（精密仪器及机械专业论文）全自动免疫分析仪——信号检测及温度控制(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

f 西! i 论文 个r i 动饱疫分析仪价l j 怜测坟泓j l ： 令制 摘要 全自动免疫分析仪的研制具有重大的意义。传统的分析仪器采用手工操作，受操作 者主观因数影响比较大，错误几率大。我国医疗器械产品水平相对落后，国内的实验室 采用的基本都是进口的产品，因此丌展全自动免疫分析仪的研究对提高我国全自动免疫 分析仪器的研究和技术水平具有一定得意义。设计旨在丌发操作自动化，功能完善的全 自动免疫分析仪。 通过了解免疫分析原理和测试方法，设计了基于a t m e g a l 2 8 为控制核心的全自动 免疫分析仪系统。根据免疫分析仪的功能需求和性能指标，具体分析和设计了测试系统 的硬件和软件。在硬件方面，主要解决液位控制、微电流处理、温度控制和数据采集等 关键技术；在软件方面，主要是实现系统的基本功能，并从系统的稳定性、可靠性还有 今后系统的扩展和维护方面考虑，选择了操作系统l ac o s i i 作为软件系统的基础。 最后调试和实验表明，所设计的系统完全符合要求。 关键词：全自动免疫分析仪，a t m e g a l 2 8 ，微电流，数据采集，uc o s i i a b s i r a c t 坝l ：i t 文 a b s t r a c t i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i ci m m u n ea n a l y z e r i n f l u e n c e d b yt h es u b j e c t i v ee l e m e n t so ft h eo p e r a t o r , t h et r a d i t i o n a lm a n u a la n a l y s i si n s t r u m e n t sm a y l e a dt oah i g hr a t eo fe r r o r s d u et ot h er e l a t i v e l yb a c k w a r ds i t u a t i o no fm e d i c a le q u i p m e n t s i no u rc o u n t r y , l a b o r a t o r i e sa th o m eo f t e ni m p o r te q u i p m e n t sf r o ma b r o a d ，w h i c hp l a y sav i t a l r o l ei nt h ei m p r o v e m e n to ft h er e s e a r c ha n dt e c h n i c a ll e v e l so fa u t o m a t i ci m m u n ea n a l y z e ri n t h ep r o c e s so f r e s e a r c h i n ga n dd e s i g n i n gi t t h ep u r p o s eo f t h ed e s i g ni st od e v e l o pa u t o m a t i c i m m u n ea n a l y z e rw h i ri sf u l l ya u t o m a t e do no p e r a t i o na n dp e r f e c to nf u n c t i o n t h es y s t e mo fa u t o m a t i ci m m u n ea n a l y z e ri sb a s e do na t m e g a l2 8p r o c e s s o rb yk n o w i n g p r i n c i p l e so fi m m u n o a s s a ya n dt e s tm e t h o d h a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e dt o a n a l y z et h es y s t e ma c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a ld e m a n d sa n dc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt e r m s o ft h eh a r d w a r e ，t h e r ea r em a n yk e yt e c h n o l o g i e st os o l v es u c ha sl i q u i dl e v e lc o n t r o l ，t h e w e a kc u r r e n th a n d l i n g ，t e m p e r a t u r ec