基于虚拟仪器全自动生化分析仪的研究.doc

I 基于虚拟仪器全自动生化分析仪的研究基于虚拟仪器全自动生化分析仪的研究 The research of full automatic biochemistry analyzer basedon Labview I 摘摘 要要 全自动生化分析仪是典型的光、机、电、算结合的精密仪器，涉 及的学科门类多、技术复杂，其中的分光光度计是该仪器的核心部分 之一，它的优劣直接影响仪器的精度指标。 本论文首先阐述了生化分析仪国内外的发展状况，介绍了生化分 析仪的工作原理；依据全自动生化分析仪的控制任务情况，以一台系 统机为上位机、以 8051 单片机构成下位机系统，完成了控制系统的 硬件电路设计;依据全自动生化分析仪的功能要求，完成了软件设计， 上位机主控软件采用具有强大功能的图形化编程语言 Labview、下位 机采用汇编语言完成;最后将数据在上位机显示，结果表明本控制系 统可以满足全自动生化分析仪的控制要求。 关键词：生化分析仪关键词：生化分析仪 光度计光度计 虚拟仪器虚拟仪器 控制系统控制系统 单片机。单片机。 II Abstract Full automatic biochemistry analyzer is a kind of typical Fine Instruments which is composed of Optic, Mechanic, and Electric. It contains lots of academics and the skills are complex. The spectrophotometer is a crucial component. Its performance will affect the performance of entire system. Firstly, the national and international development of automatic analyzer is introduced in this paper. The principle of the automatic analyzer is introduced. According to the multitask need of mechanical movement, a multi-CPU control system consisted of one PC computer and 8051 single- chips is designed. According to the need of operation, a software system with good interface and strong function is completed .The PC program is based on LABVIEW language and the program in 8051 is based on assemble language. The reliability of this control system is also discussed in this article. At last the result is displayed on the PC program. The results indicate that the control system fit the bill of the analyzer. Key words: automatic analyzer, photometer, Labview, control system, single-chips I 目目 录录 第一章第一章 引引 言言.1 1. 1 生化分析仪 .1 1. 2 分光光度计 .2 1. 3 生化分析仪的国内外发展状况 .4 1.3. 1 国外发展状况.4 1.3. 2 国内发展状况及市场需求.5 1. 4 本论文研究的内容、意义.6 第二章第二章 全自动生化分析仪介绍全自动生化分析仪介绍.8 2. 1 生化分析过程简介 .8 2. 2 全自动生化分析仪的整体结构 .9 2. 3 全自动生化分析仪的工作过程.11 第三章第三章 全自动生化分析仪电子学硬件设计全自动生化分析仪电子学硬件设计.13 3. 1 本论文的原理框图 .13 3. 2 系统元件的介绍 .14 3. 2. 1 光耦.14 3. 2. 2 CPLD.15 3. 2. 3 电机.16 第四章第四章 虚拟仪器（虚拟仪器（LABVIEW）简介）简介.18 4. 1 基干 PC 的测控技术的发展及虚拟仪器 .18 4. 2 虚拟仪器的概念 .19 4. 2. 1 虚拟仪器的构成及其分类.19 4. 2. 2 虚拟仪器的软件.20 4. 3 图形化开发平台 LABVIEW 及 G 语言.21 4. 3. 1 LabVIEW 的起源及发展.21 4. 