不准确。因此，这样采集到的样 本是不允许检验的。必须有足够的标准样本才能够进行检验，否则检验将被延迟。 荧光分析法的灵敏度高于其它光谱分析法2 3 个数量级，适用于微量分析。 血清中游离氨基酸含量甚微，般方法难以定量测定。采用荧光分析法测定其含 量，不仅灵敏度高，方法特异、简便，而且血清用量少( 1 0pl ) ，适用于临床诊 断某些先天性氨基酸代谢缺陷病”j 。 本项目拟设计一套基于光纤的紫外光诱导的荧光检测系统。首先，用特殊波 第一章绪论 过程。目前c h ( 先天性1 1 状腺功能低下) 的筛查已经经力了由放免一免放酶 免叫问分辩荧光免疫的过渡，p k u 筛查方法出抑菌法一荧光法的过渡正在进行 中。无论c h 还是p k u 筛查，现在国内使用的基本为芬兰w a l l a c 和l a b s v s z e m s 公一j 的产品。各实验室与豳外公司所签定的合同基本到期，有寻找廉价的替代产 品的愿望。 基于上述原因，我们决定研究和开发一种有自己独立知识产权的，可以在国 内生产的、具有广泛使用性，可咀替代国外同类产品的仪器。这样就可以大大降 低新生儿筛查的成本，从而推动我困新生儿筛查事、的发展为提高国民健康水 平提供技术支持。 12 系统研究方法 目前世界上用于检测苯丙氨酸的方法有经典的细菌抑制法、荧光法、比色法、 高效毛细管电泳法、苯丙氨酸脱氢酶法以及高效液相色谱法等。适用于大人群新 生儿p k i j 筛查的方法只有细菌抑制法和荧光法。其中细菌抑制法仅是一种半定 量甚至只是定性的方法，速度慢且假阳率高，所以目前已经趋于淘汰。而荧光法 是一种定量的精确的方法，凌方法是一种高灵敏度定量分析方法其检测方法简 便、快捷、易操作、重复性好、稳定性高。目前采用荧光分析法检测p k u 特异性、 灵敏度较高，易丁：大规模普查。所以今天世界性的趋势是用基于微量反应板的定 量荧光法来替代半定量的抑菌法。 荧光检验法于1 9 6 2 年由c a m a n 和r o b i n s 发明。这种检验方法是基于通过二 肽和l 亮氨酸提高苯丙氨酸水台茚三酮反映产物。一种琥珀酸盐缓冲液被用来 优化荧光法和增加特异性。一种铜反应物被用来进一步增强反应和降低副反应。 这种方法能够定量测定苯丙氨酸而小受其他氨基酸的影响。它百丁以半自动化进 行，并且假阳性率也低于细菌抑制法。这种检验方法的灵敏度能够达到1 21 4 n n 1 ， ( 0 2m g d 1 ) 的样本浓度。正确的采样方法对于检验结果的准确性非常重要。如 果不使用有统一标准的试剂，l 阿采用一般的采样试纸，可能会影响到检验结果的 准确性。小一致的采样、把样品暴露在恶劣的环境中、被其他液体污染、或因为 操作过程没有戴手套而污染，部可能使检验结果不准碲。冈此，这样采集到的样 本是不允许检验的。必须有足够的标准样本才能够进行检验，否则榆验将被延迟。 荧光分析法的灵敏度高于其它光谱分析法2 3 个数量级，适用于微量分析。 血清中游离氨基酸含量甚微，一般方法难以定量测定。采用荧光分析法测定其含 量，不仅灵敏度高，方法特异、简便，而且血清用量少( 1 0 pl ) ，适用于临床诊 断某些先天性氨基酸代谢缺陷病。 本项目拟设计一套基丁光纤的紫外光诱导的荧光检测系统。首先，用特殊波 本项日拟设汁一垂基于光纤的紫外咒诱导的荧光检测系统。首先，用特殊波 第一章绪论 长( 3 9 0 n m ) 的紫外光发射二极管作为激发源，用y 型的光纤把激发光分成两束， 引导激发光产生荧光。所产生的荧光强度与样本中苯丙酮氨酸的浓度成比例关 系。所以，只要测定荧光强度，就可以计算出血液样品苯丙酮氨酸的含量，从向 判定被检测者是否患有苯丙酮尿症。用这套系统我们可以检测反应1 f l 中标准化处 理了的新生儿干的血液样本，与标准样本的荧光度相比较。标准样本是由芬兰的 l a b s y s t e m s 公司生产的。 