（电路与系统专业论文）全自动生化分析仪电子学系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 全自动生化分析仪主要用于对人体体液中的各种生化指标进行检测，根据 生化指标的差异，为医生确定病人病情提供科学依据。目前，生化分析仪已经成 为医疗机构进行临床诊断所必须医疗仪器之一。本论文以全自动生化仪电子学系 统的研发过程为主要内容，提出了完整可行的系统设计方案。 本论文首先介绍了全自动生化仪的结构与工作原理，着重讲述了系统的电 子学部分设计。在全自动生化仪的屯子学设计中包括硬件和软件两部分，从硬件 角度来看电子学系统十分庞杂，输入输出量多，对操作的实时性要求严格。控制 系统除了实现对仪器的实时操作、监控其运行状态外，还要对当前反应杯的多路 模拟信号进行实时数据采集。根据以上特点，系统的硬件设计选用高性能的数字 信号处理芯片t m s 3 2 0 c 3 2 ，与a l t e r a 公司m a x 7 0 0 0 系列芯片中的e p m 7 1 2 8 一起构成了核心控制系统，简化了系统结构，同时提高了系统的可靠性和稳定 性。仪器的数据采集系统包括前端的光电转换，放大电路和采集部分。系统选用 1 6 - b i t 高速模数转换芯片a d 9 7 6 a ，数据采集高速准确，符合系统设计要求。 系统控制的实时性对软件提出了较高的要求，在软件设计中引入了高级 语言中的多任务等思想，根据系统的功能要求完成了软件系统的设计，并讨 论了串行通讯中的差错控制技术，采用了一种实用的快速c r c 校验技术。 最后根据系统的需要，提出了一些提高系统可靠性和稳定性的措施，收 到了良好的效果。该设计已经在实践中得到应用，实验证明，该控制系统的 性能指标完全符合全自动生化分析仪的系统设计要求。 关键词：生化分析仪模数转换，控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t l iz h i - y o n g ( c i r c u i t sa n ds y s t e m ) d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rd i n gt i e f u a u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e ri sm a i n l yu s e di nt h ed e t e c t i o no fv a r i o u s b i o c h e m i c a li n d e x e so fb o d yf l u i dt h ed i f f e r e n c eo ft h ei n d e x e sb r i n g sm u c h s c i e n t i f i ci n f o r m a t i o nt h a tc a l lh e l pd o c t o r sm a k eaj u d g ea b o u tt h es t a t eo fp a t i e n t b i o c h e m i c a la n a l y z e rh a sa l r e a d yt u r n e di n t oa n e c e s s a r yi n s t r u m e n ti n c l i n i c a l d i a g n o s i sp r e s e n t l yt h i sp a p e rp r i m a r i l yi n t r o d u c e st h ee l e c t r o n i c sr & d p r o c e s sa n d b r i n g sf o r w a r dt h ei n t e g r a la n df e a s i b l ed e s i g np r o j e c to f t h es y s t e m t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e s t h ef r a m e w o r ka n dp r i n c i p l eo fa 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 r , e s p e c i a l l yt h ed e s i g no fe l e c t r o n i c s p a r t i tc o m p r i s e st w o s e c t i o n s ：t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r et h i ss y s t e mi sv e r yc o m p l i c a t e di nt h e h a r d w a r e ，w h i c hh a v em a n yi n p u t sa n do u t p u t sf u r t h e r m o r e ，t h er e q u i r e m e n to f r e a l t i m eo p e r a t i o ni s v e r ys t r i c t