o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n a sf o rt h es o f t w a r e ，k e y t e c h n o l o g i e sn e e d st o a c h i e v em a i n l ya r et h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e m i 且c o s i ii s s e l e c t e di l l st h eo p e r a t i n gs y s t e ma n db a s i so ft h es o f t w a r ei nc o n s i d e r a t i o no ft h es y s t e m s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n de x p a n s i o na n d m a i n t e n a n c ei nt h ef u t u r e b a s e do ns y s t e md e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t si nt h el a s tp a r t ，t h i se a s yp r o v e st h a tt h e d e s i g no fs y s t e mi sf u l l yi nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a u t o m a t i ci m m u n ea n a l y z e r , a t m e g a 12 8 ，w e a kc u r r e n t ，d a t aa c q u i s i t i o n , i c o s - i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所矢，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含多他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 幽翊! 绞 砷引月 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 墨聿刍璧 砷年6 月y 日 l j j ! i 论文 1 绪论 1 1 引言 免疫检测技术是指利用免疫反应特异性的原理，建立各种检测与分析的技术。常规 免疫检测技术主要是用于检测抗原或抗体的体外免疫血清学反应或免疫血清学技术。免 疫血清学技术是建立在抗原抗体特异性反应基础上的检测技术。现代免疫检测技术的发 展非常快，已有许多新的方法和技术出现，例如：酶免疫分析法、荧光抗体技术、放射 免疫技术。目前运用最广泛的方法e l i s a 就是酶联接免疫吸附剂测定( e n z y m e l i n k e d i m m u n o s o r b n e n ta s s a y ) 的简称，这种方法就是将抗原或抗体吸附于固相载体，在载体 上进行免疫酶染色，底物显色用肉眼或分光光度仪判定。 免疫检测技术广泛应用在很多领域，最突出的应用是对人和动物传染病、寄生虫病、 肿瘤、自身免疫病和变态反应进行诊断。除此之外，在动植物生理活动、物种及微生物 鉴定、动植物性状的免疫标记、免疫增强药物和疫苗的研究、发病机理和分子生物学的 研究都有很广泛的应用【l 3 】。 全自动免疫分析仪就是用于测定人体体液( 血液、尿液等) 、血清、免疫球蛋白的各 种生化指标的分析仪器，将过滤、混合、温度控制、加样、清洗、孵育、检测分析等设 置为全自动，它可以准确、快速地为医生和化学检验人员提供检验数据，在临床诊断和 化学检验中具有重要作用。 1 2 全自动免疫分析仪概况 1 2 1 国外发展状况以及进展 自第一台自动化仪器由美国泰尔康( t e c h n i c o n ) 公司于1 9 5 7 年根据s k e g g s 教授的设计方案制造而诞生以来，经过半个多世纪的发展，国外自动化免疫分析仪在技 术上已经趋向成熟。美国贝克曼( b e c k m a nc o u l t e r ) 、应用生物公司( a p p l i e db i o s y s t e m ) 、 雅培( a b b o t t ) 、强生( j o h n s o n & j o h n s o n ) 、h u d s o n 、同本同立( h i t a c h i ) 、荷兰s k a l a r 、瑞士 t e c a n 、哈美顿( h a m i l t o n ) 等众多公司推出各自种类齐全的自动化分析仪器【l 。 现在在国内外市场上自动化分析仪器有很多，例如：l p - 4 0 0 全自动酶免疫分析系 统、i m x 全自动快速微粒子酶免疫分析系统、a r r a y 全自动蛋白分析系统、a c c e s s 全自 动免疫分析仪器、i g e n 全自动免疫分析系统、美国a b b o t t a x s y m 全自动免疫分析 仪等。