3. 2 G 语言与虚拟仪器.22 4. 3. 3 LabVIEW 应用解决方案.24 第五章第五章 基于虚拟仪器的全自动生化分析仪调试基于虚拟仪器的全自动生化分析仪调试.25 结结 论论.27 参考文献参考文献.28 致致 谢谢.29 1 第一章 引 言 1. 1 生化分析仪 生化分析仪是医疗机构进行临床诊断所必需的仪器之一，主要用 于测定人体体液中的各种生化指标，如临床检验血常规、心肌酶谱、 血糖血脂、肝功、肾功、免疫球蛋白等常规生化指标。自动生化分析 仪，就是把生化分析中的取样、加试剂、去干扰、混合、保温反应、 检测、清洗以及结果计算、显示和打印等步骤自动化的仪器。它完 1 全模仿并代替了手工操作，不仅提高了工作效率，而且减少了主观误 差，稳定了检验质量。由于这类仪器一般都具有灵敏、准确、快速、 节省和标准化等优点，使得自动生化分析仪在临床生化分析中得到了 广泛应用。 生化分析仪是属于光学式分析仪器，它是基于物质对光的选择性 吸收原理，即分光光度分析法，其测量原理如图 1.1 所示： 图 1.1 分光光度法测量原理 分光光度分析是绝大多数生化分析仪所采用的一类检测方法，它是基 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 ()的函数关系。分光光度分析的依据是 朗伯比尔定律，它以被测物质分子吸收某一波长的单色光为基础， 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，样品的吸光度与样品溶液浓度和光通 过的距离 (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。当光通过溶液时，被吸收的强度 单色器 比 色 池 光 电 转 换 器 光源 2 与溶质浓度和光通过的距离有一定的关系，布格(Bouguer)和朗伯 (Lambert)先后在 1729 年和 1760 年阐明了光辐射强度和吸收层厚度的 关系，1852 年比尔(Beer)又提出光辐射强度和吸收物浓度也具有类似 的关系;布格朗伯比尔定律的数学表示式为： A= (1.1)bc TI I 1 lglg 1 0 其中： A光同通过戒指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 0 / II 入射光强度 0 I 透射光强度 1 I 介质摩尔吸光系数（ml molcm） 1 1 c吸收物的摩尔浓度（mol/mol） b吸收层厚度(cm) 上式表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中 吸收物浓度和光通过的距离成正比。 2 1. 2 分光光度计 光学分析方法由于其灵敏度高、选择性好、用途广等优点，在分 析化学领域广泛应用。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。 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 1.2 所示。 图 1.2 分光光度计结构原理图 光源发出的辐射经前置光学系统照射到样品同时聚焦到单色器的 样品室单色器探测器 信号放大 与测量 前 置 光学系统 光源 3 入射狭缝，再经单色器分光后由光电探测器探测，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。 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，紫外可见分光光度计和紫外可见近红外分光 光度计，其工作波段分别为 0.1nm200nm、350nm700nm、185nm900nm 和 185nm2500nm。 3 真空紫外 (远紫外) 分光光度计在仪器制造上还有一些问题，目前还没 有成熟的商品仪器，因此，真空紫外分光光度计还没有成为分析化学 的重要工具。生化分析仪所需的波长范围是从 340nm 到 800nm，属于 紫外可见分光光度计。现以紫外可见分光光度计为例介绍分光光 度计的组成。 典型的紫外可见分光光度计是由光源、单色器、样品室、检测 器、信号处理系统组成，其结构特征是六个部分按直线排列方式组合。 按光路结构的不同可分为前分光和后分光类型，图 1.3 采用的是前分 光，既分光后再入射到吸收池。图 1.4 采用的是后分光，即从光源发 射的复合光先通过吸收池后再经单色器分光。对于前分光式的分光光 度计，由于通过吸收池的是单色光，所以没有其它波长单色光的干扰。 但是它不能同时完成多波长测试，而且测试速度慢。对于后分光式的 分光光度计，由于光先通过吸收池再由单色器分光，所以可采用面阵 CCD、光电二极管阵列等光电探测器同时对几个波长进行测试，速度 快。生化分析过程中，测试一个波长而其它波长的影响可忽略不计时 采用后分光式可实现快速测试。 