（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机的磁酶免测定仪的研制.pdf

基于单片机的磁酶免测定仪的研制 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dt h ew h o l es y e t e m ss t r u c t u r eo f f l a em a g n e t i ca n t i - b o d y i m m u n o a s s a y ( m a i a ) a p p a r a t u sb a s e do nm i c r o - p r o c e s s o r m a i ai sam o r ea d v a n c e dm e a s u r e t e c h n o l o g y t h a t m e a s u r e c o n t e n t s o f l i t t l e i n c r e t i o n sa n d t t a n o r m a r k e r s o f b o d i e s b l o o d9 朗ma n d u r i n e t h i sm e a s u r et e c h n o l o g yh a s m a n ya d v a n t a g e st h a nt h et r a d i t i o n a lr a d i o i m m t m o a s s a y ( r i a ) m e t h o d t h i s a p p a r a t u s i s d e s i g n e d b y a p p l y i n g m a i a a n d a c c o r d i n g a s l a m b e r t - b e e r a b s o r b l a w i n d e s i g i n g , w e c o m b i n e a b s o r b e d s p e e m n a n a l y s e t e c h n i c ，e l e c t r o n i c a l t e c h n i c ，c o m p u t e r t e c h n i c e t c t o g e t h e r t h e l i g h t s o t t r c e i n t h es y s t e m i s a s p e c i a l o n e i t s r a y t h r o u g h a t e s t t u b e i s d i v i d e d i n t o t h r e ed i f f e r e n tw a v e l e n 蝉hr a y sb yt w os p e c l r o s c o t 燃a f t e rp h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n , t h e m s p 4 3 f 4 4 9m i c r o - p r o c e s s o rs a m p l e sa n dd e a lw i t hi r a n s f o t m e da n a l o gs i g n a j ss oa st od e d u c t c o n t e n t so fl i t t l ei n c r e t i o ma n dt u m o rm a r k e r si nb l o o d t h e s ei n c r e t i o n sa n dt u m o rm a r k e r sc a n p r o v i d ei m p o r t a n tp r o o ff o rd o c t o r sd i a g n o s i n gc o r r e l a l i v ed i s e a s e t h em e a s u r i n gr e s u l tc a nb e p r i n t e da n dd i s p l a y e dt h r o u g ho u t p u te q u i p m e n t s u s e r sc a no p e r a t ea n d c o n t r o lt ot h i sa p p a r a t u s b yu s i n gt h ep a n e lk e y b o a r d t h et h e s i sp r o v i d e ss o m e h a r d w a r ec i r c u i td i a 舯m s , s o l t h a l ef l o w c h a r t sa n do p e r a t i o ng u i d eo f t h ea p p a r a t u s k e y w o r d s ：m e d i c a la p t m m t u s ；m a i a ；p h o t o e l e c t r i ct r a n s f o m l a f i o n ；a b s o r b e n c y ；m s p 4 3 0 m i c r o - p r o c e s s o r l i 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 第一章绪论 1 1 课题的提出及其研究意义和研究现状 人体血液血清中和尿液中微量激素和肿瘤标志物等的含量，是医学上临床诊断的重要 指标。