1 3 本课题涉及的内容及意义 随着临床检验技术及方法的不断改进，微孔板扫描式医用检验仪器得到迅速 发展，尤其是计算机技术的快速发展，又带动了仪器的更新越来越快，仪器的功 能也越来越强。智能化、小型化、多功能、多参数、便携式、低功耗等特点已经 成为目前现代医用检验仪器的典型标志。但医用检验仪器的研制和开发，除了其 重要的前端信号检测装置外，决定仪器具有以上这些特性的关键就在于微机控制 系统的设计了。这部分虽然有成熟的技术，但是如果采用传统的开发思路，应用 单片机从芯片级的底层去开发，开发周期太长。由于许多成熟的系统应用软件无 法使用或不能全部兼容，所以开发的功能也受到局限，而且产品换代升级困难、 周期长，尤其是目前仪器普遍要求带有与其它微机或网络通讯的接口，从这点讲， 传统的设计思路就更难实现。另外，由于受到芯片功能的限制，控制电路板的的 体积也过大，仪器小型化受到限制。 现在有了嵌入式p c ，以上的诸多问题就迎刃而解了。所谓嵌入式pc ，是将 一台pc 设计成一件产品中的一个元件，因为产品内嵌入pc 可发挥pc 的各项 智慧型功能，所以嵌入式pc 可与任何产品结合发挥pc 功能。比如盛博科技公 司生产的s b sp c 1 0 4 嵌入式p c ，其与i b mp c 全兼容，高度可靠、坚固耐用，可 大大提升应用设备的品质；硬件系列标准、模块功能齐全，大大缩短产品开发周 期；可运行软件丰富、免去专用开发系统，大大降低开发成本；产品结构标准、 升级方便，大大延长应用产品生命周期。另外，它还在板设有串口、并口、u s b 口、1 0 1 0 0 b a s e t 以太网接口、t v 口等，可使得仪器与其它设备的信号传输更灵 活方便。 目前国内还没有将嵌入式p c 应用于医用检验仪器中的报道，国外也只是随 着嵌入式p c 价格降低，才开始在医疗仪器领域应用嵌入式p c 技术，但只有公司 宣传，没有文献报道。鉴于嵌入式p c 的特点，以及根据我国国情( 我国关键p c 芯片只能依靠进口，开发芯片级产品投资大，研制周期长等情况) ，采用嵌入式 p c 技术，可以以最小的风险、最低的成本、最短的开发时间，实现目前较先进 的控制方式。所以该项目研究具有比较重要的意义。 第一章绪论 本课题主要设计制作p k u 荧光检测系统的硬件电路，并且研究探索嵌入式 p c 存微孔板扫描式医用检验仪器中的应用方法，为具体研究和丌发此类医用检 验仪器奠定技术基础。该项目主要完成标准微孔板机械扫描装置的设计制作，扫 描驱动电路的设计制作，利用嵌入式p c 实现对微孔板平面x ，y 定位扫描以及混 合振荡的控制，并探索软硬件的优化设计，得出最佳设计方案。完成嵌入式p c 控制微孔板扫描装置，搭建微孔板扫描类医用生化检验仪器开发平台。当然，此 平台也可以扩展到在其它医疗仪器中的应用。 在研究生就读期间，我主要进行了以下几项工作： i 开发设计并调试了系统的硬件电路部分，通过使用嵌入式p c 的控制，实现 各部分的功能。并且参与了机械扫描装置的设计和调试。 2 参与了系统的软件调试及软硬件的整机综合调试。编写了控制系统机械部分 运动的程序，以及对样本进行检测和对检测结果进行分析的程序。以上工作本人 全程参与。 3 进行了一系列实验。通过实验来检验仪器的灵敏度、精确度、重复性、再现 性等参数。 具体的电路介绍、功能实现、控制方式和实验的内容以及对实验数据的处理 将在后面的章节进行介绍。 第二章系统的总件设计 2 1 荧光分析法简介 第二章系统的总体设计 某些物质受紫外光或可见光照射后能发射出比激发光波长长的荧光，这一原 理就是荧光检测系统设计的理论基础。某些化学物质从外界吸收并存储能量从而 进入激发态，当其从激发态再回复到基态时，过剩的能量可以以电磁辐射的形式 放射，也就产生了荧光。荧光发射的特点是：可产生荧光的分子或原子在接受能 量后即刻引起发光，一旦停止供能，荧光现象也随之在瞬间内消失。 可以激发荧光的能量种类很多，由光激发所引起的荧光称为致荧光。