t h ec o n t r o ls y s t e mn o t o n l yr e a l i z e st h e r e a l - t i m eo p e r a t i o na n dd e t e c t st h es t a t u so fi n s t r u m e n t ，b u ta l s oc o l l e c t sd a t ao f m a n ya n a l o gs i g n a l so fr e s p o n s ec u p a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o v e ，t h e h i g hp e r f o r m a n c ed s p t m s 3 2 0 c 3 2a l o n gw i t ht h em a x 7 0 0 0s e r i e s c h i p e p m 712 8 i ss e l e c t e da st h ec e n t e rc o n t r o l s y s t e m ，w h i c hm a k e st h e s t r u c t u r eo fs y s t e ms i m p l e ，a n di m p r o v e si t sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y t h ed a t a c o l l e c t i o ni n c l u d e sp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s e r ，a m p l i f i e rc i r c u i ta n dd a t ac o l l e c t i o n al6 - b i th i 曲s p e e da dc o n v e r t e r - a d 9 7 6 ai ss e l e c t e di nt h i ss y s t e m ，w h i c hb r i n g s h i g hs p e e da n da c c o r d sw i t ht h er e q u i r e m e n to f s y s t e md e s i g n t h er e a l t i m ec o n t r o lo fs y s t e mb r i n g su ph i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h es o f t w a r e t h ed e s i g no fs o f t w a r ea c c e p t st h ei d e ao fm u l t i t a s ki nh i g h c l a s sl a n g u a g ea n df i t s t h en e e do fa n a l y z e r ak i n do ff a s ta n da p p l i e dc r c i su s e di nt h ee r r o rc o n t r o lo f s e r i a lc o m m u n i c a t i o n a b s 订a c l a tl a s t ，s o m em e a s u r e sa r ef u r t h e rp u tf o r w a r dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t ya c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fs y s t e m a l lo ft h e s em a k ef a v o r a b l ee f f e c t t r u et h i sd e s i g nh a sb e e np u ti n t ou s ei n p r a c t i c e i t i sc e r t a i nt h a tt h e p e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h i sc o n t r o ls y s t e mh a v ec o m p l e t e l ya c c o r d e dw i t ht h e d e s i g nr e q u i r e m e n to fa u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e rt h r o u g he x p e r i m e n t ， k e yw o r d s ：a u t o m a t i cb i o c h e m i c a la n a l y z e r ，a y dc o n v e r t e r ，c o n t r o ls y s t e m 第一章前言 1 1 生化分析仪概述 第一章前言 人体体液中的各种生化指标包括如：临床检验血常规、心肌酶谱、血糖血脂、 肝功、免疫球蛋白等。