这些仪器大都采用微机控制、可对液体试剂的配置、标本的加样及洗涤、测定等 绪论坝i j 论文 各操作步骤实行自动化处理，使测定结果更加准确、可靠【6 】。 以美国a b b o t ta x s y m 全自动免疫分析仪为例，它的测试平均速度为 8 0 1 2 0 t e s t h o u r ，该系统使用了微粒子捕摊酶免疫技术作大分子量分析，使j f j 了荧光偏 振振光酶免法作小分子量分析。该系统的灵活性和可适应性非常强，可2 4 小时处理火 量或少量样品，该仪器完全引进自动化概念，可以排除人为因素影响，并且可以2 4 小 时待机、连续取样、任意加样本、试剂、消耗品、洗涤剂等；患者标本可随时随做，急 诊最快8 分钟可出结果，患者标本可全部当天得到结果。该仪器全部作为定量分析，加 上稀释功能科达到极宽线性范围，可为临床的诊断和治疗提供准确依据【7 1 。 纵观国外各公司的仪器，具有以下几个特点： 采用多自由度机械臂来协调各个功能模块之间功过，可以完成诸如加样和在沈 板机、酶标仪、孵育器等模块之间转移试剂盘的操作。 具有多种模式的不同通道的液体处理装置可供选择，是仪器具有极强的灵活性， 能够满足各种分析需求。 为增加实验速度，增长无人干预连续运行时间，自动分析仪都有微孔盘存储、 操作装置。 在检测技术上采用多种技术的结合和处理上的完全自动化，使检测结果更加准 确，精度更高。 总之，随着计算机与电子技术发展，国外分析仪主要向通用化、全自动、微量化、 组合式方向发展。具体可以说是，可采用测定技术与可测反应类型增多，测试速度提高， 通道增多，软件功能增强，自动化程度提高；与之相对应是样品和试剂的用量减少，人 工参与减少。 1 2 2 国内发展状况及进展 我国的免疫分析仪无论是在检测技术上还是自动化程度上与国外比较，发展起步 较慢，自动化程度不高。目前国内生产的分析仪大多属于半自动化，自动化程度、精度、 工艺质量、可靠性和稳定性与国外还存在相当大的差距。在检测技术上由于技术的不成 熟和研究人员的限制使得仪器分析速度慢、试剂消耗量大，在精确度和准确度上都比国 外的差。在常规实验免疫检测中，还是以凝集、沉淀实验及手工操作的酶标、放免实验 为主，这些都在严重阻碍了我国的全自动免疫分析仪的发展。 随着国外全自动免疫分析仪发展和在市场上的普及，国内自主的全自动分析仪也在 向更高层次发展。深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司于2 0 0 3 年推出了中国首台捌有 完全自主知识产权的全自动分析仪b s 3 0 0 。这些都是国内企业自主研制的全自动分析 仪。但是这些无论是在性能、外形设计、技术含量都与国外产品有很大的差距。这主要 2 f 哆! i j 论文 伞自动免疫分析仪nl j 协洲歧濉皮 窜：i j i j 是因为它涉及光、机、电、算法、液路、温控、免疫分析等多方面的综合技术，山于系 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，至今网内还没有 研制成功的案例，因此医疗机构的需求1 0 0 依靠进口，国内的全自动免疫力分析仪市 场均被国外所占领。 1 3 全自动免疫分析仪的原理及分类 1 3 1 全自动免疫分析仪的原理 全自动免疫分析仪的工作原理应该从两个方面来阐述，一方面是自动化，即全自动 分析仪是把一系列工作流程( 样本稀释、加样、孵育、洗板、加酶结合物、孵育、沈板、 加底物、孵育、加中止反应物、读板、计算) 进行高度自动化，没有人工的参与；另一 方面就是对反应物进行测定，就是由多束垂直单色光照射比色池内的有色液体，通过对 被测样品对光能量的吸收，由光电转换器( 如光电池) 讲光信号转换成相应的电流信号， 该信号通过处理转换成数字信号，送入处理单元，处理单元再根据用户的选择的工作方 式，对测量数据进行处理、运算、分析、保存和打印等等。全自动免疫分析仪的原理图 如1 1 所示i t 1 1 。 图1 1 全自动免疫分析仪的原理框图 机械操作系统向比色池内进行一系列操作后，对最终反应物进行检测，利用吸光度 进行检测和分析，其主要的理论依据是布格一朗伯一比尔定律。一束单色光通过溶液时， 由于溶液吸收了部分光能，使透光的强度减弱，溶液厚度越大，浓度越高，则透过光的 强度减弱越显著。如图1 2 所示。 3 i 绪论 最终反应物 溶液 i 图1 2 比色池透光不意图 根据布格一朗t s - l l 尔定律： l g 万i = k c l = 彳 ( 1 1 ) 其中i o 为入射光强度，i 为透射光强度，为溶液厚度，c 为溶液浓度，k 为常数，与 物质有关，a 为吸光度。通过分析，在同样的条件下，先测得某种物质已知浓度为c l 的 标准物的吸光度a 。，再测得相同物质未知浓度为c 2 的样品吸光度4 ，从布格一朗伯一比 尔定律得到： 4 = l g i i i 2k c i 厶 ( 1 - 2 ) 4 - l g 乏2 k c 2 厶 “3 ) 由于被测的是同一物质，又是同样的比色池，所以k 。