图 1.3 （前分光） 图 1.4 (后分光) 4 光源吸收池单色器检测器信号处理系 统 光源单色器吸收池检测器信号处理系 统 4 从 1941 年世界上第一台分光光度计问世到现在，几十年来，随着 光学电子学技术的发展，上述几个组件在不断更新和发展，使仪器的 测量精度、功能和自动化程度不断提高，但其结构排列方式仍基本不 变。 1. 3 生化分析仪的国内外发展状况 1.3.1 国外发展状况 国外临床生化分析仪发展从 50 年代开始，至今己经有了长足的进 步，各公司推出了种类繁多、性能优良的生化分析仪。美国在 60 年代 生产了流动式 SMA 系统自动生化分析仪，由于连续流动式的造价高， 结构复杂，样品产生交叉污染的可能大等原因，70 年代发展了离心式 及分立式的分析仪，并且分立式的自动生化分析仪目前已成为主流。 世界上首台实用的自动生化分析仪是美国 Technicon 公司在 1957 年推出的 Auto Analyzer，此后世界上许多家公司都纷纷推出自己的产 品，如美国贝克曼、日本日立、岛津、德国拜尔等都相继研制成功全 自动生化分析仪，并且己发展了几代，在分析精度、检验速度方面不 断提高。纵观世界全自动生化分析仪的发展现状，有以下两种具有代 表性的产品：美国 Beckman CX9 和日本 HITACHI7600 全自动生化分 析仪。 美国 Beckman CX9 全自动生化分析仪是美国贝克曼公司的最新产 品，如图 1.5 所示。 5 图 1.5 美国 Beckman CX9 型全自动生化分析仪 CX9 的检测速度每小时可达 900 次，最多时可同时测 33 项，提供从 340nm 到 700nm 范围内 10 个波长。它的最大特征就是能直接连接样 品分选和输送系统，便于实现实验室全程自动化以及其完善的融培训、 保养和故障自检为一体的多媒体软件 (RxPert)。可以说 CX9 是生化分 析仪是和现今高科技结合最完美的一类，是极佳的测定系统。 日立 HITACHI7600 全自动生化分析仪，也是一套小型的实验室自 动化系统，它采用先进的控制技术、模块化结构开发的大型组合式分 析仪，如图 1.6 所示。 图 1.6 日立 HITACHI7600 型全自动生化分析仪 它具有高度的灵活性和扩展性，用户根据需要自由组合，同时配上样 品投入部，样品架输入部，复查等待样品架缓冲部和分析完样品收纳 部，由中央计算机与各单元 CPU 构成 windows NT Ethernet 网控制， 6 能随时随意增减单元部。整个工作流程由中央计算机智能多线程控制， 合理分配，实现高速、高效的测定。通过定时器设定，可进行无人状 态一体化程序控制检测、自动清洗、保养和关机。智能检查各模块， 在正常测试的同时，对异常模块进行维护，其分担任务自动转移测定。 它实现了实验室全程自动化。 1.3. 2 国内发展状况及市场需求 目前国内自研生产的生化分析仪均是半自动型，例如中科院长春 光机所的 CA958 型半自动生化分析仪，它由 PC 机控制或单机使用， 在具有临床生化检验测量功能的同时，还可作吸光度时间扫描测量和 连续光谱扫描测量。再如杭州美迪公司生产的 YK100 型半自动生化分 析仪，仪器配有大屏幕计算机，中文界面，采用先进的操作卡 (IC 卡) 技术，操作卡可存贮检验项目参数，病人结果及图表曲线，每一操作 卡能存贮 70 种生化测试，操作简单，等等。国内还没有自主生产的全 自动生化分析仪，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，系统结构复杂、控制时序要求严格、 运行可靠性和精度要求高等，至今国内还没有研制成功的案例，因此 医疗机构的需求 100%依靠进口。 近来随着医学的发展，我国医疗机构对自动生化分析仪的要求越 来越迫切。随着国内医院要求诊断指标的增多，测试工作量不断增大， 半自动生化分析仪已远远不能满足需求，对全自动生化分析仪的要求 日益增大，而国内生化分析仪生产的型号种类很少，又均为一般性的 仪器，专门化和大而全的通用仪器几乎没有，仪器自动化程度和微机 化水平低，因此全自动生化分析仪的研制和开发将有着重大的经济效 益和社会效益。 1. 4本论文研究的内容、意义 自从 Technicon 于 1957 年首次推出第一台生化分析仪以来至今短 短 40 余年，生化分析仪已得到迅速发展，市场上已有成百种机型。随 着近几年计算机技术的快速发展和应用，使得生化分析仪在自动化程 7 度、检侧速度、检测精度和保养维护等方面获得极大的进步。生化分 析仪是医疗机构必备的常规检验设备，特别是全自动生化分析仪，现 在我国的各大医院使用的全自动生化分析仪几乎全部是依靠进口设备。 现有的国产生化分析仪电学系统落后，很难满足国内市场需求。本项 目在国产生化仪器基础上采用现代电子技术及先进软件平台，研制新 型全自动生化分析仪。使其性能指标赶超世界先进水平并进一步推进 医疗仪器网络化。 