由化学 效应所引起的称为化学荧光，由x 线或阴极射线引起的分别称为x 线荧光或阴极 射线荧光。荧光免疫技术一般应用致荧光物质进行标记。 荧光分子不会将全部吸收的光能都转变成荧光，总或多或少地以其他形式释 放。荧光效率是指荧光分子将吸收的光能转变成荧光的百分率，它与发射荧光光 量子的数值成正比，与吸收光的光量子的数值成反比。 发射荧光的光量子数量，即荧光强度，除受激发光强度影响外，也与激发光 的波长有关。各个荧光分子有其特定的吸收光谱和发射光谱( 荧光光谱) ，即在 某一特定波长处有最大吸收峰和最大发射峰。选择激发光波长接近于荧光分子的 最大吸收峰波长、而测定光波长接近于最大发射峰波长时，得到的荧光强度最大。 应用物质的激发光谱和荧光发射光谱分析，可以对该物质做定性分析。 荧光分子的辐射能力在受到激发光较长时间的照射后会减弱甚至猝灭，这 是由于激发态分子的电子不能回复到基态，所吸收的能量无法以荧光的形式发射 所造成的。一些化合物有天然的荧光猝灭作用而被用作猝灭剂，以消除不需用的 荧光。因此荧光物质的保存应注意避免光( 特别是紫外光) 的直接照射和与其他 化合物的接触。 荧光分析法的灵敏度一般比紫外分光光度法或比色法高。但是对于浓度太大 的溶液会有“自熄灭”作用，以及由于在液面附近溶液会吸收激发光，使发射光 强度下降，导致发射光强度与浓度不成正比，故荧光分析法应在低浓度溶液中进 行。所用的仪器为荧光计或荧光分光光度计，按各药品项下的规定，选定激发 光波长和发射光波长，并配制对照品溶液和供试品溶液。 由于不易测定绝对荧 光强度，故荧光分析法都是在一定条件下，用对照品溶液测得浓度的线性范围后， 再在每次测定前，用一定浓度的对照品溶液校定仪器的灵敏度；然后在相同的条 件下，读取对照品溶液与供试品溶液的读数，进行比照分析。 第二章系统的总体设计 2 2p k u 荧光检测系统工作原理 整个p k u 荧光检测系统工作的原理如图2 1 所示。从波长范围在3 9 0 n m 到 3 9 5 n m 的紫外发光二极管发射出来的荧光，经过光纤照射存制备好的试剂上面。 由于特制的试剂中添加有荧光激发物质，所以会激发出荧光。激发荧光的光强与 试剂中待测物质的浓度成正比。该荧光光线经光纤传输送到包括光电倍增管在内 的信号检测处理系统中，进行进一步的放大处理。 系统中，光源是固定矸i 动的，所以需要样品的实际移动来实现扫描。扫描过 程的实现，依赖于扫描装置的设计和控制。扫描装嚣的核心部件是2 个三相反应 式步进电机，扫描框架通过皮带固定在步迸电机的轴上，它的运行由步进电机的 运行带动。另一方面，光电倍增管所检测到的信号经过一定的硬件电路处理后， 被送入嵌入式p c 中，进行进一步的处理和分析。虽终的结果由嵌入式p c 输出。 作为整个p k u 荧光检测系统的控制核心，嵌入式p c 的作用不可忽视。它 控制着光源、各种功能实现部件的运行；实现各类传感器的控制检测；进行信号 处理；并且通过对步进电机的驱动和控制，带动扫描机构沿水平和垂直方向运行， 从而完成扫描任务。 图2 - 1p k u 荧光检测系统原理图 荧光的产生和传输系统主要包括光源、光纤和光电倍增管。光源产生光能量； 光电倍增管检测出光能量，并且把它变换成为电的形式输出；光纤用来传导光能。 具体的荧光信号检测原理如图2 2 。 光源采用的是波长范围在3 9 0 n m 到3 9 5 n m 的紫外发光二极管，由发光二极管 发射出来的紫外光经过光纤传输照射在微孑l 板的样品上。样品中含有特殊的物 质，所以，在紫外光的照射下，可以激发出波长为4 8 5 n m 左右的荧光，荧光信号 经光纤传输送入光电倍增管，以便进行下一步的处理。 对于光纤系统而言，发光二极管是种重要的光源。它发生的辐射具有相当 6 第二章系统的曲体没训 窄的频谱范围，并月还具有足够的输出功率和有效功率转换效率。