= k ，厶= 厶；若已知浓度q ， 则根据式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 可以计算出未知浓度c 2 。 c 22 鲁c i ( 1 4 ) 通过测量吸光度然后计算浓度可以反应待测液的生化指标。 1 3 2 全自动免疫分析仪的分类 所谓全自动免疫分析仪，是把分析仪中的样本稀释、加样、孵育、洗板、加酶、加 底物、加中止物、读板、计算等操作完全自动化的仪器。使用全自动免疫分析仪可以使 临床化学实验操作步骤全部由仪器独立完成，实现自动化，只需预先装入样品和试剂， 通知仪器要检测的项目，然后就可以得出想要的结果。 全自动免疫分析仪的种类很多，可以从不同的角度进行分类。 4 顺i j 论艾伞一幼免疫分析仪价5 j ： 测戍温度 训埘 按照比色方式的不同可以分为：流动式和分立式。分离式与流动式的丰要区别是在 于控制时序和分光光度计的不同。流动式使用的是流动式比色皿，其分析速度较低，精 度也难以达到较高的水平，样本交叉污染大；分立式采用的是分立式比色皿，没行交叉 污染，精度和测试速度可以得到较大的提高。按照检测技术的不l 一可以分为：酶联免疫 吸附实验( e l i s a ) 、免疫荧光技术( i f a ) 、免疫凝聚实验( i a ) 、免疫沉淀( i p ) 等几 类。随着样品检测项目的不断增加，以及对快速、简单的原位检测的需求，促进了免疫 检测技术的发展，例如出现了分子印迹技术、流动注射免疫检测、脂质体免疫检测、免 疫传感器等新的检测技术【9 眩】。 1 4 课题研究背景及主要工作 1 4 1 课题研究背景 本课题是基于南京神州英诺华医疗科技有限公司的项目丌发任务设计全自动免疫 分析仪。 ( 1 ) 仪器设计具体参数和技术要求如下： 检测方法：e l i s a 法、速率法、双波长法、非线性多点定标、定量定性测试； 试剂和样本分配：预稀释、重稀释、单一或多种试剂分配，预稀释比例最大3 0 0 倍、可自动判断偏高结果，自动稀释重检，偏低结果自动加倍重检。1 - - - 8 个独立的加 样器，2 - - 6 个独立检测板，1 0 u l 5 0 0 u l 加样量，步进0 1 u l ，并具有随量跟踪功能。仪 器的重复性精度c v 8 9 c 2 0 5 lp l c 2 2 2 系统软件架构设计 图2 2 系统硬件的结构图 7 有了硬件作为基础，为了实现一系列的功能，必须有一套确实可行的软件。软件设 计从结构上大致可以分为两大类，第一类就是循环结构或者叫做前后台结构，在这种结 8 硕l j 论义伞白z 力免疫分析仪f 古l il , l 、：f l j , 0 及温度t 卒i - t i 构中，应用程序是一个无限的循环，在循环中通过中断的方式调用相应的函数来完成相 应的操作。由于中断服务提供的信息一直要等剑后台程序走到处理这个信息这一步的时 候才能得到处理，这种系统在处理信息的及时性上很差，另外还可能因为任务太多，和 运行时间太长而导致系统不太稳定，经常出现程序跑飞的情况。另外一类就是使用实时 操作系统( r t o s ) ，在r t o s 上进行任务的丌发，能够提高系统的可靠性、提高丌发效 率。 在本软件设计中选择实时操作系统l ac o s i i 作为基础，l ac o s i i 具有以下几个特 点： 免费以及公丌源代码。uc o s l i 是由l a b r o s s e 先生编写的丌放式内核，其源 代码公开，可以根据自己的需求对它进行裁剪。 使用简单。这个特点与其他嵌入式操作系统不同在于l ac o s i i 在单片机系统中 启动过程比较简单，不像其他操作系统，需要把内核编译成一个映像文件写入r o m 中， 上电复位后，再从r o m 中把文件加载到r a m 中去，然后再运行应用程序。uc o s i i 的内核是和应用程序放在一起编译成一个文件的，使用者只需要把这个文件转换成 h e x 格式，写入r o m 中就可以了，上电后就和普通的单片机程序一样运行。 可靠性高。在单片机系统中嵌入uc o s 1 i 将增强系统的可靠性，并使得调试程 序变得简单。使用i lc o s i i 可以把一个庞大的程序分成许多任务，每个任务相对独立， 然后在每个任务中设置超时函数，时间用完以后，任务必须交出c p u 使用权。即使一 个任务出现了问题，也不会影响其他任务的运行。这样既提高了系统的可靠性同时也使 得程序调试变得容易，对后续的扩展任务有很大的帮助【1 7 郴】。 在软件开发中需要完成以下几部分工作： 系统任务程序的开发包括：a d 采集任务、液位控制任务、串口通讯驱动、定 时器驱动、温度控制任务、核心算法程序。 i lc o s i i 操作系统的移植，包括一些配置文件和源代码的修改。 自引导i a p 的实现，包括其中b o o t l o a d e r 程序的设计以及b o o t l o a d e r 程序的应 用。 本软件系统总的框架如下图2 3 所示。 9 2 系统总体改汁 f ! ；! i j 论爻 中。 