当人体某些肌体组织发生病变时，与正常人相比，病人体 液中的生化指标将会出现差异。准确而快速的检测这些生化指标，为医生确定病 人病情提供科学依据，因此常规生化指标的分析成为当前医疗检测的重要手段， 检测生化指标的生化分析仪现已成为医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之一。 由于光学分析方法具有灵敏度高、选择性好、用途广等优点因此在分析化学领 域中得到广泛应用。利用分光光度法进行定性和定量分析工作，具有分析精度高、 测量范围广、分析速度快、分析试样用量少及不破坏也不改变试样的物理和化学 特征等优点，在医疗等领域得到广泛应用，实现这种分析方法的仪器为分光光度 计。生化分析仪是基于物质对光的选择性吸收的原理而开发的一种分析仪器。分 光光度法是绝大多数生化分析仪所采用的一类检测方法，它是基于朗伯比尔定 律建立起来的一种常用的分析方法。其原理是：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皿，单色光被吸收的强度与 样品溶液浓度及光通过的距离( 即光径) 成正比，光电转换器将透射光转换为电 信号后经信号处理系统处理得到样品溶液的浓度。 1 2 生化分析仪发展状况简介 12 1 生化仪发展历史 与分析其它化学成分过程一样，人们最开始是直接使用通常的分光光度计 用于生化分析，而样品前处理、进样、清洗、采样、比色、数据处理等操作都由 人来手工操作完成，使用极不方便，效率低下，而且测量结果随意性大，无法满 足医疗检测准确性要求。随着科学技术的不断发展，人们在通用分光光度计的基 础上研制成专门用于生化分析的分光光度计，即半自动生化分析仪。半自动生化 第一章前言 分析仪是采用流动比色皿，这样系统进样、测量吸光度以及生化指标的计算、检 验结果报告的打印都是自动完成的。半自动生化分析仪具有价廉、维护方便等特 点，目前在国内得到广泛应用。随着社会的发展，以及用量需求的扩大，人们需 要检测速度更快、自动化程度和检测精度更高的专门用于生化检验的分光光度 计，可以对多个样品按同一方式连续处理或对一个样品同时进行多项目检测。而 半自动生化仪在试剂和样品的混合、比色皿的清洗等操作还是由手工操作完成， 尤其是利用半自动生化分析仪只能在一个样品的测试完成后才能分析下一个样 品，使得工作效率低下，已经不能满足社会的需求。全自动生化分析仪是将生化 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步骤全部 由仪器来完成。它由计算机智能控制，实现高速、高效的测定。甚至可以在无人 状态进行程序化控制检测、自动清洗、保养和关机。系统能检查各模块工作状态， 出现异常时能自动提示。它可以使样品快速处理并迅速报告结果，真正实现立等 可取，极大提高工作效率，节省大量人力、降低运行成本。 122 国内外发展状况 生化分析仪在国外发展较早，从5 0 年代至今已经有5 0 余年的时间。各国 公司都推出了种类繁多、性能优良专业化的生化分析仪。目前，分立式全自动生 化仪已经成为主流产品如美国贝克曼、同本r 立、德国拜尔等都相继研制成功 全自动生化分析仪，并且已发展了几代产品，在分析精度、检验速度方面不断提 高。下面介绍国外两种具有代表性的产品：美国b e c k m a nc x 9 和同本h i t a c h i7 6 0 0 全自动生化分析仪。美国b e c k m a nc x 9 全自动生化分析仪是美国贝克曼公司的最 新产品，采用可见光部分作为光源，1 0 个波长从3 4 0 n m 到7 0 0 n m 。单色器选用光 栅作为分光器件，检测速度每小时可达9 0 0 次，最多时可同时测3 3 项，它将样 品的分选和输送作为系统的一部分，实现测试全程自动化。程序控制检测、自动 清洗、保养和关机，实现高速、高效的测定，是极佳的测定系统。日立h i t a c h i 7 6 0 0 全自动生化分析仪，其最大的特点就是模块化、组合式的结构，因此具有 高度的灵活性和扩展性。用户根据需要自由组合由中央计算机与各单元c p u 构成w i n d o w sn te t h e r n e t 网控制，能随时随意增减单元。在正常测试的同时， 计算机检测各个模块状态，自动提示异常信息，实现了实验室全程自动化。总之， 第一章前言 生化分析仪器正向着专业化、通用化、微量化、组合式和微机化的方向发展。专 门化是指只适用于一种项目测定的仪器，具有小型、便捷的特点，特别适合家庭 使用。例如西德柏林格尔曼海姆公司为糖尿病患者专门设计推出了t e f l o l u x i i 血糖检验仪，它小巧轻便，方便患者经常检验血糖含量。而对于大型医疗部门来 说，每天需要检测上千个样本，测试项目多达几十个，因此促进了大而全的生化 分析仪的发展，如前面提到的美国b e c k m a nc x 9 型全自动生化分析仪和日立 h i t a c h i7 6 0 0 型全自动生化分析仪。微量化包括样品用量微量化和试剂用量微 量化，是现代生化分析仪发展的又一个新方向，最少的用量达到微升量级。组合 式。组合式设计( m o d u l a rd e s i g n ) 是将整机设计成几个互相独立的模块，各个模 块具备不同的功能，这样仪器就具有了应用灵活，使用方便的特点。