本系统所用的 光纤是y 型石英玻璃光纤，其对紫外光信号传输支路采用的是石英光纤，而对荧 光信号传输支路采用的是玻璃光纤。这种光纤结构刚好符合r 本系统的搜计要 求。因为对于波长较小的紫外光，频率较高，其对传输介质的要求也比较高，故 此采用石英光纤来进行传输，而对于波长较长的荧光，其频率较低，所以对传输 介质的要求也比较的，故此采用玻璃光纤来进行传输。 图2 - 2 荧光信号检测原理 第三章机械子1 描装置的制作和设计 第三章机械扫描装置的制作及控制 3 1 扫描装置的结构介绍 在p k u 荧光检测系统中，机械扫描装置的主要作用是存放装有样品试剂的 微孔板，并使放在托架上的微孔板在步进电机的带动下沿着水平及垂直方向运 动。图3 - 1 所示为扫描装置截面实物图；图3 2 所示为扫描装置俯视截面图，图 中标记为步进电机的安装位置；图3 3 所示为扫描装置斜视截面图，图中标记为 定位传感器的安装位置。 图3 - 1扫描装置截面实物图 图3 2 扫描装置步迸电机位置示意图 第三章机械扫描装置的制作和设计 图3 - 3 扫描装置定位传感器位置示意图 如图3 2 所示，步进电机分别置于装置的左上角和右下角，而在装置的右上 角装有2 个从动轮，它们通过皮带分别与安装在2 个步进电机上面的主动轮连接。 水平及垂直方向移动的滑竿被固定在可以沿导轨移动的滑块上面，而滑块紧箍在 导轨上面，这样，滑竿与导轨通过滑块连接起来。上端与右端的滑块分别被固定 在皮带上。而用于放置微孔板的托架就固定在移动滑竽上。这样，当步进电机带 动皮带运行的时候，固定在皮带上面的滑块将沿着导轨移动，从而带动滑竿及托 架上面的微孔板水平或垂直移动，使放在微孔板中的样品得到扫描。 图3 3 标出了用于定位的4 个传感器的位置。如图所示，位于左上角的两个 传感器用于定位初始扫描点，而左下角和右上角的2 个传感器是为了定位微孑l 板 出舱的位置而设计的。当微孔板运行到指定位置时，定位传感器会产生一个状态 信号，而嵌入式p c 则可以检测到这个状态信号，从而可以判定出微孔板已经运 动到了要求的位置。此时，嵌入式p c 会发出控制命令，使步进电机停止运行。 3 2 扫描装置制作安装过程中的问题及懈决办法 p k u 荧光检测系统的机箱及扫描装置是由天津光电公司设计并制作的，但 是在实际使用的过程中出现了些问题。其中，最主要的就是减少运行过程中的 摩擦阻力、提高扫描机构运行的精度。 移动滑竿在设计时要求相互垂直、并与水平及垂直方向的导轨平行，这样在 运行过程中的摩擦力才会达到最小，使扫描机构的运行平稳。但是在实际运行中， 绝对的平行很难达到。由于滑竿较细且较长，所以微小角度偏移将引起较大的误 差。在之前的设计中，带动托架左右移动的滑竿一端被固定滑块上，另一端悬空， 第三章机械扫描装置的制作和设计 滑块紧箍在水平方向的导轨上，滑竿与导轨通过滑块连接；而带动托架前后移动 的滑竿两端均被固定在滑块上，两个滑块又全都紧箍在导轨卜面，这样的设计使 托架的运动摩擦阻力增大。 为此，我们将左边垂直导轨卜面滑块的下半部分切割掉，使其只是能够搭在 导轨上面移动。因为滑竿由右边的滑块带动，左边的滑块只是起到支撑的作用， 所以这样的处理丝毫不会影响到滑竿的移动。而且，当运行过程中相互垂直的滑 竿之间出现小角度的偏移，并且由此使摩擦阻力增大时，由于左边的滑竿并没有 紧箍在导轨上面，所以可以有微小的空隙调整，以减少摩擦力，这种微小的调整 并不会影响到整个系统的运行精度。 此外，为了减少滑块在移动过程中的摩擦，提高运行的精度，在和皮带相连 的滑块与导轨之问安放滚动轴承，以达到使运行畅通的目的【7 1 。 3 3 扫描机构的驱动及控制原理 3 3 1 步进电机驱动电路 1 步进电机简介 步进电动机本质上属于断续运转的同步电动机。是数字控制系统中的一种执 行元件。其功用是将输入的脉冲电信号变换为相应的角位移活直线位移，亦即给 一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，又由于它输入的是脉冲电流， 所以又称为脉冲电动机。 