a d温度核心 串口 采集控制算法通讯 任务任务任务软1 ；，| ： 软件软 ；f l ：软1 ：，| ： 0韭uu i a p 自引导程序和l ac o s i i 操作系统 0 定时驱动和串口驱动 幽2 3 系统软件构架 在此架构中，由于液位控制任务是在另外一个独立的系统中运行，没有列在此架构 2 3 本章小结 本章先从系统整体描述全自动免疫分析仪的功能，然后从硬件架构和软件架构两方 面分别进行论述，对整个课题所要做的具体工作进行了系统的介绍。至于整个系统的具 体实现，将在后续的内容中给出具体分析和设计。 l o f 少! i j 论义令自动免疫分析仪价l j 愉测及温度挖删 3 系统硬件设计 3 1 光信号处理电路设计 该电路前段所用光源是一2 0 w 卤钨灯，通过分光系统，可以得到不同波长的光，然 后将不同波长的光照射到比色皿中，由光电探测器进行采集，转换成可以处理的电压信 号。 3 1 1 光电探测器 光电池是一种能直接将光能转换为电能的光电器件。光电池的工作原理是基于“光 生伏特效应 。它有较大面积的p n 结，当光照射在p n 结上时，在结的两端出现电动 势。光电池的种类很多，光电池命名方式是把光电池的半导体材料的名称冠于光电池( 或 太阳能电池) 之前。例如硒光电池，砷化稼光电池，硅光电池等。硅光电池价格便宜， 转换效率高，寿命长，适于接收红外光。硒光电池光电转换效率低( 0 0 2 ) ，寿命短， 适于接收可见光( 响应峰值波长0 5 6 p m ) ，最适宜制造照度计。砷化稼光电池转换效率 比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射 线的辐射。因此，它在航天领域有广泛的应用前景。 光电池针对不同波长的光，灵敏度是不同的，图3 1 是硅光电池和硒光电池的光谱 特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池对应的入射光波长范围也不相同。硅光电池 的适用范围宽，对应的入射光波长可在0 4 5 p m - - 1 1 p m 之问，而硒光电池只能在 0 3 4 9 m - - 0 6 7 p m 范围内，它适用于可见光检测。因此硅光电池可以在很宽的范围内应 用，应用较广，是最有发展前途的光电池。在实际使用中应根据光源的性质来选择光电 池，当然也可根据现有的光电池来选择光源，但是要注意光电池的光谱峰值不仅和制造 光电池的材料有关，同时也和制造工艺有关，而且会随着使用温度的不同有所变化1 2 。 3 系统件槛计鳓i 论卫 相对夏戢度麒 波长u _ 图3 l 两种光电池的光谱特性 存木系统中，由卤钨灯发出稳定的白光，测量时当白光通过特定的滤光片后变为符 种波长的单色光，然后选择所需的波长的单色光进入比色皿。由于硅光电池性能稳定 光谱范围广，频率特性好，转换效率高以及耐高温辐射等优点，选择硅光电池s 1 3 3 6 5 b q 作为光电探测器。这个光电池短路电流为4u a 5 u a ，暗电流为3 0 p a 。其体实物如图 3 2 所示。 3 1 2 前置处理器 凹3 2 所选光电池实物幽 在光电检测电路中。一般采用光电探测器来获取光信息，其基本原理是把调制到光 载波上的有用信息调节出来，实现光信号到电信号的转换，测量电信号的变化，从而实 现对光信号的测量。 通常采用的光电池是将光信号转换成微电流，然后将微电流放大并转换成可供a d 转换器处理的电压信号，微电流信号源可以看作内阻非常大的电流源矗具有接地端的 ， 伞一动免7 垒分析仪价i j 榆测及温度托制 微电流测量原理如图3 3 所示。 了f g n d 图3 3 微电流放人原理 对于输入失调电压及温漂、时间漂移等等都为零和共模及差模输入阻抗为无穷大 的理想运算放大器来说，输出电压v o = 一，尺，o 理论上，只要电阻尺，无穷大，即使电流 ，。很小，也可以得到较大的输出电压屹。由于s 1 3 3 6 5 b q 型的光电池所转换的电流大 小在p a 或u a 级别，并且运算放大器在输入阻抗方面不是无穷大，电阻尺，要受到运算 放大器阻抗的限制，r ，越大受外界干扰影响越大。考虑偏置电流厶对被测电流，的分 流，则v o = 一( j s 一厶) r ，如果l 大于j s ，则j s 无法测量，即使l 小于l ，但是都在一 个数量级上的话，那样会使测出来的电压值误差很大【2 1 2 6 1 。 根据光电池产生的电流很小，以及前面所述检测的基本原理( 布格一朗g a - 比尔定律) 可以想到，如果运用对数和反对数放大器进行采集，会把数据进行压缩，得到吸收系数， 简化了后续的程序设计。 酗3 3 电流比的对数变换 由于光电池把光信号转换成了电流，输入信号变成了电流，如上图3 3 所示为输入 电流比的对数放大器。 3 系统硼f ，i ：设h 根据模拟电子技术的知识可以得出： v b e 2 - - 肾纛圪 由对数放大器的公式可知： v b e 2 = 驰乏 v b e l 驰砉 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 由于图中两个三极管相同，l ：= l 。将式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 代入式( 3 1 ) 中整理，可得： 纠，+ 舡呼 4 ) 注：式子中的e 0 与温度有关，= 2 3 ，巧为温度的电压当量。