如上所述，对于全自动生化分析仪来说，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 其能否实现自动化的关键，具有很重要的意义。 本论文的主要内容如下： 1网络化生化分析仪中单片机的应用。由于采用了单片机系统， 使仪器功能得到大幅度的提高。 2多元并行控制逻辑设计，利用现代 CPLD 作为多元并行控制逻 辑设计保证了全自动生化分析仪多运动部件并行操作的难题，在电路 结构上实现了优化设计。 3虚拟仪器软件平台在生化分析仪中的应用，为了进一步提高高 端生化分析系统软件的可扩展性，新型全自动网络化生化分析仪充分 运用现代虚拟仪器概念，位于网络终端的中心上位机系统软件采用图 形化编程环境，实时采集测量数据。 8 第二章 全自动生化分析仪介绍 全自动生化分析仪，从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完 成。操作者只需把样品放在分析仪的特定位置上，选用程序开动仪器 即可等取检验报告。由于分析中没有手工操作步骤，故主观误差很少， 且该类仪器一般都具有自动报告异常情况，自动校正自身工作状态的 功能，因此系统误差也较小，给使用者带来很大的便利。 全自动生化分析仪在工作时，医务人员只需通过简单的参数输入 工作，通过计算机发送控制指令，整个检验分析过程全部用机械装置 来取代人工操作，机械装置由电子学控制系统操纵运动，并最后独立 地得出数据结果返回给医生。不论是何种类型的生化分析仪，它进行 生化分析的过程都是一样的。 2. 1 生化分析过程简介 生化分析过程一般包括样品的识别、处理和存储，样本和试剂的 存储、传送，化学反应和反应的检测，信号处理、数据报告和结果分 9 析等步骤。样品 (specimen) 是从测试对象采取的血液、尿液等，在放 入分析仪开始分析前需要对其加以标记、处理，样品经过处理后进入 生化分析仪后称为样本 (ample) 。 样品的识别、处理和存储。样品的识别开始在采样品处，将所取 得样品用标记将其和受试者联系起来，这部分工作主要由护士完成。 目前绝大多数生化分析液不以全血，而是以血清 (浆) 为测定对象，血 清由检验人员从全血中分离出来转放到另一个仪器再放入分析仪。在 存储时为防止样品由于体积减少而浓缩，一些分析仪在样品放置部分 加盖并可控制在低温环境中。 5 样本和试剂的存储、传送。样本和试剂的采取、运送可分为流式 和分立式。流式是将样品引入一个连续流动的液体管道中，流式仪器 中广泛使用分配泵，根据管道口径粗细不同决定了标本和试剂的相对 比例，其加注样本的绝对量的控制不如分立式那样可靠。而分立式中 样本进入独立的反应杯中，加入试剂后混匀进行化学反应。分立式多 采用注射器装置进行标本和试剂的吸取并加入反应杯中。一般分析仪 中使用液体试剂，存储在适合不同分析仪要求的各种塑料试剂瓶中， 放在 515冷室中保存，需要在不开主机或待命状态下可维持此温度。 化学反应和反应的检测。反应容器使用比色杯，即是化学反应发 生处又是光度测量处。在反应容器中加入反应液 (标本和试剂)，并对 其进行充分混匀，在不同时间分别测定其吸光度，反应容器存放在恒 温水浴中，保证整个反应在一定的恒温 (30或 37) 下进行。 信号处理、数据报告和结果分析。计算机作为生化分析仪的控制 核心，对整个分析仪工作进行调控。计算机能够对系统的工作状态进 行实时监控，及时发现错误并自动纠正或通知操作人员。在进行检验 时，计算机可以自动安排测定步骤和程序。接收并存储测量结果数据， 经过分析，得出检验结果。 2. 2 全自动生化分析仪的整体结构 根据上面介绍的生化分析过程，全自动生化分析仪的结构应具有 10 以下组成部分：机械操作系统、微量注射器系统、恒温水浴控制系统、 制冷系统、供水排水系统、测光系统以及数据采集系统、电子学控制 驱动系统、计算机系统、供电系统等，其中机械操作系统包括样品盘、 试剂盘和反应盘及其各自的取样机构、搅拌机构、微量注射器等。其 整体结构如图 2.1 所示。其中，四个转盘机构用于承载并运送样本和 试剂，分别是反应盘、样品盘、试剂一盘和试剂二盘，反应盘用于安 放反应杯，反应杯固定在反应盘上并随盘子转动，并使反应杯保持在 37恒温水浴中，反应杯的作用是承载并运送反应液，同时也是进行 化学分析反应和检测的场所；样品盘用来放置样本和标准液及质控液; 两个试剂盘则是分别用来放置试剂 1 和试剂 2 的，试剂盘外加冷水套 对试剂空间制冷，使试剂存放在 515冷藏室内，温度传感器探测冷 藏室的温度并反馈给控制系统。这四个转盘都是由步进电机经齿轮带 动，由码盘和位置传感器在单片机控制下确定其孔的停靠位置。 图 2.1 全自动生化分析仪整体结构图 取样机构包括一个取样品机构和两个取试剂机构。取样品机构用 于从样品杯中汲取待测样品，并运送、注入到反应杯，取试剂机构用 11 于从各自的试剂盒中汲取试剂并运送、注射到反应杯中。