日立h i t a c i _ j i 7 6 0 0 全自动生化分析仪就具备上述特点，根据需要设计不同的组合，使各种组 合设计适用于各种特定需要，以发挥更大功效。随着计算机技术的发展，目前生 产的各种生化分析仪器都带有内部计算机系统，并采用标准数据接口，可方便的 与外部设备连接。微机不但实现控制生化分析仪的整个操作过程，使其实现快速 自动测量，还能提供良好的人机界面，轻松的实现各种数据算法的处理。此外还 可以进行软件包的不断升级，使仪器的应用功能得到不断扩展、更新。 目前我国生产的生化分析仪还都是半自动化产品，通常仪器由p c 机控制或 单机使用，具有临床生化检验测量功能。无论从性能、外形设计、技术含量都与 国外产品有很大的差距。这主要是因为它涉及光、机、电、算、液路、温控、生 化分析等多方面的综合技术，由于系统结构复杂、控制时序要求严格、对运行可 靠性和精度要求高等因素，至今国内还没有研制成功的案例，因此医疗机构的需 求1 0 0 依靠进口，国内的全自动生化分析仪市场均被国外所占领。 1 3 本论文研究的内容、项目意义及论文安排 1 3 1 课题来源及意义 随着国内医院测试工作量以及要求诊断指标的增多，对全自动生化分析仪的 要求也日益增大，部分大型医疗机构依靠进口配备了自动生化分析仪，这远远不 能满足要求。近来随着医学的发展，中小医疗机构对自动生化分析仪的要求也越 来越迫切，因此必须加快研制国产新型适用的自动化分析仪器，这不仅可满足国 第一章前言 内需求、节省外汇，经过发展还有望走向国际市场，而且自动生化分析仪的研制 开发涉及光学、精密机器、自动控制、应用软件、电子学等多学科且要求高精度、 高可靠性，通过研制全自动生化分析仪可以带动相关学科研究的发展和仪器制造 工艺水平的提高。因此全自动生化分析仪的研制和开发将产生重大的经济和社会 效益。国家将全自动生化分析仪列为九五计划仪器攻关重点项目之一，长春光机 所承担了此项目。本论文就是结合国家九五攻关“全自动生化分析仪的研制与丌 发”项目完成的，着重对全自动生化仪的电子控制系统做详细论述。 1 32 电子学系统总体设计方案 全自动生化仪系统庞杂，涉及光学、机械、电子等诸多学科，按结构划分全 自动生化分析仪包括光学系统、数据采集系统、电子学控制驱动系统、计算机系 统、机械操作系统、温控系统、供水排水系统等等。其中电子学部分是系统的重 要组成部分，它完成整个仪器的实时性控制操作、数据的采集处理与存储，仪器 运行状态的监控，并为医务工作人员提供良好的用户界面。许多系统重要的指标 如检测速度，数据转换精度等都重要指标都属于电子学范畴。目前就电子学硬件 设计来讲有两种可行的设计方案：第一种方案是多微处理器测控方案，用多个处 理器控制不同的机构，分别实现不同的功能。第二种方案则采用高速d s p 处理芯 片作为c p u ，实现系统控制方案。 所谓多微处理器测控系统就是它根据全自动生化分析仪的具体情况，把复 杂的时序任务分割开，给多个微处理器( 下位机) 分别执行，再由一台计算机( 上 位机) 协调各个微处理器的工作。设计一个控制系统，如果系统中有许多需望同 时执行的不同任务，且各任务之间没有明显的规律，那么系统设计就比较难；反 之，如果系统中的被控对象所执行的任务都是顺序的，系统设计就比较简单。我 们研制的全自动生化分析仪就属于前一种情况，但通过对它的工作过程仔细分 析，我们发现，如果对系统的任务进行合理的分配，用多处理器对系统进行控制， 每个多处理器所执行的将主要是顺序的任务。由于子系统功能较为单一，因此设 计起来较为简单，但是所构成的总的系统过于庞杂，子系统过多，会给系统之间 的调试带来困难，尤其是各子系统之间的动作时序难于保障，这是多微处理器不 可克服的缺点。而第二种方案采用高速d s p 处理芯片作为c p u ，辅以c p l d 设计， 第一章前言 并将高级语言中的多线程思想引入进来，对系统实现实时控制，有效地克服了第 一种方案的缺点，整个系统结构紧凑，便于调试及维护。 计算机与处理器之间的通讯采用工业标准4 8 5 串行接口。计算机向处理器 下行传输的信息包括参数设置、控制命令及数据回传命令等，而上行信息包含应 答信息、a d 转换数据和仪器运行状态数据等信息。计算机将接收到的数据进行 处理，计算出溶液浓度，建立患者数据库档案，建立友好的人机界面。其具体功 能包括数据交互的功能、控制仪器运行功能、检验项目选择功能、检验项目管理 功能、试剂项目管理功能、检验结果计算、显示和打印报表功能等。 133 论文安排 如上所述，对于全自动生化分析仪柬说，要实现全自动地完成样品加注、 试剂加注、反应溶液的混合、保温、显色、比色、数据处理和报告打印等功能， 除具有机械硬件之外，电子学控制系统的研究是仪器功能实现的关键，具有很重 要的意义。控制系统的作用是使仪器保持适当的工作条件，当医生输入检验参数 后控制整个仪器自动进行生化检验，并最终将检验结果打印输出给医生，以做为 诊断病情的直接依据。 本论文是结合国家九五科学仪器攻关“全自动生化分析仪的研制与开发”项目完 成的，其主要内容如下： ( 1 ) 介绍生化分析仪的工作原理和全自动生化分析仪的功能、结构： ( 2 ) 根据系统要求，实现了对控制系统硬件部分的设计； ( 3 ) 引入了类、及多线程等高级语言的编程思想，按照分析仪的功能要求完 成了软件设计； ( 4 ) 提出一些有益于系统调试、生产及提高系统稳定性，可靠性的方法和措 施： 第二章 全自动生化分析仪原理与结构 第二章全自动生化分析仪原理与结构 2 1 生化分析仪原理 生化分析仪是属于光学式分析仪器，目前分光光度法是绝大多数生化分析 仪所采用的对化学物质进行测量的方法，其中分光光度计是生化分析仪的核心部 件之一。