从式子中可以看 出只要做一些温度补偿就可以把误差减少到最小。 通过上述的分析，选择德少i , i 仪器的l o g l l 4 集成对数放大器作为处理微弱信号的处 理芯片。其内部结构框图如3 4 所示。 图3 4l 0 9 1 1 4 内部结构框图 其输入电流的范围为1 0 0 p a 到1 0 m a ，可以提供2 5 v 的基准电压，通过在芯片外 围接入合适的电阻、电容，可以精确的将微弱电流转换成可以处理的电压信号。 3 1 3 处理电路 通过前面3 1 1 节和3 1 2 节对光电池和处理芯片l o g l l 4 的介绍，对芯片的分析， 可以画出测量微电流信号的原理图，如图3 5 所示。 1 4 坝i 沧女 自z m n f if j n 一温度牲制 幽3 5 微i b 流处理i b 跆原理附 从原理图分析，可以得到输出电压的公式： = o 5 1 9 圭 ( ”) ，= ( 鲁) j 考i 一等。 。m ， 代入参数，可以得到： v , = - 0 5 6 1 9 圭也，s c ”， 在制作p c b 时，由于微电流容易受外界的干扰，光电池输出电流的引脚与l 0 9 1 1 4 的电流输入引脚之问的导线应该尽可能的短。如图3 6 所示为测试光信号时一个通道的 测试电路宴物图。 图3 6 单通道光电信号处理电路 3 系统耻f ，i ：砹i i 硕i j 论文 各种波长的光通过滤光片经过处理电路处理后，用力用表测出各种光信号转换成电 压的值如下表3 1 所示。 表3 1 再波k 的光经过处理i u 路所输f l i 的l l 三压 放 洌入长 3 4 0 n m4 0 5 n m4 5 0 n m 4 9 2 n m5 1 0 n m 5 4 6 n m 5 7 8 n m6 2 0 n m 7 0 0 n m 量 蘑 、 电压v o 9 1 21 4 5 41 5 8 81 6 5 51 6 4 41 6 8 91 7 1 11 7 2 61 7 2 9 表格中的电压值只是表明光信号和电压值之问的一个粗略的对应关系，要想得到更 加准确的计算值，必须用后续的a d 采集电路进行采集，然后在系统软件中进行计算。 3 2 温度控制电路设计 在孵育、加酶结合物等操作中，需要在特定的温度下使这类化学反应达到最佳效果， 这样能使测量的结果可靠、准确。由于反应是在比色皿中进行的，就需要对比色皿的温 度进行控制，来获取反应所需要的特定温度。这部分电路设计中有三个小部分：比 色皿温度的采集；设定所需要的温度值；比色皿温度的控制。本系统温度控制的 原理框图如图3 7 所示。 通过微处理器中p i d 算法的调节产生不同占空比的p w m 来控制加热模块温度达到 设定值，并稳定下来。 1 6 图3 7 温度控制原理框幽 f i ! i li j 论义 令 j 动免j 尘分析仪f i j - 台测及温度摔制 3 2 1a d 5 9 0 和温控元件 对比色皿温度的采集，所用到的是温度传感器a d 5 9 0 ，其一l i l t 二- 开。 j 特点是线性电流输 出r t a 。o k 、宽温度范围5 5 。c 1 5 0 。c 和宽输入电压范围+ 4 v + 3 0 v 。其接线原理如图3 7 所示，在接入1 k 电阻的情况下，其输出斜率为l m v o k 。在本系统设计中接入1 0 k 精 密电阻，以提高其输出电压，直接接入a d 输入通道进行数据采集。 p e 图3 8 a d 5 9 0i ：作原理 所需要的温度值主要是通过上位机设定，然后通过p i d 算法调节，产生不同占空比 的p w m ，来对加热模块进行加热，使模块温度稳定在所设定的温度范围内。本电路中 温控元件选择加热块。通电时加热，不通电时冷却。 3 2 2 温控电路 通过3 2 1 节对单个元器件和温度控制原理的介绍，本系统的一路温度控制电路如 图3 8 所示，其余7 路与之相似。 f 图3 8 温度控制电路 在原理图中，t e m p i 为比色皿中的温度通过a d 5 9 0 采集后通过1 0 k 精密电阻所产 生的电压的接口，是直接接入a d 输入通道进行数据采集，p w m o u t 是单片机经过 p i d 算法后产生p w m 的输入口。在这部分功率放大电路制板时，由于有较大的电流， 1 7 3 系统碘件没汁 坝i j 论文 导线需要比其他的粗，p w m 输入接口需要远离三极管，以免大电流影响p w m 输入 3 6 - - 3 7 1 o 数字p i d 算法是比例、积分和微分的缩称，其算法公式是： u ( 刀) = k p e ( n ) + k i p ( f ) + k c ， e ( n ) - e ( n - 1 ) ( 3 8 ) i = 0 注：u ( n ) 表示p i d 算法输出值 口( ，1 ) 表示设定值与采样值之间的误差 k 。表示比例系数 k 表示积分系数 k 。表示微分系数 在测试过程中，p i d 算法中的三个参数k ，、k 和k d 对温度的稳定起到很大的作用， 在本次调温过程中，主要是比例项和积分项起到主要作用，至于微分项一直设置为零， 经过一系列的实验，最终把k ，定为1 0 0 ，k ，定为5 0 ，每经过l s 时问对所采集的温度进 行一次p i d 计算，设置最大的温度误差和最大的积累误差，以便防止数据的溢出。