对它们的测量，可以为医疗部门诊断相关疾瘸提供参考依据。对于内分泌、妇产、 遗传、优生、计划生育、不孕不育、儿童生长发育、肿瘤的早期诊断等具有重要意义。检 测这些微量激素和肿瘤标志物等的常规方法是放射免疫分析法，这类方法存在着放射性危 害和试剂有效期短等缺点。目前最先进的检测方法是采用磁分离酶联免疫技术，这种方法 具有高敏感性、高特异性、高稳定性、无污染、无毒性、试荆储存时间长、线性测量范围 宽、检测迅速等突出优点。 本课题是集微电子、计算机等技术在医学医疗方面的应用。利用光的吸收与浓度具有 一定的关系的原理，研发的一种三波段测定仪。该测定仪采用磁分离酶联免疫技术测量人 体血清和尿液中性腺类激素、甲状腺类激素、肿瘤标志物蛋白等的含量，尤其适用于中小 医疗单位的临床诊断。本课题是与台肥运涛光电技术有限公司合作研发的。合肥运涛光电 技术有限公司成立于2 0 0 1 年，该公司致力于放射免疫分析系统的替代方法及技术的研究。 长期以来，放射免疫测量在临床检验中发挥了巨大作用，但其试剂有效期短，具有放射性 危害等缺点，这促使了人们不断探索新的检验方法。合肥运涛光电技术有限公司在研究过 程中，发现瑞士s e r o n o 公司的磁酶免分析系统及其配套试剂是理想的替代放射免疫分析系 统的方法。它是将磁分离技术和特异性免疫酶联反应技术相结合而建立的快速测量微量激 素和肿瘤标志物的一种新型检测技术吲口”。 从九十年代开始，这种技术逐渐被引入国内。它不仅具有无污染，试剂有效期长( 长达 6 个月以e 谗 优点，而且操作简单、快速，适合各大、中、小医院的临床要求。但是，这 种国外产的磁酶免分析系统及其配套试剂，对于中、小型医院来说，其成本较高，价格昂 贵。而且，由于原仪器采用的是较落后的微型计算机及其接口，因此仪器的某些性能指拘可如 数据处理时间太长，试剂种类太朔不能精足临房- 佥测要求。这次合作的目的就是在原来的 基础上，采用新型的单片机及硬件电路，来弥补以上的欠缺。 随着生活水平的提高，身体健瞒邀来越被 、们关注，这也是国内外研究最热门的课题 之一。现在，世界许多国家都投入了大量的人力和财力致力于医疗器械的研究。其中，计 算机和信息处理技术应用于医疗仪器已经成为个新的热点。目前这方面的研究已经取得 了很多成果。例如，日本最近生产的2 0 0 0 a 。b ，e c g 分析仪、m - - e 生物显微镜和 m 1 0 叽舵0 0 遥测仪、日立e u b - - 6 5 5 超声扫描仪等。以及最近西门子医疗系统集团研制推 出了功能显像与形态显像相结合的p e t c t _ 嘲。卿1 1 系统、p r l m u s i 医用直线加速器 和s o a a t o m c c t 的系统结合的p r i m a t o m t m 系统。这两个系统的推出将使超过3 0 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 的癌症病人从中受益。医疗器械的快速发展和其技术的不断完善，也给医生诊断病情提供 一定的帮助叨。 然而，由于这些险测仪器主要用的还是放射眭免疫测量技术，所以提出一种无污染的 新的检测方法势在必行。从国内外的研究现状来看，磁分离酶联免疫技术就是种理想的 无污染的新型检测技术。这种技术的出现给医疗科技带来了革命陛的进步吲。这一技术避 免了放射性免疫检测技术对人体的伤害，所以很快得到了发展。现在国外很多国家利用这 一技术生产出不同品牌的磁酶免测定仪，如美国产的b i o - e k o n 系列，瑞典产的s e i - o n o 系 列等。但目前国内利用这种技术生产医疗器械的为数不多，只有北京倍爱康生物技术有限 公司、深圳市新产业生物医学工程有限公司( 简称野皿e ) 等少数几家研制开发，主要还 是依靠国外进口。而目这些国内公司基本上是原版照抄外国的硬件和软件，这不仅价格很 昂贵而目存在数矧重算速度慢，功能单调等缺点，已经满足不了珊在的中国市场要求。所 以，使其国产化并改善其功能，具有必要性和实际的意义。 1 2 磁酶免技术概述 磁酶兔测定法是将磁分离技术和特异性免疫酶联反应技术相结合而建立的快速测量技 术。该方法是b i o c h e mi m m u n o s y s t e m s 公司的独家专利口q 。具体的说就是，该方法是将磁 性微珠( 红细胞直径大小) 分离技术和酶联免疫技术综合而成的定量测定系缌”。磁性微 珠连接的单克隆抗体( 免疫磁珠) 与相应的标本抗原结合后，特异性结合的抗原与其他物 质分离，再通过酶联免疫显色反应测定抗原含量，从而克服了放射性免疫检测和普通传统 式酶联免疫测定方法的缺点。这种方法具有高趣| 【! 莹牲、高特异性、高稳定性、无污染、无 毒性、试剂储存寿命长、线性测量范围宽、检测迅速等突出优点刚。 本课题研制的磁酶免检测系统采用的就是此种技术。整个磁分离酶联免疫分析系统由 磁酶免测定仪、磁分离器和磁分离免疫试剂盒组成。本项目研究的磁分离酶联免疫测定仪 ( 简称磁酶免测定仪) 是一种分离波长、使用滤光片的比色仪，它通过测量被测试管中溶 液的吸光度，经过一定的数学处理，将该吸光度值换算成溶液的浓度值。它与其它测定仪 相比具有以下的优点： ( 1 ) 酶标记，无放射污染和危害，对实验要求低，占空间少，试齐唷效期长( 6 个月 以上) ，费用低，易操作。 ( 2 ) 磁性抗体分离技术，不用离心，液相反应，灵敏、准确、快速，可替代放射性免 疫技术。 ( 3 ) 检测速度快，结果自动计算和打印，标本随到随做，随时出结果，可做急诊。单 抗结合反应，特异性高，重复性好，碱性磷酸酶显色结果稳定，不含致癌性物质。 ( 4 )三波长检测技术，消除干扰因素，拓展测量范围。 ( 5 )三波长同对测定，存储标准曲线，自动拟舍最佳曲线。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 但是磁酶免测定仪对精度要求很高。比如它的滤光片是一种干涉型滤光片( 利用干涉 原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜，通常由多层薄膜构成) ，要求较高，先后在中 科i 虹食光学精密机械研究蝴蛾惹验，经过多次失败总结经验，最终研制出可同进口 滤光片相媲美的国产滤光片。 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要是对磁酶免舰4 定仪在硬件和软件上进行的设计。硬件上我们主要对光学和 电学部分进行电路设计，使其具有实现一定的算法、数据处理等功能。在软件上，本着更 方便、更易操作的目的，主要研究针对该试剂需要，进行了些特殊算法和修正，并提供 了方便的人机交互界面。本课题的主要内容主要包括： 1 系统功能需求的调研和确定、整体方案构思、器件选择。 磁分离酶联免疫测定仪由五个部分组成：外形结构，光源及光学部分，光电转换及电 路部分，软件处理部分，输入、输出部分。其原理方框图如下： 图l - - i 系统原理方框图 2 硬件设计： 整个系统的硬件部分主要由光学部分和微电子电路部分组成。电学硬件电路部分主要 由电源电路、信号检测和信号处理电路、a d 转换及数据采集电路，热敏打印机驱动电 路以及输入、输出和显示电路组成。下面简单地概述一下各个部分，详细的介绍参见后面 几章的内容。 ( 1 ) 光学硬件部分 这部分主要组成是，光源、滤光片和光电转换器等。设计的主要工作就是，了解其 原理，比较、选择这些器件，满足本设计的需要。对一些特殊要求的器件，提出设计思想， 请厂家生产。并设计各器件与整个电路的接i z l ，统筹考虑在整个电路板中的机械位置。 ( 2 ) 电源电路 系统电源要为整个电路系统、光源及热敏打印机提供必要的工作电压和电流。由于系 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 统自q 狈堙精度较高，要求j 剧t 给放大电路和光源电路的电压稳盎泄较高，所以整济活的电 压必须经过稳压。我们用5 v 电源为数字电路及打印机供电，而1 2 v 电源为模拟电路和 光源供电。5 v 和1 2 v 接地端是分开的。 ( 2 ) 放大电路 放大电路由前置放大和对数放大两部分组成，前置放大电路是将光电二极管的微弱光 电流加以放大，由于光电流通常很小，要求后级电路不能对其产生影响。因此，我们先用 j f e t 型高输入阻抗、高精度、极低的漂移及偏差电流的集成运算放大器来进行前置放大。 对数放大电路主要是对检测到的吸光度模拟信号进行对数变换，转换成浓度模拟信号，然 后再送给后级处理。 ( 3 ) a d 转换 a d 转换主要是将对数放大器输出的模拟信号转化为数字信号，本系统采用的是带 有集成1 2 位a d 转换器的m s p 4 3 0 单片机。根据理论计算和实验结果，吸光度每变化 0 0 0 1 ，在输出端导致的电压变化约为l m v 。我们所用的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机中的1 2 位 a d 转换器，参考电压约为2 5 v ，其分辨率本领约为0 6 m v 。满足对吸光度的测量 要求。 ( 4 ) 打印驱动电路 系统采用的是不带驱动接口电路的热敏打印机，热敏打印机的热敏打印头轴向的移动 和纵向走纸，都由软件进行控制。但是，由于热敏打印机所用的两个步进电机瞬时峰值电 流较大，所以加了两个专用驱动芯片来驱动步进电机。 3 软件设计 磁酶免测定仪的软件设计是本项目的重点之一，它主要完成三大功能：( i ) 协调整机 的操作和运行，实现插管检测、数据自动采集与转换。( i i ) 对采集的数据进行曲线拟合、 分析处理，并实现数据的保存和打印，输出简单的检测报告。( 1 i d 提供方便的人机界面， 用户可通过显示屏和键盘来控制、监视或调整仪器的运行状态，得到正确的分析结果。 磁酶免狈4 定仪需要处理的数据量很大，可以将其分为测试项目数据、样品数据、质控 数据、仪器参数设置数据等几大类。保存这些数据需要很大的内存，所以我们设计日寸选择 了带有6 0 k b 的f l a s h 存储器和2 k b 的r a m 的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机。 由于像s n i b e 等公司设计的磁酶免测定仪存在数据运算速度慢，存储测试项目少，功 能单调等缺点，所以这次主要解决的是硬件上和软件上的问题。在硬件上的设计使其具有 以下功能： 1 具有时钟功能； 2 具有大容量的f l a s h 存储器，用来存储大量的数据； 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 3 支持5 5 的键盘和1 6 2 的点阵式液晶显示器； 4 支持带步进电机的热敏打印机，并在此模块上加两个专用驱动芯片，这样可与主 单片机之间直接进行数据传输，以减轻主单片机的负担； 5 带有一个r 2 3 2 的串行口，以便可以扩展到与p c 机连接。 