样品和试剂 的汲取和加注是由注射器实现的，液体微量注射器的结构原理如图 2.2 所示： 图 2.2 结构原理图 它的工作原理是通过微小地改变容器内的体积来得到定量液体的变化 量，它由液体容器瓶和可在容器瓶内左右运动的活塞组成，当活塞相 对容器左右移动时，容器内 V 的容积相应地发生变化，这时，其中的 液体量也就发生改变：向左移动时 V 容积增加、容器 V 内的液体量增 加， ，活塞向右移动时 V 容积减小、器 V 内的液体量减少，从而实现 对微量液体的抽取和加注。 清洗机构用来清洗反应杯，当反应杯使用前和使用后都需要清洗 机构对其清洗，清洗机构由清洗针和液体管路系统等组成，清洗针由 步进电机带动凸轮上下移动导轨，由位置传感器定位。搅拌机构用 6 于将反应杯中的液体搅拌均匀，当每次将试剂注入到已加入样本的反 应杯后，搅拌机构将搅拌棒移动到反应杯位置并转动搅拌棒使反应混 合溶液充分混匀，由步进电机经齿轮带动齿条控制搅拌机构运动。 试剂制冷系统由水冷套、冷藏箱和致冷水循环系统组成。通过冷 藏箱内的温度传感器探测温度，当温度高于 10时，磁力泵注入冷水 箱内冷却水直到温度达到 5150。恒温控制水循环系统的功能是使 反应杯中的反应液保持在恒温下 (37) ，使用温度传感器探测水箱温 度，当温度低于恒定温度时，计算机控制加热器接通或断开;冷却管路 用于防止恒温水槽温度上升。 全自动生化分析仪的光度测量采用后分光技术，即复合光通过待 测样品后，再经单色器分光测试。全自动生化分析仪的光度计由光源、 聚光镜、入缝、凹面光栅和光二极管阵列组成。光源经准直镜产生平 12 行光，经恒温水和反应杯，再由另一聚光镜将光聚焦在入逢上，进入 单色器，经凹面光栅分光聚焦在阵列探测器上，当反应盘转动时就可 以测各个反应杯的吸收值。全自动生化分析仪由于检验项目多、速度 快，需要同时完成多个波长值的测量，因此，采用全息凹面平象场光 栅作为分光元件，硅光电二极管阵列作为光电探测器的分光光度计。 2. 3全自动生化分析仪的工作过程 全自动生化分析仪的整个检验过程全部由微处理器自动控制运行。 开机后首先系统进行初始化动作，医务人员人工将装有样本的样品杯 安放在样品盘上，在试剂盘上装好试剂盒，向微机输入检验参数后， 就可以开始检验，微处理器根据每次检验时医务人员输入的各种参数 控制仪器运转，自动完成反应杯的清洗、样品的加注、两种试剂的加 注、反应杯中混合溶液的搅拌均匀以及光度的测量等工作。 整个系统的工作过程由图 2.3 所示的测量时序图给出。 图 2.3 测量时序图 反应盘每转一圈测量一次光度值。反应盘转动将要测量的反应杯转到 清洗位置，清洗机构对反应杯进行清洗，待清洗过程结束后，反应盘 转动将反应杯转到加样位置处，同时，样品盘转动将待测样本杯转到 取样位置处，取样臂转到样品盘取样位置，取样针落入待测样本溶液 中并汲取样本后转动到反应盘放样位置向清洗完的反应杯中注入样本； 13 反应杯转动到加试剂一位置，同时取试剂一机构试剂一加入到反应杯 中，反应杯转到搅拌位置，搅拌机构将反应杯中混合溶液搅拌均匀， 然后反应盘转动，加入试剂二，反应盘继续转动直到测量结束。 第三章 全自动生化分析仪电子学硬件设计 从以上对全自动生化分析仪的结构和功能介绍可以看出，全自动 生化分析仪是一个集光、机、电于一体的大型生化检验设备，它的结 构复杂，执行部件多，在同一时刻要有多个机构同时完成动作，并且 有较严格的时序要求。因此，全自动生化分析仪的控制系统是非常复 杂的，下面首先介绍电子学控制系统的总体方案设计。 31 本论文的原理框图 图 3-1 此原理框图表示通过单片机和 CPLD 共同来控制和驱动电机； 而单片机还通过 MAX232 串口与上位机通信，进而与 Labview 相连接， 实现其功能。此系统中单片机作为下位机对系统中的各部件进行控制， 并通过串口与上位机进行通信。 7 14 图 3.1 基于虚拟仪器的原理框图 3. 2 系统元件的介绍 3. 2. 1 光耦 光电耦合器在这主要起并行操作功能，并且有隔离作用，下面简 单介绍一下 一一 结构与特点结构与特点 单 片 机 CPLD光耦功放电机 MAX 232 PC 机 Labview 12 个12 个 15 图 3.2 光电耦合器的结构 光电耦合器是将 LED 和光敏三极管紧密的组装在一起，密封在一 个对外隔光的封装之内，这样 LED 的光线能够落到光敏三极管的表面 上，可避免其他杂散光的干扰。 光电耦合器的一个重要特性是其输入端相连接的电路可以和其输 出端的电路完全隔开，并且在这两个电路之间，可以安全的存在成百 上千伏的电位差而不会对光电耦合器的工作产生不利影响。这种隔离 特性是这类光电耦合器的工作产生不利影响。这种隔离特性是这类光 电耦合器的主要诱人之处。所以，通常把这类光电器件叫做光电隔离 器。它可以应用于低压到高压信号的耦合，计算机输出信号与外部电 子电路或电动机等的接口，以“地”为基准的低压电路和用于主干线 交流电源等直接供电的浮置高压电路之间的接口，还可以替代低功率 的继电器和脉冲变压器。 