把 p i d 计算所得到的值转化成定时器l 的初始值，来控制p w m 占空比，从而实现对加热 模块的控制。 如图3 9 所示为在试验中测试加热模块的温度所绘制的曲线，起始温度为环境温度 2 7 2 ，每过5 s 读一次数据，设置需要稳定的温度为3 7 o ，通过下图可以看出，温 度在5 m i n 左右就已经丌始稳定，温度变化误差在士o 5 ，经过1 0 m i n 以后温度误差基 本就在所要求的士o 2 内。 悼 ” - “。+ ，- 。； 扩r 一 o j f ”4 厂、”、v 、，。、，、，。一 ， ， i j j j 1 i 。一 一一 。口 图3 9 温度变化曲线 以3 70 c 为例，即设置温度为3 70 c 当温度稳定后，在一天的刚问内随机采集加 热模块的温度5 次，温度值分别为3 7 0 、3 69 、3 7 2 、3 68 、3 68 ，这都在允 许误差范围内。埘温度控制范围3 5 ( 2 4 7 。c 而舀，剑最多的设定温度为3 70 ，时 其他的设定温度值如3 5 0 c 、4 5 ，0 c 、4 7 0 c 而苦，通过大量的实验也都能保b e 柑n 日鞘 度从而可以保证该温度控制电路可使用。 以上的测试都是在以上所设计的硬件电路和已经安装好的温控平台来实现的，由 于实验条件的限制，每次只能对其中的一路进行测试。如图31 0 所示为温度控制平台 宴物。 3 3 核心控制板电路设计 图31 0 温度控制平台实物嘲 在这部分电路中，主要包括a d 采集电路设计、微控制系统的设计、时钟及复位电 路的设计以及一些通讯接口的设计。 3 3 1 微控制器 目前，对于控制系统的设计柬蜕，一般有两种设计思想。第一，采用微控制器作为 系统的控制核心，一般适用于小型控制系统；第二，采用计算机控制，一般应用于太中 型控制系统。 近年来，随着科学技术的发展，微处理器得到了快速的发展，在高新科技产品中得 到了很好的体现。例如，现在比较流行的a r m 处理器，在设计时只需加以适当的外围 扩展，就可以构成强大的微处理器核心，常应用在复杂的电子系统中。a r m 的出现使 得微小系统引入了操作系统的概念，在系统软件设计时，尤其是后期的功能扩展和维护 上具有方便、安全、高效等优点，这是一般单片机所不具有的。当然，丌发以a r m 为 核心的电子系统，其丌发成本，生产成本较高，对于一般的企业而言，受其研发、生产 3 系统耻件砹汁 坝l + 论文 条件的制约，在满足系统需求的自订提下，选择价格低廉、便于生产管理的芯片，也是一 种合理的选择。 对单片机而言，由于近几年的人硅改进，尤其是一些新产古f ，的f u jl 址，为单片机应j 】 注入了生机，使得在实际工程丌发中，应用范围依然相当厂阔。从产品性能、成本、丌 发难易程度出发，并结合实验室丌发设备等因素，在本系统设计中，将采用a v r 单片 机。 a v r 单片机是a t m e l 公司1 9 9 7 年推出的r i s c 单片机，r i s c ( 精简指令系统计算 机) 是相对于c i s c ( 复杂指令系统计算机) 而言的。r i s c 并非只是简单地去减少指令， 而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。r i s c 优先选取使用频率最 高的简单指令，避免复杂指令，并固定指令宽度，减少指令格式和寻址方式的种类，从 而缩短指令周期，提高运行速度。由于a v r 采用了r i s c 的这种结构，使a v r 系列单 片机都具备了1 m i p s m h z 的高速处理能力。 在具体性能方面，a v r 单片机吸收了d s p 双总线的特点，采用h a r v a r d 总线结构， 因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的，并且可对具有相同地址的程序存储器 和数据存储器进行独立的寻址。 在a v r 单片机中，c p u 执行当f j 指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中， 从而可以避免传统m c s 5 1 系列单片机中多指令周期的出现。传统的m c s 5 1 系列单片 机所有的数据处理都是基于一个累加器的，因此累加器与程序存储器、数据存储器之间 的数据转换就成了单片机的瓶颈；在a v r 单片机中，寄存器由3 2 个通用工作寄存器组 成，并且任何一个寄存器都可以充当累加器，从而有效地避免了累加器的瓶颈效应，提 高了系统的性能。 另外，a v r 单片机具有良好的集成性能。a v r 系列的单片机都具备在线编程接口， 其中的m e g a 系列还具备j t a g 仿真和下载功能；都含有片内看门狗电路、片内程序 f l a s h 、同步串行接口s p i ；多数a v r 单片机还内嵌了a d 转换器、e 2 p r o m 、摸拟比较 器、p w m 定时计数器等多种模块；a v r 片机的i o 接口具有很强的驱动能力，灌电流 可直接驱动继电器、l e d 等器件，从而省去驱动电路，节约了系统丌发成本。