在软件上拟解决的问题是，编写数据处理、曲线拟合和功能键的程序设计等。另外， 为了防止用户随意改动参数设置等，我们在软件中设置了密码和病人i d ( 防止瘸a z 间的 数据相互混乱) 。并且可删单片机( 烧断保佥熔丝) 使其带有加密功能防止软件被别人 直接仿制和拷贝。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 第二章系统介绍 2 1 检测原理 根据光的吸收理沦删，如果某波长的辐射光在某介质某处的强度为i ，在其通过浓度 为c 的介质，经过一段微小的距离出以后，强度因吸收而降低了d i ，设该介质的吸收系 数为旺，则 一d i = a i d 。 ( 2 1 ) 其解为 1 ，= io p “x ( 2 2 ) 其中，厶为刚进入介质时的光强，即x = 0 时的光强；i ，是经过一段有限距离x 以后 的强度，将上式变为以1 0 为底的指数： ，= 1 0 1 0 ”( 2 - - 3 ) 式中m = 口l o g e ，若介质为溶液，则口与溶液的浓度c 成正比a = k ，c ，它是与光 ， 的强度无关的常数，常称为溶液的吸收系数。在溶液测量时，通常用透光度r = 的对数 0 来表示光被溶液吸收的程度，称为吸光度，常用a 表示： 厂，、 a = - l g i l _ ，肼= 口l g e x = k 。c l g e x = k c x ( 2 - - 4 ) 1d ， 其中僚吠，l 酽，式( 2 - 4 ) 就是著名的朗伯一比尔吸收定律【4 2 】。它是比色分析和光 谱分析的基础。也是本系统重要的原理依据。 从式( 2 4 ) 可以看出，在 射光强不变的情况下，吸光度只与液层厚度x 及溶液的 浓度有关，若再保持液层厚度x 不变，则吸光度只与溶液的浓度有关，因此，通过对吸光 度的测量，可以推算出该溶液的浓度值。采用的方法通常有计算法和标准曲线法。计算法 就是利用公式一步一步推导出浓度值。由于溶液在吸收时，或多或少偏离朗伯一比尔吸收 定律，用计算法的误差较大，所以通常都采用标准曲线法。 所谓标准曲线法，是先选定几种具有标准浓度的溶液，测出每种溶液的吸光度a ，以 浓度c 为横坐标，吸光度a 为纵坐标，拟合出一条标准工作曲线，如图2 1 所示。有了 标准工作曲线，便可对溶液进行测量，在同样的工作条件下，用仪器测出a 后，根据相应 的标准曲线和曲线参数( 曲线四参数拟厶 去 羊见第四章) ，从而可以由软件程芋反求相应的 c 。但是由于仪器接收器检测的是光强，所以我们必须通过式( 2 4 ) 经过对数变换，转 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 换为吸光度值，这既可以通过硬件电路，也可以通过软件算法实现。在本系统中，通过对 数放大器完成这一工作。 a 吸 光 度 c 浓度 圈2 1 标准曲线 对于普通的光电比色计，由于其接收器件的灵敏度的限制，所自湖9 出的吸光度值 y 图2 1 6 矩阵式键盘 时，看是否有哪条列线变成低电平。如果有某条列线变为低电平，则表示第0 行和此列线 相交的位置上的键被按下；如果没有任何一条列线为低电平，则说明第0 行上没有键被按 下。此后，再将第l 行接地，然后检测列线中是否有变为低电平的线。如此往下逐行扫描， 直到最后行。在扫描过程中，当发现某行有键闭合时，也就是列线输入中有位为o 时，便在扫描中途退出，而将输入值进行移位，从而确定闭合键所在的列线位置。根据行 线位黉和列线位置。便能识别此刻闭合的到底是哪个键了。 但在实际中，般先快速检查键盘中是否有某个键已经被按下，然后再确定具体按下 了哪个键。为此。可以先使所有各行同时为低电平，再检查是否有列线也处于低电平。这 时如果列线上有位为0 ，则说明必有键按下，不过还不能确定所闭合得键处在哪一行上。 于是再用扫描法来确定具体位置。 本系统所用的是5 5 的薄膜键盘，键的识别原理就是以e 所说的i 取理。在这2 5 个键 中0 - - 9 是1 0 个数字键，一个小数点键，1 4 个功能键。下面主要介绍一下各个功能键的意 义。 键盘上键的排列如图2 1 7 所示。 s t o p停止当前的操作返回到起始位置； r u n 进行项目测定； b a c ks p a c e退回一步，退回到前一步所选择的功能，又称“返回键” o p t i o n非常规操作时调出欲选择的附加功能项目程序； s t a t 调出标准曲线： y e si i 当被提问时，答“是”用。并具有对欲选择项目进行正向搜索 选择功能； 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 口口口口曰 曰口口口曰 曰口口口回 日口口日回 曰日日口曰 s p e c h 小e e n t e r n o g p r i n t s a v e c i e a r + r e s e t 显示电路 图2 一1 7 薄膜键盘 调出一系列的特殊功能； 当显示器显示所选择的功能时，用此键“确认”以使仪器对此 功能进行工作； 当被提问时，答“否”用。并具有对欲选择项目进行逆向搜索 选择功能； 打印己存盘的项目标本报告； 测试后报告存盘； 清除已存盘的所有报告； 有待扩展； 重新启动。 