光电耦合器的另一个重要特性是用 IF 控制 I，这同三极管中用 IB 控制 IC 一样，但信号的传递是单向的，输出端即使有很强的干扰 和噪声，也不会影响反馈到输入端。 二二 光电耦合器的应用光电耦合器的应用 1、用于电平转换 2、用于逻辑门电路 16 3、起隔离作用，有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号 分开，可采用光电耦合器。图 3.3 用逻辑电路的信号来触发可控硅 SCR，可控硅的负载为电感性的开关电路，采用光电耦合器后，负载所 产生的尖峰噪声不会反馈到逻辑电路。 图 3.3 光电隔离作用 3. 2. 2 CPLD CPLD 是 Complex PLD 的简称，顾名思义，其是一种较 PLD 更为 复杂的逻辑组件。CPLD 是一种整合性较高的逻辑组件。由于具有高 整合性的特点，故其有性能提升，可靠度增加，PCB 面积减少及成本 下降等优点。CPLD 组件，基本上是由许多个逻辑方块(Logic Blocks) 所组合而成的。而各个逻辑方块均相似于一个简单的 PLD 组件(如 22V10)。逻辑方块间的相互关系则由可编程的连线架框，将整个逻辑 电路合成而成。CPLD 的架框方块图，如上图所示。常见的 CPLD 组 件有 Altera 公司的 Max 5000 及 Max 7000 系列。 8 Logic Block Logic Block 输 出 或 输 入 可 编 程 连 线 架 构 Logic Block Logic Block Logic Block Logic Block 输 出 或 输 17 图 3.4 CPLD 的框架框图 在本设计中使用 CPLD 作为单片机的外围接口部件取代了 8155 及 8255，由于 CPLD 的软件可编程性，可定制使系统设计起来灵活， 修改又方便，其并发执行的特点使数据处理的速度快，不浪费 CPU 更 多的时间。 3. 2. 3 电机 电机是一种机电能量转换的电磁装置，可以将电能转换为机械能， 也可以将机械能转换为电能。在本生化分析仪中采用两相四拍制步进 电机，用来控制滤光片的转换及控吸液量的多少，是一个重要的部件。 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制,并将电脉冲信号转换成相 应的角位移或线位移的控制驱动装置。由于步进电机是受脉冲信号控 制的，因此适合于作为数字控制系统的伺服元件。步进电机的线圈中 每输入一个脉冲,转子就旋转一个步距角,它的速度和控制脉冲严格同 步,通过改变脉冲频率的高低就可以在很大范围内调节电机的转速。由 于步进电机具有精度高、控制灵活、定位准确、工作可靠,能直接接受 交换数字信号等特点,因此广泛地应用在计量测试仪器中。它具有以下 基本特点 9 18 1.步进电机受脉冲信号控制，每输入一个脉冲就变换一次绕组的 通电状态，电动机就相应转动一步。因此，角位移与输入脉冲个数成 严格的比例关系。 2.一旦停止送入控制脉冲中，只要维持控制绕组电流不变，电动 机可以保持在其固定的位置上，不需要机械制动装置。 3.输出转角精度高，虽然有相邻齿距误差，但无累积误差。 4.改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之而改 变。 5.步进电机定子绕组的通电顺序转子的旋转方向状态的改变越来 越快，其转子旋转的速度就越快，即通电状态的变化越快，转子转速 越快。 对步进电机，若有表示步距角，则： （3.1） mzk 0 360 式中 m步进电机相数 z转子齿数 k由步进电机控制方式确定的拍数和相数的比例系数，如三 相三拍制时 k=1，三相六拍制时 k=2 第四章虚拟仪器（LabVIEW）简介 全自动生化分析仪软件的功能是完成控制仪器的各个部件运转， 保证仪器测量的工作状态，对光度计测量返回的各种数据进行计算、 校准和分析，最后得出检验结果，打印出检验报告等。由于硬件设计 采用了分布式多 CPU 控制并由一台 PC 机协调各 CPU 时序的方案，因 此软件系统也由两部分组成:下位机汇编软件和上位机的主控软件。下 19 位机汇编软件直接通过电子学系统对生化仪的各执行机构进行控制;上 位机主控软件一方面保证用户能与上位机进行人机对话，另一方面对 各下位机发送命令控制各单片机协调工作。 4. 1 基干PC的测控技术的发展及虚拟仪器 随着微电子技术和计算机技术的发展，基于PC的测试测量与控制 技术取得了长足的进步，其主要体现在以下两个方面：一方面为数据 采集和控制部件的进步，另一方面是测控系统技术的进步。 从部件技术上，老式的测控系统中各主要部件如信号调理器、模 拟开关、A/D及 D/A转换器等多由分立元件或小规模集成电路组成。 由于其集成度较低，致使系统体积庞大，稳定性及可靠性也较差。