在系统 开发语言方面，除一般的汇编语言外，还支持b a s i c 、c 等高级语言编程。采用高级语 言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势，对单片机用高级语言编程可很容易 地实现系统移植，并加快软件的开发过程。 a v r 单片机具有多个系列，每个系列又包括多个产品，它们在功能和存储器容量 等方面有很大的不同，但基本结构和原理都类似，而且编程方法也相同。具体引脚图如 图3 1 0 所示。 坝i j 论义 伞e j 幼免疫分析仪f ii _ i 伶测殷温陂挖：l 川 距r 辩x d o p c 辫p o f 了x d “p d d f 1 x e k o a ；r 怕；p ? l o c 3 a 凡， 既0 o e 3 b 榭f 4 f 龟4 f o e 3 0 珏盯s p 5 r r 3 吁 玎6 p 6 l c 誊# n t 7 ；p 7 ：；s ：p 餐o ，s c k p 8 l r 酗。霉勃p 嚣? m r s o p 囔i 3 f o c o f 强b o c l a p g s o c b p 豫 p 3 矗，3 ， f 4 ；a 0 喀j f + 5i a c 5 ， i - a 6i a 0 岈) p a i 、a o ， f 、g 2 f 矗t e i i - x 2 7f a ，1 f 、0 6i a 毒 1 ) e 5l a t a ) 、0 4 a ，2 l p e o l k 2 f o l p c , jl 毋l p 0 0 f 8 l p g i l r o l p g 。f w 日 图3 1 0a t m e g a l 2 8 引脚图 在本系统设计中，采用a t m e g a 系列a t m e g a l 2 8 1 6 a u 单片机芯片。在实际应用中， 涉及的主要内部资源如下【3 8 】： ( 1 ) 非易失性的程序和数据存储器 一1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ，寿命：1 0 ，0 0 0 次写擦除周期，具有独立锁定位、 可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程，真正的读修改写 操作。 一4 k 字节的e 2 p r o m ，寿命：1 0 0 ，0 0 0 次写擦除周期，在具体应用时，可以利用 其特性，作为全局变量存储空间使用。 一4 k 字节的内部s r a m ，多达6 4 k 字节的优化的外部存储器空问。 一通过j t a g 接口实现对f l a s h ，e 2 p r o m ，熔丝位和锁定位的编程。 ( 2 ) 外设特点 一2 个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器。 一2 个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器。 一可工作于主机从机模式的s p i 串行接口。 一面向字节的两线接口( t w i ) 。 一2 个串行u s a r t 。 一5 3 个可编程i o 口 ( 3 ) 中断及其他 一3 5 个系统中断，8 个外部中断。 一具有i a p 自编程功能。操作系统1 1c o s i i 可以经过裁剪后移植运行在 2 l 3 系统蚀件改汁i 负i j 沦文 a t m e g a l 2 8 中。 3 3 2a d 采集电路 在本系统设计中，由于每次有四路和八路信号需要采集，刚时对光信号采集的精度 要求比较高，故a d 芯片的选择也成为本系统设计的重要组成部分。 在选择a d c 时，需要根据待测信号的极性、幅值和频率等指标来确定a d c 的一 些参数，例如：转换速度、输入的极性和范围、通道数等。根据自订面所得信号的分析， 本系统所需采集的电压信号都在0 v - - 一+ 5 0 v 之间，信号的频率都在1 0 k h z 以下。纵观 目前市面上的a d 芯片，多通道a d 芯片一般采用两种模式：一种是多通道并行处理， 多应用在高速数据采集系统中，其成本较高：另一种是内部采用模拟丌关的形式，通过 相关寄存器的设置，来完成多通道的数据采集，一般应用在对采样速率没有特殊要求的 场合。考虑到上述的一些实际情况和接口简单，减少后续程序设计的时问，本系统所采 用的模数转换器是凌特公司的l t c l 8 6 7 ，其引脚及内部结构如图3 1 1 所示。 c h 0 c h l c h 2 c h 3 c h 4 c h 5 c h 6 c h 7 ，c 0 m 嚣瞠纠鬯 一隔巍忑 9 图3 1 1l t c l 8 6 7 引脚图 从上图和芯片资料上的介绍，l t c l 8 6 7 具有8 个模拟通道，另外，其外围接口非 常简单，具有s p i 串行通信接口，可与主控芯片的s p i 接口互联，构成主从的通讯模式， 降低硬件开发成本。同时，由于开发软件包含s p i 驱动模