步进电动机是当按一定程序输入直流电压和电流加以激磁时，即可转换为旋 转或直线增量运动的一种装置。当采用适当的控制时，步进电动机的输出步数总 是和输入指令的脉冲数相等。每个脉冲使转轴进位一个步距增量，并依靠磁性将 转轴准确的锁定在所进位的步距位置上。 火多数步进电动机可以正反转步进运行。在增量运动控制方面，步进电动机 可以用作具有迅速的加速、减速和停机能力的起停运动控制器。步进电动机以具 有低转于惯量、无漂移和无累积定位误差为其特征。 由于步进电动机具有精度高、惯性小的特点，主要用于开环控制系统，使系 统结构简单，运行可靠。也可用于闭环控制系统。在数字控制系统中，它既可用 作驱动电动机，又可用作伺服电动机。 通常，步进电动机可分为反应式、永磁式、感应式( 混合式) 、机电式、电 液式和螺管线圈棘轮式。其中反应式步进电动机用的比较普遍。本设计中采用的 是三相反应式步进电机。 步进电机的步进位置是在设计和加工时引入的许多零件和装置的尺寸所决 第三章机械扣描装置的制作和设计 定的。这些尺寸的公差导致了步进位置偏离其正确标称位置的误差。这就称为步 进电机的精度，表示为任意位置的最大角误差，标称步距角的百分值或度数。 步进电动机的固有位置误差可以在各种负载条件f 出现，但是并非累积性 的。具有摩擦转距或力的负载也会产生额外的非重复性位置误差，尽管这两种误 差都要加到系统中去，这种因摩擦负载引起的多少带有随机性质的位置误差却与 步进电机的精度无关【6 】。 2 驱动芯片介绍 存p k u 荧光检测系统中，步进电机的运动带动连接在皮带上面的托架一起 运动，使其做水平和垂直方向的运动，从而带动样品进行扫描。过去由纯电路设 计的步进电机控制和驱动电路，往往电路结构复杂，使用元器件多、成本高而且 通用性差，这就给步进电机的开发和使用带来了不变，尤其是应用在小型设备中 时这种局限性就更加明显。因此，本系统采用了种混合式集成芯片s t k 6 7 3 0 1 0 来实现对步进电机的驱动和控制。 s t k 6 7 3 一0 1 0 是一种带有微步控制器的驱动三相步进电机的混合式集成：笛 片，该微步控制器有恒流脉宽调制系统，在其输出端还有个大功率的半导体场 效应管。该芯片内部包括三相分布式控制器，以实现简化电机驱动电路结构的目 的。 s t k 6 7 3 0 1 0 具体的特点如下： 电机旋转的转数可由外部输入时钟的频率来控制，范围是直流到5 0 k h z 。 通过对芯片a 、b 、c 、t u 端状态的设定，可以选择9 种不同的激励模式。 每当相电流循环一个周期，测试端m o i 就将输出一个脉冲信号。 讵反转端c w c c w 可用来改变电机旋转的方向。 保持端h o l d 可以暂时保持电机各相电流的传导状态。 使能端e n a b l e 能够在正常工作的情况下强制关断输出端的6 个场效应管。 电机的电流可通过调节参考点的电压来设定。 通过对a 、b 、c 和t u 端的设定，步进电机的运行、激励模式可以有九种 不同方式可供选择。其中2 - 3 、2 w 2 3 这两种激励模式可以控制类似正弦波的电 流，以实现低振动和低噪声。具体的模式见表3 1 。在s t k 6 7 3 0 1 0 的驱动下， 步进电机的步进角最小可以达到其基本步进角的八分之一。所以，只要激励模式 选择适当，步进电机的运行可以达到很高的精度。 第j 章机械扣描装置的制作和设计 表3 - 1步进电机激励模式 输入条件每个相 电流变 激励模式顺 激励模式化阶梯 电流周 abct u 序 期时钟 数 个数 o0 11 ( 1 )2 相l 6 0111( 2 )2 3 相31 2 ol1o( 3 ) 2 3 相t u 11 2 10ll( 4 ) w 2 3 相 62 4 11l1( 5 )2 w 2 3 相1 24 8 oo 0 1( 6 )2 - 3 相 36 0 0 0o( 7 )2 3 相t u 16 0 10l( 8 ) w 2 3 相 61 2 1o01( 9 ) 2 w 2 3 相 1 22 4 3 驱动电路及运行精度 图3 - 4 所示为步进电机驱动电路的原理图。