90 年代以后微电子技术迅猛发展，各种集成电路的集成度越来越高，性 能越来越好，使得数据采集系统中的某一部分功能得以在一片集成电 路中完成，其可靠性及其它技术性能也大大提高。以 A/D 转换芯片 为例，目前的 A/D芯片分辨率最高可以达到 20-24bits；在转换速度上， 8位和12位的ADC转换速度可达每秒上百兆次，16位的目前也可达到每 秒 1 兆次的速度水平。转换速度的提高极大的拓展了测控技术的应用 范围，如可以对更高频的数字信号进行计算机处理。此外，由于电路 的集成度越来越高，出现了将多个测控单元部件集成于一个芯片的大 规模集成电路产品.如将信号调理模块、模拟开关、采样保持器及A/D 模块集成在一块板卡上的数据采集卡。这种产品的测量输出己经是数 字信号，而模块化的单元即为智能化数字传感器。 测控系统技术的进步，根本来源于计算机技术的进步。作为测控 系统基本功能单元的各种测试仪器，其发展经历了模拟仪器、分立元 件式仪器、数字化仪器直到智能仪器。由于电子技术、计算机技术和 网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用，新的 测试理论、测量方法及仪器结构不断出现，电子测量仪器的功能和作 用已发生质的变化，其中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测 试系统更紧密地结合成一个整体，导致仪器的结构、概念和设计观点 等也发生突破性的变化。在上述背景下，出现了新的仪器概念虚拟 20 仪器。而虚拟仪器的发展，已经超越了狭义上的单纯的功能部件 “仪器” ，其正作为整体的系统解决方案逐渐成为行业的主流。 4. 2 虚拟仪器的概念 虚拟仪器的概念最早由美国N工公司于1985年提出，其英文原称 为Virtual Instrument，简称vi。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心 的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功 能由测试软件实现的一种计算机测试系统.虚拟仪器的实质是利用计算 机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输 出检测结果:利用计算机强大的软件功能来实现信号数据的运算、分析 和处理：利用 I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而建立 集各种测试功能为一体的计算机仪器系统。使用者通过鼠标和键盘操 作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样. 4. 2. 1 虚拟仪器的构成及其分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台 (简称硬件平台) 和应用软件两大部 分构成。 10 1.虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由两部分组成: (1)计算机 一般为一台PC机或者工作站，其为硬件平台的核心。 (2) I/O 接口设备 I/O 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。不 同的总线有其相应的 I/O 接口硬件设备，如利用PC机总线的数据采集 板卡、GPIB 总线、VXI 总线仪器模块、PXI总线仪器模块、串行总线 仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有5种类型: PC-DAQ 系统 PC-DAQ 系统是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬 件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用计算机的 PCI 或 21 ISA 总线，数据采集卡直接插入计算机底板上的相应总线插槽。 GPIB 系统 GPIB 系统是以 GPIB 标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的 虚拟仪器测试系统。 VXI 系统 VXI系统是以 VXI 标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成的 虚拟仪器测试系统。 PXI系统 PXI 系统是以 PXI 标准总线仪器模块与计算机为仪器平台组成 的虚拟仪器测试系统。 串口系统 串口系统是以 Serial 标准总线仪器与计算机为仪器平台组成的虚 拟仪器测试系统。 4. 2. 2.虚拟仪器的软件 目前虚拟仪器软件开发工具有如下两类: 文本式开发平台: 如 Visual C+、Visual Basic、LabWindows/CVI 等。 