它是将光源所发出的复色光分成所需要的单色光，利用光电探测器将带 有被测样品信息的单色光的光信号变为电信号后进行处理计算。通过溶液对不同 波长单色光的吸光度的不同来确认溶液的类型及浓度。根据分光光度计与样品的 相对位置不同，可分为前分光和后分光类型。前分光型分光光度计是光源经分光 后再入射到吸收池。其优点是由于通过吸收池的是单色光，没有其它波长单色光 的干扰，得到比较纯净的信号。但缺点是不能同时完成对多波长的测试，因此测 试速度慢。后分光型分光光度计，即从光源发射的复合光先通过吸收池后再经单 色器分光。由于光先通过吸收池再由单色器分光光电探测器可以同时对几个波 长进行测试，速度快。因此当测试一个波长而其它波长的影响可忽略不计时通常 采用后分光式分光光度计实现快速测试。无论采用何种类型的分光光度计，它都 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。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 ) 为波长( x ) 的函数关系，符合朗伯一比尔定律。 21 1 比尔定律 当光通过溶液时，被吸收的强度与溶质浓度和光通过的距离有一定的关 系，布格一朗伯一比尔定律的数学表示式为： 爿= 三0 9 ) = l o g ( z 。；：r ) = 曲c ( 2 - 1 ) 其中 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上亿 第二章全自动生化分析仪原理与结构 i 。_ 一入射光强度 i ，一透射光强度 介质摩尔吸光系数( m l t o o l c m 。) c 吸收物的摩尔浓度( m o l m 1 ) b 吸收层厚度( c m ) 当待测样品是一种均匀分布的溶液，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，这样的条件完全符合比尔定律，其含义为： 特定波长的单色光通过溶液时，单色光被吸收的强度与溶液中吸收物浓度和光通 过的距离成j 下比。在实际的工作中，我们固定了光程距离。如果我们测得了溶液 对某一单色光的吸收强度，根据两者的线形关系我们就会得到溶液的浓度。由于 吸光度对浓度呈线性关系，这给成分的定量测定带来极大的方便，同时也便于研 究分光光度法的准确度。 值得注意的是，在公式中有一个摩尔吸光系数，它是一个与波长、溶剂和 温度有关的参数。只有在e 为常数时，溶液浓度与吸光度才呈线形关系。因此， 必须保证环境温度的稳定。在全自动生化仪系统中对溶液吸光度的测量是发生在 反应盘中，医此必须保证反应环境温度的稳定。系统的恒温水浴控制系统用温度 传感器探测反应盘水箱水浴的温度，通过控制加热器接通或断开使反应杯中的溶 液保持在恒温3 7 。c 左右。 21 2 分光光度计的组成 根据工作波段的不同，分光光度计可分为真空紫外分光光度计、可见分光 光度计等。生化分析仪所需的波长范围是从3 4 0 h m 到8 0 0 n m ，属于紫外一可见分 光光度计。现以紫外一可见分光光度计为例介绍分光光度计的组成。 分光光度计主要由光源、前置光学系统、样品室、单色器、检测器及信号 放大处理等电子学系统组成，如图2 1 所示： 第二章 全自动生化分析仪原理与结构 固屯习恒区旧匝圈 图2 一1 分光光度计结构原理图 此分光光度计示意图为后分光光度计，光源发出的辐射经前置光学系统照 射到样品，其透射光再经单色器分成1 2 路单色光后照在用光电二极管组成的光 电探测器上将光信号转化为电信号，最后经放大器放大后由电子学系统进行处 理。比尔定律是生化仪成立的理论基础，因此分光光度计性能的好坏直接影响到 生化仪性能的指标，选择好分光光度计各组成器件有重要的意义。作为分光光度 计的光源，首先其应在生化仪的工作波段范围内提供连续辐射，其辐射能量必须 具有足够的强度，能量随波长变化尽可能小。另外必须具有较好的稳定性和有较 长的使用寿命。在系统中我们选用碘钨灯，它在紫外一可见分光光度计中广泛用 作可见光谱区光源，这种卤钨灯具有较大的发光强度和使用寿命，符合系统要求。 单色器的作用是将穿过样品的复光分解为窄带或单色光，使测量在最大吸收波长 处进行，更好的遵守比尔定律，从而提高测量灵敏度。单色器由入射狭缝、准直 装置( 透镜或反射镜) 、色散元件( 棱镜或光栅) 、聚焦装置( 透镜或凹面反射镜) 和出射狭缝等五部分组成的一个完整色散系统，安装在一个不透光的暗盒中。对 于光探测器，系统采用光电二极管阵列，它吸收光子能量后转变为电流信号，两 者成正比关系，这样光信号就转换成为电信号供系统做进一步处理。光探测器是 光系统与电系统沟通的桥梁，一个灵敏度高而又稳定可靠的紫外一可见分光光度 计必须有一个性能优良的检测系统。 全自动生化分析仪的光度测量采用后分光技术，光源发出的光经准直镜产 生平行光，经恒温水和反应杯，再由聚光镜将光聚焦在入射狭逢上，进入单色器， 经凹面光栅分光聚焦在阵列探测器上。测量不同波长探测器的电流值，就可以知 道当前反应杯中溶液对不同波长的吸光度。当反应盘转动时就可以测各个反应杯 对不同波长光的吸收值。