对于该驱动电路，其驱动控制信 号由嵌入式p c 提供并监测，主要包括时钟信号( c l o c k ) ，模式选择信号( m o d e a 、 m o d e b 、m o d e c 、t u ) ，保持信号( h o l d ) ，正反转信号( c w c c w ) ，使能信 号( e n a b l e ) 和复位信号( r e s e t ) 。当以上这些端口收到嵌入式p c 发出的信号 时，会使步进电机的运动得到相应的控制。 图3 - 4 步进电机驱动电路 第三章机械扫描装置的制作年兀设计 本扫描装置所用的步进电机基本步进角为1 5 。，扫描系统巾微孔板的孔径 为5 r a m ，本扫描系统希望实现的步进精度为0 1 删。选择适当的激励模式，叮令 步进电机的步进角达到基本步进角的二分之一甚至更小。假定选定的步进角为基 本步进角的二分之一，也就是0 7 5 。，步进电机齿轮直径为1 5 m m ，则步进距离 为：( 0 7 5 3 6 0 ) $ 3 1 4 1 5 = 0 0 9 8 r a m ，小于0 1 m m 。如果选定的步进角小于0 7 5 。， 则步进精度可以进一步提高。由此可见，采用s t k 6 7 3 0 1 0 的驱动电路完全可以 达到扫描的精度要求。 4 步进电机b 区动电流设定 对步进电机驱动电流的设定是通过引脚1 0 ( v r e d 来实现的。计算公式如下 i o 。e a l ( 2v r e f k 其中，k = 0 6 3 r v a ) 当v r e f 一 0 5 + v c c 2 v r e f = v c c 2 4 r o x ( r 3 + r o x ) r o x 2 ( r l 4 kq ) ( ( r i + 4 kq ) 其中，i o 。a k 为输出峰值电流，也就是步进电机最大驱动电流，由步进电机的 参数确定。r 0 2 通常取1 0 0 q 以便减少s t k 6 7 3 叭0 内部电阻( 4 k q ) 的影响。 在3 0 v 到g n d 之间加c i ( 2 2 0 u f ) 电容，目的是为了减少对5 v 电路系统的噪 声影响。c 1 值的选取根据电机电流的变化而定，电容上的电流变化与电机电流 变化一致| 2 4 i 。 本系统中所采用的三相反应式步进电机，其驱动电流最大为2 a ，选取v c c 2 为5 v ，经过计算选取电阻r 1 的电阻值是1 0 0 0 ，r 3 的电阻值是3 0 0 q 。同二相、 四相步进电机相比，三相反应式步进电机可实现大转动力矩输出，运行平稳，可 以实现样品混合振荡功能。 5 步进电机运行稳定性试验及结论 在p k u 荧光检测系统中，为了使微孔板的运动能够尽量平稳，需要进一步 了解步进电机的一些频率特性，以及在各种工作模式下其运行的稳定程度，以便 选定最后的工作模式和工作频率范围。为此，我们进行了该步进电机驱动电路的 稳定性实验。 实验测试了步进电机的最大启动频率和最大运行频率，当步进电机的启动高 于最大启动频率时，电机将不能启动，而当电机运行的频率增大到某值，也就 是最大运行频率时，电机将停止转动。在不同的工作模式下，步进电机的最大启 动频率和最大运行频率是不同的。同时，实验还记录了在各种模式下步进电机运 第三章机械扫描装置的制作和设训 行的共振频率。当步进电机运行在共振频率范围罩的时候，其运行不甲稳，会出 现小的抖动，同时噪音也比较大。因此，在设定步进电机运行频率范围的时候要 充分考虑到这些因素的影响。设定的启动频率过高将不能正常启动步进电机；而 如果设定的过低，则又不能跳过共振频率范围，这样同样会影响步进电机的运行 质量。