所谓的液晶显示电路是将液晶显示器件、连接器、集成电路、p c b 线路板、背光源、 结构件装配在一起。液晶是一种物质态，是一种不同于固体( 晶体) ，又不同于液体( 各向同 性的可流动的液态) 和气体的特殊物质态。因此它在一定的温度范围内既具有晶体所具有的 各向异性造成的双折射性，又具有液体所特有的流动性。从微观分子角度观察，液晶的分 子般都是剐性的棒状分子。由于分子头尾、侧丽所接的分子集团不问，使液晶分子在长 轴和短轴两个方向上具有不同的性质，成为极性分子，处于自由状态下的分子长轴总是互 相平行，分子萤厶处于自由状态。由于液晶的弹性系数很小，所以在外加电场作用下，分 子的排列极易发生变化。例如，在外磁场和外电场作用下，液晶的指向矢( 向列液晶中长轴 的方向) 就会沿外电场和外磁场的方向重新排布。液晶显示器件就是根据这一理论设计的。 实际上，液晶显示器件的工作原理就是基于这特性实现的。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 液晶显示器有许多优点，主要有以下几点优异的特性： ( 1 ) 低压，微功耗； ( 2 ) 平板型结构： ( 3 ) 被动型显示； ( 4 ) 显示信息量大； ( 5 1 易于彩色化： ( 6 ) 长寿命并且无辐射无污染。 本系统用的是1 6 2 的液晶显示器l c d 。它是用作仪器与操作员的信息交换器。它可 显示二行，每行有1 6 个字符。上行显示告诉操作人员仪器现在正在进行哪一项工作。下行 显示告诉操作人员这一步应进行什么操作，并显示每步可能作出的选择。 2 3 本章州瞄 本章主要介绍了系统所依据的检澳4 原理和光学系统，以及系统的各个组成部分。在硬 件选择上，我们对各个部件都进行了比较选择。并给出了其中一些的参数和使用条件等等。 有的也给出了设计的电路图和实物图。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 第三章单片机系统的介绍及外围电路 3 1 单片机原理 从9 0 年代开始，d s p ( d 嗨切1s i g r a a lp r o c e s s o r ) 技术和f p g a ( f i l e dp r o g r a m m a b l ec r a t e a r m y ) 芯片技术在美国得到高速发展，出现了批高性能低价格的d s p 。这些d s p 的重要 特f 生是它们的兼客眭好而且浮点运算速度快，而f p g a 芯片技术则使通过软件柬更新硬件 成为可能m j 。尽管这些技术的出现，但是，由于近年来高性能的单片机不断推出，再加上 用单片机开发产品的技术非常成熟，开发工具丰富且功能强大，开发成本相对较低廉等特 点，使得单片机在许多应用领域仍然具有很强的生命力【m 。对于本课题来说，由于系统不 是太复杂，处理对象不是很多，所以选择款性能较好的单片机就能满足设计要求了，而 无需选用高速的d s p 和先进的f p g a 。 单片机的发展速度相当快。自从1 9 7 6 年9 月美国i n t e l 公司的m c s - - 4 8 单片机问世以 来，随着集成技术提高和h m o s 技术的发展，1 9 8 0 年i n t e l 公司推出了8 位高档m c s - 5 1 系列单片机。其他公司也相继推出例如m c - - 6 8 0 1 ，z 一8 ，6 5 0 1 6 5 0 2 等单片机，在一块芯 片上集成了1 3 万只以上的晶体管见随后出现了1 6 位的单片机例如i n t e l 公司的m c s - - 9 6 系列，1 1 公司的m s p 4 3 0 系列单片机等。而现在已经出现了3 2 位的a r m 单片机等口】。 单片机发展如此之快，而且现在的单片机又非常多，功能也越来越强大，怎样才能选 择适合我们需要的单片机呢? 这就要对单片机进行选型，根据我们所要实现的功能选择合 适的单片机。 3 1 1 单片机的选型 针对一定系统，恰当选择所用的单片机是十分重要的。对于一个明确的对象，选择功 能过少的单片机无法完成控制任务：选择功能过强的单片机则会造成资源浪费，使性能价 格比下降。因此，必须选择合适的单片机。 在实际的应用系统中，对单片机进行选择的原则主要有如下几点： 1 了解单片机对应用系统的适用性 所谓对应用系统的适用性，就是能否用个单片机完成对系统的控制，或需要增加几 个附加的集成电路才能实现对系统的控制。 从对应用系统的适用性出发，主要应考虑下列问题： ( 1 )单片机是否含有所需的y o 端口数目 如果单片机的y o 端口数太少，那么就不可能满足有关的功能；如果单片机的y o 口 数太多，就会造成单片机资源的浪费，也就是选择了性价比过低的单片机了。当然，1 1 0 口只是单片机选型的一个基本参考，许多情况i o 数量可以通过辅助电路加以扩展。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 ( 2 ) 所选的单片机是否含有所需的外围端口部件 单片机虽小，却包含有普通计算机的基本单元，一般包含以下功能部件：中央控制单 元( c p u ) 、定时器斜数器、i ，d 接口、串行通信接口、中断应答系统、内部存储器，以及 用于系统扩展的数据总线和地址总线等。但这些资源的数量是不一样的，这就是说，若单 片机型号选择合适，无需外部扩展，或较少的外部扩展就能完成系统所需的功台拶。这样 可以简化电路，符合微型化的原则。