由于采用后分光光度计，1 6 b i t 高速a d 转换器，快速 的处理芯片，使系统能够高速完成多个波长值的测量，实现对多个检验项目快速 而准确的检验。 第二章全自动生化分析仪原理与结构 2 2 全自动生化分析仪的整体结构 图2 - 2 生化分析仪的俯视图 图2 2 给出了全自动生化仪的俯视图，下面结合系统生化检测的分析过程 介绍一下全自动生化仪各个子系统组成。 2 2 1 生化分析过程简介 生化分析过程首先是从样品的制备开始的。生化分析的样品通常是患者的血 清、尿样等。原始样本经过标识、处理后放在生化仪的样品盘上。除了放置样品 外，在样品盘上还放置标准溶液。两个试剂盘则是分别用来放置试剂1 和试剂2 ， 分析仪中通常使用液体试剂，存放在塑料试剂瓶中，为保持化学性能稳定，试剂 应在5 1 5 。c 环境中保存。在试剂盘外有一个水冷套，系统通过温度传感器探测 温度，当温度高于1 0 。c 时，磁力泵注入冷水箱内的冷却水直到温度达到5 1 5 。 温控系统是一个独立的子系统，在不开主机或待命状态下仍可维持温度。 在分立式生化仪中，样本和试剂存储在分立的试剂杯中。采用各自独立的微 量注射器对样本和试剂进行吸取，加入到反应杯进行反应。微量注射器的动作由 步进电机控制，可以实现对其加注样本绝对量的精确控制，控制精度可达5 毫升。 在每次吸取时，注射器实际吸取试剂的量都要比需求量大些，以消除机械的空 回影响，以达到准确控制的目的。在每次吸取注入结束后，吸针都要经过去离子 第二章全自动生化分析仪原理与结构 水的清洗，以消除残留试剂的影响。 样品和试剂的反应是在反应杯中进行，容器采用比色杯。当样品和试剂都 加入后，经搅拌系统的充分搅拌，使其均匀混合。在不同时间分别测定其吸光度， 得出随时间变换的吸光度曲线。在整个反应和测量过程中，环境温度始终保持在 恒温3 0 3 7 左右。 信号的传输、处理和结果分析。光转换成电信号后，系统要对每一个反应杯 的1 2 路模拟信号分别进行各1 1 次的数据采集。在去除两端的极值求得均值后， 回传给计算机作为一个有效数据点。计算机根据不同时问传回的数据绘制吸光度 曲线，根据对不同特征波长吸光度的不同确定溶液的浓度。 2 22 生化分析结构介绍 图2 - 3 全自动生化分析仪整体结构图 从上面给出的全自动生化仪结构框图可以看出，全自动生化分析仪包括以下 几个组成部分： 测光系统，分光光度计是光学系统的核心，很多系统光学指标如波长精度， 第二章全自动生化分析仪原理与结构 波长重复性，光度范围，光度精度等都直接影响到整个系统的性能。 机械操作系统，包括工作平台、四个转盘及各自的取样机构、搅拌和清洗机 构等。机械运动都是采用c p u 控制电机驱动，定位是依靠光电开关或霍尔元件， 取样液面的定位则是依靠取样探针上的液位传感器。 供水排水系统，包括试剂盘外的冷水套、反应盘的恒温水浴，针头和反应杯 的清洗机构等等，构成一个水路循环系统。 电子学系统，包括硬件和软件部分，除了完成全自动生化仪的各个时序操作 动作之外，还包括数据的采集与传输，对系统各机构状态的检测和监控。 计算机控制系统，实现对生化分析仪的实时控制，对回传数据的存储与处理， 计算出最终的数据结果，提供良好的人机界面等等。 除此之外，系统还包括恒温和制冷系统，供电系统。由此可见全自动生化分 析仪是一个庞杂的系统，涉及了光、机、电、算、液路、温控、生化分析等多方 面的综合技术。由于系统复杂、需要控制的量多，如何让各个系统协调一致的按 照预想的时序动作，实现预期的功能，这对电子学系统提出了很高的要求。 对于全自动生化分析仪的使用来讲相当简单，整个检验和数据处理过程完全 由微处理嚣自动控制运行。医务人员所做工作就是将样本的样品杯安放在样品盘 上，在试剂盘上装好试剂盒，输入好检验项目参数后，就可以开始检验了。系统 会按照医务人员输入的各种参数运转，按时序自动完成样品的加注、试剂的加注、 混合溶液的搅拌以及光度的测量和测量后的清洗工作。此外操作人员可以通过计 算机操作界面了解掌握仪器现在的工作状态和运行状态，查看捡验结果、完成打 印输出报表等工作。软件还提供了方便灵活的调试界面，使操作人员方便的对系 统各个部分进行联机调试，快速的确定并排除系统故障，使系统维护变得简单容 易。 在整个检验过程中，从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完成。没有 人为的主观因素影响，其测试结果稳定可靠，为医生确定病人的病情提供了有效 的手段。 第三章 系统硬件设计 第三章系统硬件设计 通过前面对全自动生化分析仪原理和结构的介绍我们可以了解到，从电子学系 统来讲该系统的特点就是要求控制的输入输出量多、任务庞杂、对系统的实时操作 性要求苛刻。电子学系统的任务包括对每一个处在信号采集位置的反应杯进行多路 模拟信号的实时采集，按照计算机传递的参数控制整个系统的有序动作，实时监控 系统状态出现异常情况能够采取保护措施并及时向计算机汇报。 系统的工作基本上是围绕四个转盘来开展，核心工作是对反应杯中的溶液u 段_ ) 匕 度进行测量。对系统的控制包括机械结构的运动，如盘予的转动、取样结构的转动 及上下运动，搅拌结构及清洗机构的运动等等。机械结构的运动主要是电机驱动， 采用齿轮或皮带传动。运动机构的准确定位是依靠光电开关或霍尔元件。在四个转 盘下面都装有光栅盘，通过对经过光电开关次数的记数确知转盘转过的角度和现在 所处的位置。