本实验结果是在步进电机没有带负载的情况下得出的。具体实验结果见 表3 2 。 表3 - 2 i = 2 a ；r = 3 0 0 q ：单位：k h z 电周期脉最大空载 共振频率范围 最大运 模式激励方式 冲数启动频率 起始值终止值 行频率 o 0 60 4 1 2 - p h a s e 62 21 0 0 5 40 6 2 2 2 - 3 一p h a s e 1 22 8o 1 8o 3 82 0 2 - 3 一p h a s e 3 1 23 50 1 20 72 1 t u o 20 4 4 w 2 - 3 - p h a s e 2 464 3 1 72 2 3 44 5 5 2 w 2 3 - p h a s e 4 81 28 6 4 56 o 6 2 - 3 - p h a s e 61 6o 0 9o 1 81 0 2 - 3 - p h a s e 761 90 0 90 1 91 0 t u 0 1o 1 4 8 w 2 - 3 p h a s e 1 232 0 0 9 5l o 。1 1o 1 4 9 2 w 2 - 3 - p h a s e 2 46 44 1 1 92 0 在p k u 荧光检测系统中选用2 w 2 3 p h a s e 模式，也就是模式5 ，启动、运 行频率选择均为8 0 0 h z 。选择模式5 ，是因为步进电机工作在该模式下的运行最 平稳，噪音也最小。在相同频率下运行，该模式的运行是九种模式中最缓慢的一 个。模式5 的空载启动频率和最大运行频率远远高于其他模式，但是，在实际的 系统中，由于负载的存在，大大影响了其启动及运行频率。在系统总体试验中我 们发现，模式5 在系统中运行，最高启动频率在2 k h z 左右，而且运行频率增高 时，其运行的平稳程度降低。同时，在模式5 下运行，步进电机的步进角可达基 第二章机械扫描装置的制作和设训 本步进角的八分之一，如此细分的步进角可以大大提高系统扫描的精度。步进电 机的：r 作模式，运行频率在设定后是可以改变的。在用软件编写的界面中，这些 参数可以随时更改。 3 3 2 初始定位传感器的设计 初始定位传感器的主要作用是希望在微孔板回到预先设定的初始定位点时 得到状态信号。四个用于初始定位的传感器被安放于机械扫描装置中运动皮带的 两端，以期在托架运行到端点位置时可以产生状态信号。初始定位传感器的具体 安装位置见示意图3 3 。图中标记了初始定位传感器的安放位置，前后左右共四 个，分别控制步进电机水平及垂直方向的运行范围。微孔板系统的机械部分的运 动范围将受这四个初始位的限制，而不能超过这个范围。初始定位传感器的具体 电路图如图3 5 所示。 3 - 5 初始定位传感器原理图 在传感器没有被阻挡的情况下，也就是步进电机正常运行时，光电开关的光 路导通，它的输出应为低电平，但是当步进电机使托架回到预定的初始定位点时， 光路将被阻挡，产生高电平。该状态信号可被嵌入式p c 检测到，使其产生停止 运行的控制信号，该信号控制步进电机的电源，通过关断步进电机的电源使其停 止运行，从而达到使托架及微孔板回到初始定位点的目的。 在光电开关的输出信号被送入嵌入式p c 之前，要先通过一个施密特触发器， 其主要作用是对波形整形并且进行幅度鉴别，以消除信号渐变过程中产生的抖动 影响。 d 由图3 - 7 可知，v + 2 瓦j 与i v o 公式( 3 1 当输入电压v j 为0 时，输出电压v o 为高电平，则令信号翻转的电压v + 较 高，记为。当信号逐渐增大时，输出信号将维持高电平状态，直到信号值增 销三章机械扫描装置的制作和设计 大到高于，此时由 二v + v 一，所以输出信号圪 再次翻转，变为高电平。对于在最大值附近的微小抖动信号，只要其值没有低于 y 。那么经过施密特电路后，输出值都会变得平稳。图3 - 6 所示为施密特电路 消除抖动的原理图。 