同时也减小了外围扩展带来电信号上的干扰。 ( 3 ) 所选单片机的c p u 是否有合适的吞吐量 这是一个有关单片机的计算胡功能的问题。针对应用系统的需要，必须认真考虑单片 机对系统执行控制时的处理能力。如果单片机的处理能力过强，则浪费了单片机的资源， 如果处理能力不足，就无法正常进行工作。单片机的处理能力主要表现在c p u 的运行速度， 指令的功能，指令周期的长短，中断能力，堆栈大小等指标上。 ( 4 ) 所选单片机的极限性能是否满足要求 一个应用系统有其特定的应用环境，功耗和电压状态。单片机的极限性能般包括最 高使用温度、最低使用温度、最高使用电压、最低使用电压、最大功耗、最大电流等。很 明显，应用系统的使用温度应在单片机最大温度范围内，使用电压、电流和功耗应在单片 机极限借标内。否则，单片机便不能蒲足应用系统的需要。这时，应该选择能够满足应用 系统需要的另一种型号的单片机。 2 了解单片机的可购买性 在单片机能够适合应用系统时，j 歪- 应考舣种型号的单片机的可购买性。在选型的时 候我们应该考虑是否可以直接购买到、是否有足够的供应量等。这种情况经常发生。我的 师兄就遇到过此神情况。当他设计好电路，购买元件时，却发现极难买到浚元件。而且在 设计时，不仅要考虑它的可购买性，还得考虑在定时期可以采用新版本对产品升级，从 而达到事倍功半的效果。显然对于准备推出新版本或有新版本的单片机，选择用于应用 系统或产品具有较强的后劲。这对于批量生产来说是比较重要的。 3 了解单片机的可开发性 这是一个十分重要的因素。所选择的单片机是否有足够的开发手段，直接影响到单片 机能否顺利开发，并且较快的应用于被控对象中。如果没有足够的开发手段，则相应的单 片机型号是不宜选择用于有关】直用系统的。对于被选择的单片机，应考虑下列开发工具： ( 1 ) 编译软件 要考虑编译工具的提供是否方便、运行环境如何、使用是否方便等因素。 ( 2 ) 程序写入工具 为节省资源，目前多数单片机本身不带操作系统，程序的写入靠外部工具完成，在单 片机选择时，写入工具及其配套软件的价格、性能等应予以考虑。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 ( 3 ) 调试工具 对于使用新的型号单片机，开始时对系统的软、硬件资源不够熟悉，最好有较好的调 试工具或仿真工具。 ( 4 ) 语言体系与熟悉程度 这是可开发性的一个方面，若你已经对某一类单片机比较熟悉，在同样的其他条件下， 选择熟悉的单片机类比较合适。若是选择种新的单片机，应该了解新型号单片机的语言 体系的基本隋况。 另外，还要了解单片机制造商的历史。对于单片机制造商，主要应考虑：该制造商生 产单片机的历史、业绩，以往生产的单片机性价e 皱口何，供应情况，目前是否还在单片机 制造方面发展等。 仅仅根据以上的原贝啦丕是不够的，还得查找各种资料，查看、下载各种单片机的数据， 比较它们的优劣。在此基础上才能作出正确的选择。 在做这个项目时，花了很长一段时间对所查找的单片枫作了比较。比较各种单片机的 优劣，最终确定所用单片机的型号。下面是几种单片机各自的特点。 一、p h i l i p s 通用型8 0 ( 2 5 1 的主要特点【i o l 1 18 位静态、低电压、可动态加速c p u ； 孙典型振荡器频率：0 3 0 3 3 m h z ( 5 v ) ， 0 1 6 m h z ( 2 7 5 5 v ) ： 3 ) 总寻址能力：程j 芋存储器一片内片外共计6 4 k 字节， 数据存储器一片内2 5 6 字节，片外6 4 k 字节； 4 ) 片上实有：程序存储器4 k ，8 刈1 6 k 3 2 k 字节， 数据存储器一1 2 8 2 5 6 字节( 含按位寻址存储器1 6 8 位) ； 5 1 布尔处理器实现位处理； 旬3 1 6 位计豺定时器( 相对m c s - 5 1 增加了捕捉原理的舵) ； n6 个中断源和4 个优先级中断控制器( 增加您中断源) ； 8 1 改用增强型全双工u a r t 串行口： 4 x8 位并行1 2 1 ( 增强复用管脚) ； 1 改用双d p i r ； 1 1 ) 增加可编程方波时钟输出； 1 2 ) 抑制电磁干扰e m i ( a l e 可关断、的腿加反冲控制、使用6 - c l o c k 机器周期等) ； 1 3 ) 节点工作模式：零卿降频模式、休息模式、下电模式( 增加外中断唤醒) 。 二、美国c y g n a l 公司生产的c 8 0 5 1 f x x x 单片机具有以下几个重要特点【l l 】： 1 ) 速度快：高达2 5 m i p s 的速度。黼的8 0 5 1 快2 0 倍以上，丝毫不逊于5 1 单片 机； 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 2 ) 强大的模拟信号处理能力：有多达3 2 路1 2 位a o c ( ：j 塞度为1 0 0 k h z ) 或高达5 0 0 k h z 的8 位a d c 、两路1 2 位精度的d a c 、两路模拟 e 较器、高精度基准电源、程控放大器和 温度传感器； 3 ) 先进的j t a g 调试功能：支持在系统、全速、非侵入调试和编程，不占用任何片 内资源； 4 ) 强大自啦制功能：有多达6 4 位的端口线。所有的口线可以编程为弱上拉或推挽输 出。