反应盘的恒温水浴系统和试剂盘的冷却系统都需要水路循环控制，系 统采用数字通道对泵阀等功率驱动模块进行控制。此外，c p u 通过模拟量输入通 道对温度传感器、液位传感器进行控制。 在这些电于元件中，步进电机驱动模块采用直流2 4 v 供电，泵采用交流2 2 0 v 供电，控制信号与功率级之间采用光耦隔离。位置传感器光电开关都是开关量，液 位传感器是t t l o c 门输出。由于整个系统涉及模拟电路和数字电路，又有不同的 供电系统，因此电子学设计比较复杂。经过统计，电子学系统开关输入量4 7 个， 输出量5 7 ，模拟量输入5 个，如何对这个复杂系统的实现控制，在此我们提出了 两种电子学系统控制方案，并对这两种方案进行比较。 3 1 总体系统方案设计 311 多微处理器测控系统方案 这种设计的思想就是将繁杂的控制系统分成几个功能单一的子系统，系统的功 能由各个子系统分别完成，各子系统之间依靠主控机发出的命令实现动作时序之间 第三章系统硬件设计 的协调。经过仔细分析我们发现虽然整个系统运行时序非常复杂，但所有的动作都 是围绕着四个转盘展开的。各个转盘及与其直接相关联的机构的任务都有着相近的 运行规律，这就为采用多微处理器测控系统提供了前提条件。我们把复杂的任务分 成几个顺序执行的动作交给几个微处理器分别处理，每个微处理器只处理与之相关 机构的动作。由于每个微处理器都是顺序执行程序，任务大大简化，对微处理器的 要求也就降低，普通的8 0 5 1 芯片就能满足系统要求。图3 1 给出了各个予系统的 原理框图，整个系统划分为样品盘控制机系统、反应盘控制系统、两个试剂盘控制 系统、监控系统、光度计控制系统等6 个子系统。各个子系统之间的配合由微机通 过标准r s 4 8 5 接口进行协调。 图3 - 1 硬件控制原理图 虽然整机的运行时序非常复杂，但核一c , z 作都是围绕四个转盘展开的， 其硬 件结构和执行任务部有相似性。分别对每个子系统的顺序动作编写软件程序，降低 了开发难度缩短了研发周期。但是由于整个系统是由六个子系统组成的，调试起来 比较困难，硬件系统显得庞杂，同时大量的硬件降低了系统的可靠性。 3 12d s p 处理器测控系统方案 由第一种方案自然可以想到，如果采用高性能的处理器，整个系统由单一的芯 片控制，那么硬件系统就不需要有六个控制子系统，大大简化系统设计。随着数字 信号处理理论的发展，到8 0 年代，产生了专门用于数字信号处理的微处理器。到 目前为止，数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，也称d s p 芯片，己广泛 第三章幕统硬件设计 应用在社会各个领域，得到：迅猛发展。d s p 芯片的内部采用数据和程序分开的哈 佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以 快速实现各种数字信号的处理，这些卓越的性能就为我们系统方案的实现奠定了坚 实的基础。计算机通过串行通讯口向d s p 发送控制命令，d s p 处理器接到动作命 令后，按照命令执行相应的操作，实现对生化仪的控制。采用这种方案，系统的硬 件结构将得到大大简化，除了电机驱动模块和泵阀驱动等电路之外，控制模块只有 一个，系统可靠性得到增强，同时也给生产调试带来便利。全自动生化仪项目的电 子控制系统最终采用该方案，它采用t i 公司t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 芯片作为c p u ，逻 辑电路设计使用a l t e r 公司的c p l d 7 1 2 8 芯片，使电路设计得到简化，下面将详 细介绍全自动生化仪的电子学硬件系统。 图3 吨硬件控制原理图 l4 箍：章系统硬件 吐计 全自动生化仪的电子学系统基本包括两大部分，模拟部分和数字部分。图3 - 2 给出的是系统数字处理部分。整个数字处理系统的核心是t m s 3 2 0 c 3 2 芯片，它具 有高速的运算和处理能力，适合于实时快速地实现数字信号的处理。它的外围电路 包括电源监测电路，时钟电路，j t a g 接口电路、n j 编程逻辑电路、存储器接口电 路、d 数据采集电路和i o 接口电路等。电源监测系统在电压变化时使系统自动 复位：时钟系统为d s p 及c p l d 逻辑电路提供稳定的时钟信号。j t a g 接口是一个 扫描逻辑接口电路，是一个符合i e e e l l 4 9 协议的标准仿真测试接口；i o 接口电 路主要是泵阔、光电外关两液位传感器等输入输出信号的数字控制信号。光电升关 输入信号采用直接连接的方法控制，而泵阀等数字控制信号与功率级之间采用光耦 隔离。其余仃j 编程逻幛电路存储器接口电路以及怕数据采集电路任后面傲详 细介绍。 32d s p 芯片介绍 3 21d s p 芯片结构功能特点 在本系统设计中，采用高速数字信号处理芯片作为系统的中央处理器。数字处 理芯片是一种新兴的器件，它具有非常高的运行速度，系统稳定性好，集成度焉。 经过二十余年的发展，d s p ：卷片已经在信号处理、通讯、自动控制等诸多领域得 到广泛应用。随着d s p 芯片性能的不断改善，d s p 芯片必将有更为广闶的应用勘 景。