图形化开发平台: 如 LabVIEW、 HP VEE 等。 虚拟仪器软件由两部分组成，即应用程序和 I/O 接口仪器驱动程 序。应用程序又包含实现虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的 流程图软件程序。I/O 接口仪器驱动程序完成对特定外部硬件设备的 扩展、驱动与通信。 4. 3 图形化开发平台LabVIEW及G语言 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 ( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的缩写，是美国国家仪器公司 (NATIONAL INSTRUMENTS,简称 NI)推出的基于 G 语言 ( Graphics Language,图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发平台，也是目前应用 最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。全球发布仅 22 次于C/C+开发平台。 4. 3. 1 LabVIEW 的起源及发展 数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业 自动化领域广泛存在的实际任务。在20世纪80年代初个人计算机出现 之前，几乎所有拥有程控仪器的实验室都采用贵重的仪器控制器来控 制测试系统。这些功能单一，价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通 讯口来控制 IEEE-488 总线仪器 (也称为GPIB程控仪器)。后来，随着 PC机的出现，通过性价比较高的通用 PC 机控制台式仪器逐渐成为行 业主流，各种基于 PC 机的接口板卡产品也逐渐占据市场，NI 公司 也应运而生。到1983年，其已成为世界范围内 PC 机 GPIB 接口卡最 主要的供应商。 到1983年，GPIB 总线已经成为连结仪器和计算机的通用标准接 口。除了个别制造商对 IEEE-488 标准的个别解释不同外，用户在物 理层面上配置仪器和仪器系统已基本没有问题.但另一方面，仪器控制 软件的发展，却相对滞后。当时几乎所有的仪器控制程序都是由 BASIC 语言编写，虽然与可读性差、编程专业性要求更高的机器语言 和汇编语言相比，BASIC 语言已经具有许多优势 (如简单、可读性强 的命令集和交互能力)，但与其它所有基于文本的高级语言一样，其存 在的根本问题是要求使用仪器的科学家、工程师和技术人员具备专业 程序员水平。这些用户必须将他们关于仪器和应用的知识转换成一行 行的程序代码，以形成测试程序。该环节在工程实际中耗费技术人 11 员大量精力，成为仪器应用发展中的瓶颈。 NI公司有一支用 BASIC 语言开发仪器程控软件的程序员专业队 伍，其十分敏锐地铺捉到程控仪器编程为科学家和工程师带来的负担， 并意识到需要开发一个用于 程控仪器编程的软件工具。1984 年，NI 公司投资启动该软件工程项目.1986 年 5月，推出 LabVIEW Beta版， 又经过几个月的反馈修改，于 1986 年 10 月正式发布了LabVIEW 1.0 版。 有效的内存管理是使图形化编程语言优于普通解释语言的关键。 23 由于数据流解释需要大量分配内存，因此，内存重用对数据流图编程 效率至关重要，寻找内存重用的有效算法成为提高 LabVIEW 性能的 关键。LabVIEW 1. 1 版解决了算法问题,随后的LabVIEW 1. 2版又大幅 地提高了产品的可靠性和鲁棒性。但由于内在体系局限，其性能与 C 语言程序相比，仍然有较大差距。为了解决这个问题，1988年推出的 LabVIEW2.0 采用了最新的面向对象编程 (OOP) 技术,程序的执行速 度和灵活性达到了一个新的高度。 LabVIEW 2.0 以前的版本都是运行在 Macintosh 平台上，当 Window 3.0 操作系统出现，32位的 Windows应用程序设计成为可能 后 LabVIEW 实现了从 Macintosh 平台到 Windows 平台的移植。 1992 年 8 月，跨平台的 LabVIEW 2. 5 问世。1993年 1 月，增加了 大量新特性的 LabVIEW 3. 0 正式发行，这些新特性包括全局与局部 变量、属性节点和执行动画等。从 LabVIEW 3.0 版本开始， LabVIEW 作为一个完整优异的图形化软件开发环境得到了工业界和学 术界的认可，并迅速占领市场。2005年 10月 3日，NI 公司发布了迄 今为止版本最新的 LabVIEW 8.0 Express。 4. 3. 2 G 语言与虚拟仪器 从 LabVIEW 研制开发的过程可以看到，其是为了替代传统的基 于脚本的高级