更为独特的是具有数字开关阵列删g 砌c m s s b a r ) ，可以将内部系统资源定向到p 0 、p l 和p 2 ，即可以把定时器、串行总线、外部中断源、转换输入、比较器输出定向到p o 、p l 和p 2 ； 5 ) 有2 2 个中断源：为实时多任务的实现提供了扎实的基础； 6 ) 可靠的安全机制：有7 种复位源，使系统的运行可靠性大大提高； 7 )存储器：有多达6 4 1 0 3 的f l a s h 存储器，其中的部分可以作为数据存储用。同 时，片内还有多达4 k b 的r a m 存储器。 总之，c 8 0 5 1 f x x x 系列单片机具有片内v d d 监视器、w d t 和时钟振荡器。它能有效 地管理模拟和数字外设、f l a s h 存储器，还具有在系统重新编程的能力，可以关闭单个或 全部外设，是真正能独立工作的片上系统。 三、美国a t m e l 公司生产的a v r 单片机的主要特点1 1 2 】 1 ) 价格低廉的可擦写1 0 0 0 次以上的1 6 ( 宇、位指令f l a s h 技术，数据存贮器为8 位， a v r 还是属8 位： 2 ) 高速嘲5 0 m ) 、低功耗。具有s 【觋，休哟功能及c m o s 技术，每指令执i 亍速 度可达5 0 m ( 2 0 m h z ) ，而耗电则在l m a 2 5 m a 问( 典型功耗，w d t 关闭时为1 0 0 h a ) 。 a v r 运用h a r v a r d 结构概念( 具有预取指令功 翔，即对程序存储和数据带有不同的存储器 和总线，当执行某一指令时，下一指令被预先从程i 芋存储器中取出，这使得指令可以在每 一个时钟周期内被执行； 3 ) 高度保密( l o c k ) 。可多次烧写的f l a s h 且具有多重密码保护锁死匹d c k ) 功能， 且可多次更改程序( 产品升级) 而不必浪费i c 或电路板，大大提高产品质量； 4 ) 有看门狗定时器m d d ，安全保护，防i e 程序走飞，提高产品的抗干扰能力； 5 ) 超功能精简指令。具有3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的3 2 个累加器，克服 了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象，及5 1 2 字节的s r a m ，可灵活使用指令运算并可 用功能很强的c 语言编程，易学易写易移植： 6 ) 程序写入器件可以并行写入佣万用编程器) ，也可串行在线下载q s p ) 、擦写； 7 ) 并行i o 口输入输出可设定类同8 0 5 1 系列内部上拉高电阳作输入端的功能，便于 作各种应用特性所需( 多功能i o 口) ，只有a v r 才是真正的i o 口，能正确反映1 1 3 口的 输入偷出真实情况； 8 1 单片机内有模拟比较器，i o 口可作a d 转换用，可组成廉价的a d 转换器； 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 9 ) 有多个固定中断向量入口地址可快速响应，不需要像同一入口地址那样，以程序判 别后才可响应，这实在是浪费且失去控制的最隹机会； i o ) 可重设启动复位； 1 1 ) 具有休眠省电功能( p o w e rd o w n ) 及闲置( d ie ) 低功耗功能； 1 2 ) 部分a v r 器件具有内部r c 振荡器一l l v l h z 的工作频率，使该类单片机无需外 加元器件即可工作： 1 3 ) 计数器定时器有8 位和1 6 位，可作比较器，计数器外部中断和p w m ( 也可当d a ) 用于控制输出： 1 4 ) 有串行异步通讯u a r t ，不占用定时器和s p i 传输功能，因其高速故可以工作在 一般标准整数频率，而波特率可达5 7 6 k ； 1 5 ) 工作电压范围宽2 7 v 6 0 v ，电源抗干扰性能强； 1 6 ) 还有多通道l o 位a d 及实时时钟r t c ： 1 7 ) a v r 由f l a s h 存储器构成，并具有较大容量可擦写1 0 0 0 0 0 次的e 2 p r o m ，对掉 电后数据的保存带来方便，来电后能记住掉电时的工作状态。 四、美国m i c r o c h i p 公司生产的p i c 单片机 美国m i c m c h i p 公司推出的p i c 8 位微控制器系列是业内率先采用精简指令集计算机 ( p a s c - - - r e d i | c e di n s m _ l c t i o ns e tc o m p u i c r ) 结构的高性能价格比的嵌 式控制器。其高速度、 低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程( o r p o 鹏t i m e p r o g r a n u n a b l e ) 芯片的低价位、小体积等，都体现了微控制器工业发展的新趋势。p i c 在 结构和性能上都有自己独特的特点【”】。 1 结构上的特点 1 ) 类一精简指令集计算机( r i s c 1 i k e - - - r e d u c e d l m t r u c t i o n s e t c o m p u t e r - l i k e ) 结构 采用这种结构后，在相同的条件下，p i c 微控制器所需要的编码比一般微控耕器要少 一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约3 0 。 