为适应数字信号处理的要求，d s p 芯片一般都具有如下特征： a 特殊设计的乘加指令，口j 以在一个周期内完成乘加运算； b 支持流水线作业，取指、译码和执行等操作可以流水执行： c 数据空削和程序空间彼此分升，芯片口j 以同时访问两个空1 ，开j ； d 片内快速r a m ，硬件乘法器； e 具有低扦锖的或零升锵循环和跳转的硬件支持： 正是由于具备了以上特点，d s p 芯片特别适合数字信号的高速处理。大家比较 熟悉的微控制器( 俗称争片机) ，是将系统通常的外1 生i 设备如r o m 、r a m 及串口 第= 章系统硬件- 垃计 等集成在一个片子上构成控制系统。它与d s p 相比较主要有下面几个方面的区 别： 1 存储器结构 通常的姗采用冯1 诺依曼结构，所谓的冯诺依曼结构就是指指令和数据公 用一个存储空间，只有单一的数据和地址空间，总线的宽度与c p u 类型匹配，通常 作乘法至少需要四个周期。向大多数1 ) s p 存睹器结构采用哈佛结构，其主要特点是 将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独 立的存储器，每个存储器独立编址，叫以同时独立访问。这样存储器的带宽加倍， 更为重要的是处理器可以同时处理数据和执行指令，在这种结构f ，d s p 可以单周 期实现a c 指令。 2 对乘法运算支持 m c u 通常用来实现系统控制，不做密集的乘法运算，其乘法运算是依靠软件用 多个时钟周期实现。而在数字信号处理中，经常要完成一些乘加运算，做乘法快漫 已经成为衡量c p l - 性能好坏的重要指标。d s p 处理器有专用的硬件乘法电路实现甲 周期乘法。此外，d s p 还增加了大的累加器来处理多个乘加运算的和，防止结果溢 出，有利于大数据量的运算。例如，木系统采用的t i 公司t m s 3 2 0 c 3 2 芯片数据宽 度为3 2 位，而累加器的宽度为4 0 位。 3 零开销循环 循环操作是数据处理中常见的操作，如f i r ( 有限冲击响应滤波器) ，大块的 数据转移等等。所谓的零开销循环是指处理器经执行循环时，不用花时间检查循环 计数器的值。循环计数器的值存储在寄存器内，每次执行完响应操作后，硬件自动 将计数器减一，并判断是否结柬。 4 专门的寻址方式 d s p 处理器有不同于m c u 的专i 、 寻址方式，这些庄通常的数据处理操作和算法 实现上很有用。如模块循环寻址，位倒序寻址等等。而在m c u 中，要想实现这样的 寻址方式，只能依靠软件实现。 5 执行时间的预测 第三章系统硬件设计 对于某些场合来说，知道程序确切的执行时间对系统设计人员来说很重要。 以本系统为例，系统对时序的要求很严格，需要确切的知道某些控制动作消耗了多 少时间，以及最坏的情况下，需要多少时间。对于d s p 程序，很少使用跳转和推理 执行等，程序的执行顺序完全在程序员的掌握之内。因此，可以由一段给定的程序 代码预测所要执行的时间，为程序员提供准确的参考。 根据以上比较，我们得出d s p 芯片性能卓越的原因。正是由于以上因素，使 得d s p 成为数字化革命的核心。今天数字信号处理器已经广泛的应用在社会各个领 域，信号处理( 数字滤波、卷积变换、小波分析) ，语音信号处理，图像识别与图 像压缩，仪器仪表，自动控制等诸多方面。它正渗透到我们的牛活当中，改变着我 们的牛活方式。 3 22d s p 芯片发展方向 2 0 余年来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，从运算速度指标来看，m a c ( 一次乘加运算) 时间已经从8 0 年代初4 0 0 n s 降低到3 0 n s 甚至更低，处理能力提 高了l o 多倍。从制造工艺来看，目前普遍采用微米c m o s 工艺，提高了系统集成 度稳定度的同时，大大降低了芯片的功耗。随着时代的发展，新的形势对d s p 芯 片提出更高的要求。可以预见，未来d s p 的发展方向将是向着功能更加强大、稳 定性灵活性进一步增强，更低功耗，具备更高的性价比等方向发展，其技术发展将 会出现以下趋势： ( 1 ) d s p 的内核结构进一步改善 多通道结构，单指令多重数据、特大指令集将在新的高性能处理器中占丰导 地位。 ( 2 ) d s p 与微处理器的融合 微处理器丰要是实现智能控制的通用微处理器，运算速度低，信号处理能力 差。而在很多应用场合中，需要智能控制和数字信号处理两种功能，如智能电话、 无线网络等。如果将两者的功能结合，那么在电信、医疗、工业控制等领域将得到 更为广阔的应用。 第三章系统硬件设计 ( 3 ) d s p 与f p g a 的融合 d s p 与现场编程门阵列结合在一个芯片上，丰富了系统资源，简化系统设 计，大大提高了系统集成度和稳定性，使信号的处理能力得到进一步增强。 ( 4 ) d s p 与实时操作系统的结合 随着d s p 芯片应用系统越来越复杂，软件开发需要高层次的设计手段，如高 级的开发平台和软件语言。而另一方面，开发人员必须对低层代码进行优化以满足 系统实时性要求。将实时操作系统引入到d s p ，将解放开发人员，使其主要精力 放在更具有创新意义的应用层面的开发上。 3 3t it m s 3 2 0 c 3 2 芯片介绍 33 1 t m s 3 2 0 c 3 2 芯片性能 目前很多世界知名的芯片生产厂家开发出自己的系列d s p 产品，具有代表性 的有t i 公司( 德州仪器) ，它是较早开发d s p