图3 - 6 消除小信号抖动波形图 本电路使用的光电开关是一种由发光端和受光端组成的组合件，广泛应用在 光电计数、报警、安全保护、无接触开关及各种光电控制等方面。其发光端为发 光二极管，受光端为光电晶体管。光电晶体管和普通晶体管类似，也有电流放大 作用。只是它的集电极电流可以受光的控制。集电结为光电结。没有光照时，集 电极加正电压，因此集电结为反向偏置，发射结为正偏置。当光照射到集电结上 时，集电结即产生光电流向基区注入，同时在集电极电路产生被放大的电流。本 电路采用的光电开关制作材料为半导体硅，管型为n p n 型，称为3 d u 系列。在 有光照的时候，在基极有光电流注入，集电极较大的电流使集电极输出电压降低。 当没有光照时，基极没有电流，集电极输出电压为高。 6 第二章机械扣描装置的制作和没i 3 4 本章小节 本章主要介绍了p k u 荧光检测系统中，机械扫描装置的制作安装情况以及 关于扫描系统的驱动控制。重点内容是对扫描机构的驱动控制，对这部分的控制 是通过嵌入式p c 实现的。 在机械扫描装置中，如果扫描装置制作的精度不够或者安装后运行受阻，那 么对整个系统的影响也是非常大的，因为整个系统的运行是一个整体，信号采集 的准确性和扫描的定位精度有很大的关系。 扫描系统的核心部件是两个三相反应式步进电机，其基本步进角是1 5 0 。对 步进电机的驱动采用的是三洋公司生产的步进电机驱动芯片s t k 6 7 3 0 1 0 ，只要 给该芯片的相关管脚送入适当的高低电平，就可以控制步进电机的运动状态。 第四章硬什电路设计 4 1 总体设计思想 第四章硬件电路设计 在p k u 荧光检测系统中，嵌入式p c 的控制起着至关重要的作用，它是整 个系统的控制核心，承担着对整个系统运作的控制、监测以及对信号的处理工作。 图4 - 1 所示的就是硬件电路的总体设计框图。 图4 1 系统硬件电路设计总结 系统的硬件电路设计是围绕着嵌入式p c 进行的，在这个系统中，嵌入式p c 处于控制的核心位置，它主要包括一个嵌入式p c 控制集成模块和一个8 通道】6 位的刖d 转换器，同时还包括软驱、光驱插口、电子硬盘等。此外，嵌入式p c 还可以外接键盘，显示器，打印设备，并且可以进行网络传输。 在p k u 荧光检测系统中，嵌入式p c 的控制起着至关重要的作用，它是整个 系统的控制核心，承担着对整个系统运作的控制、检测以及对信号的处理工作。 具体地说，基于嵌入式p c 的硬件电路设计主要包括：光源检测控制电路；步进 第四章碗件电路设计 电机驱动电路、定位传感器检测电路：恒温及过温保护电路：光电倍增管电源开 关和曝光时间控制电路、信号处理电路。 基十嵌入式p c 的硬件电路设计虽然功能较多，但是总的来说，可以把这些 功能分为两大类，一类是关于系统扫描的实现，爿一类是关于信号的采集与处理。 在 1 描系统中，检测光源固定不动，因此需要样品实际移动来实现扫描。九 十六孔的标准微孔板用于盛放样品试剂，它的运动由扫描装置带动，其核心部件 是2 个3 相反应式步进电机，步进电机的驱动和检测信号由嵌入式p c 提供并控 制。定位传感器用来定位样品的特殊位置，它的控制也由嵌入式p c 完成。 在对样品进行扫描的过程中，要求光源足点亮的，并且希望光源的亮度可 以维持在一个相对稳定的范围罩，所以此时，要求对光源进行检测和控制，如果 光源异常，将会产生一个错误提示。 此外，为了使样品能够处在一个温度相刘稳定的环境里，我们对扫描装置中 的温度也作了监控。采用了一个温度自动补偿调节的恒温电路，当恒温电路故障， 扫描装置中温度过高时，系统中的过温保护电路启动，它将断开系统电源，保护 系统安全。 这就是系统扫描的实现，它是完全依赖于嵌入式p c 的。而对于信号的采集 与处理，也是由嵌入式p c 实现的。在光学检测系统中，光电倍增管将检测到的 光信号转换为电信号。这个电信号经过一定的处理后送入嵌入式p c