2 ) 哈佛( h a r v a r d ) 双总线结构 其存储结构是基于哈佛双总线概念，数据和指令传输总线完全分开以避免出现典型的 普通c i s c 设计中经常出现的处理瓶颈问题。由于对程序和数据同时进行访问，所以提高 了数据吞吐率。 3 ) 两级指令流水线结构 p i c 系列微控制器的取指和执行采用指令流水线结构，见图3 一l 的示意图。当一条指令被 执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。在大多数微 控制器中，取指和执行都魁i 图芋进行的。而在指令流水线结构中，取指和执行在时间上是 相互重叠的，所以才可能实现单周期指令。只有涉及到改变程序计数器p c ( p r o g r a m c o u n t e r ) 值的程序分支指令( 例如g o t o 、c a l l 或对p c 写操作) 等才需要两个周期。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 周期0周期1周期2 周期3周期4 闰3 一l 指令流水线结构示意图 4 ) 寄存器组 p i c 的结构特点还体现在寄存器组上，所有的寄存器，包括姗口、定时器和程序计 数器等都是采用r a m 结构形式，而且都只需要个周期就可以完成访问和操作。而大多 数其他微控制器都需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。 5 1 一次性编程o t p 技术 低价的o t p 芯片在价格方面已经接近于掩膜i m 芯片的价格，但是它具有许多优点： 钓童进 市场；便于修改编码；对最终用户可以提供最佳的解决方案；减少生产 厂家的剩余积压；减少生产厂家的库存周转量；减少可能需要处理的工作。 6 ) 独特的三层次系列多型号品种 p i c 系列微控制器三个层次的系列产品主要是：基础级微控制器系列 p i c l 6 c 5 x 1 2 c 5 x x ；中档性能微控制器系列p i c l 6 c x x ；高性能微控制器系列 p i c l 7 c x x 。这些丰富系列产品可以使用户方便的选择。m i c r o c h i p 公司的这三个层次的p i c 微控制器具有很高的代码兼容性，很容易将代码从种型号芯片移植到另种型号上，所 以用户总是可以选择一种最适合自己产品的型号。 2 性能上的特点 1 ) 高速度 由于p i c 系列微控制器既用的宽字单周期指令、哈佛双总线和r i s c 结构，其数据吞 吐率最高可达6 m m s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，即每秒钟可执行6 0 0 万条指令) ， 这几乎是其他大多数8 位微控制器速度的4 倍。 2 ) 实时执行 对时间要求苛刻的应用，例如电机控制、高速i o 或串行数据位流操作等，p i c 系列 微控制器可以提供种新的低成本的解决方案。利用p i c 高性能算法处理能力的实时性可 以取代低效率的存储器操作和精确度不高的查表法。p i c 微控制器除了其价格优势外，设 计者还可以得到多方面的可编程灵活性、强有力的控制器功能和节约空间的诸多好处。 基于单片机的磁酶免测定仪的研制 3 ) 低功耗 由于采用全静态c m o s 设计，电源操作能耗j 艮低。但非常可靠。因为片内有上电复位 p o r ( p o r - - p o w e ro nr e s e t ) 电路、监视定时器电路 1 1r c 振荡器电路选择等，所以就不 需要增加价格较高的片外支持的功能元器件，从而降低了系统成本和系统功耗。p i c 的小 晶片尺寸加上m i c r o c h i p 先进的c o m s 技术使芯片具有很宽的性能范围以及低工作电流 ( 典型值：在3 v ，3 2 k h z 时工作电流为1 5 m a ) 和极小的待命状态电流( 休眠方式3 v 工 作情况下小于l m h ) 。 4 ) 可选择振荡器 片内集成有带r c 振荡器的监视定时器，而且引进了“用户可选择振荡器”的新设计 概念，它允许用户在4 种从直流到2 0 m h z ( 2 0 0 n s ) , 频聋g 范围内选择一种振荡器形式让芯片执 行指令，以优化系统的功能。这4 种振荡器方式是：r c 型低成本的r c 振荡器；x t 型标准的石英晶体振荡器；h s 型_ 高速石英晶体振荡器和l p 型一氏功耗f 氐频石 英晶体振荡器。 5 ) 程序代码加密保护 具有程序代码加密保护功能，可通过对片内e p r o m 保密设置进行加密。 6 ) 功能强大的帕性能 p i c 系列单片机的一个特点就是其输入输出功能十分强大。芯片可以在一个指令 ( 2 0 0 n s ) 对任何寄存器( 包括加l 寄存器) 中任何位完成位置1 、位清零和位澳怖功能。 所以p i c 系列芯片与外部电路和接口效率非常商，可以用来作为高速到o 控制器。p i c 的 i o 口有多种功能。通过软件配嚣，每2 个i o 引脚青阿以对输入和输出分别分时多路复用， 或者可以被编程呈高阻状态，例如可以支持用普通总线进行多片配置。而且数据输入线允 许有2 5 m a 的倒灌电流，可以直接驱动l e d 。 7 ) 丰富的可编程特殊外围接口。 五、英国a r m 公司生产的a r m 单片机 m t m 公司把a r m 作为知识产权妒推向嵌 式处理器市场，已经成为嵌入式系统首 选的处理器结构。