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基于單片機(jī)的半自動(dòng)生化分析儀電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要：該文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的半自動(dòng)生化分析儀電控系統(tǒng)，采用ATmega128型單片機(jī)和CPLD構(gòu)成電控系統(tǒng)，完成硬件電路設(shè)計(jì)，根據(jù)控制任務(wù)與功能要求，給出軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了程序可控制增益范圍的指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：半自動(dòng)生化分析儀 ATmega128 CPLD
半自動(dòng)生化分析儀是醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨床診斷的常規(guī)檢驗(yàn)設(shè)備，主要完成對(duì)人體血液、尿液等各種生化成分進(jìn)行定量檢測(cè)和分析。目前，國內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求主要依賴國外進(jìn)口，尚沒有自主生產(chǎn)的高精度設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)高精度半自動(dòng)生化分析儀的國產(chǎn)化，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于單片機(jī)的半自動(dòng)生化分析儀電控系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)樣品的半自動(dòng)化精密加注，具有測(cè)量準(zhǔn)確、運(yùn)行可靠、操作簡便、一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)。
1 半自動(dòng)生化分析儀總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
半自動(dòng)生化分析儀具有機(jī)械操作系統(tǒng)、微量注射系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、光路系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和供電電源等部分，其中，作為檢測(cè)單元的分光光度計(jì)和電控系統(tǒng)是整個(gè)儀器的核心部分。
1.2 生化分析原理
由于沒有多波長同時(shí)測(cè)試的需求，測(cè)試速度要求也不高，因此，系統(tǒng)采用前分光式分光光度計(jì)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
光源發(fā)出穩(wěn)定的白光，由前置光路系統(tǒng)選擇特定波長的單色光(波長分別為340 nm、405 nm、505 nm、546 nm、578 nm、620 nm和660 nm)，該單色光通過導(dǎo)光管投射到裝有標(biāo)準(zhǔn)液和樣本的比色杯，由布格―朗伯―比爾定律可知，經(jīng)過比色杯的傳播后，單色光攜帶了樣本濃度信息，再通過光電探測(cè)器檢測(cè)出被測(cè)樣品的吸光程度以及反映過程中吸光度的變化，最終利用主控單片機(jī)計(jì)算出樣品中的待測(cè)成分含量。
2 半自動(dòng)生化分析儀電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
電控系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集單元、主控單元、從控單元及人機(jī)交互等部分，總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
由于光電探測(cè)器的輸出信號(hào)是非常微弱的電流信號(hào)，所以，先利用前置放大器對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大和電流-電壓變換，再經(jīng)過A/D變換器采樣后送入主控單片機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，將存儲(chǔ)結(jié)果存入大容量FLASH或上位機(jī)，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示或打印輸出。
2.2 信號(hào)調(diào)理與采集單元
信號(hào)調(diào)理單元包括一個(gè)可編程增益放大器，以確保不同幅度信號(hào)經(jīng)過A/D變換器均轉(zhuǎn)換為滿分辨率信號(hào)。該文提出一種基于三線制的新型可編程增益放大電路設(shè)計(jì)方法，即利用單片機(jī)改變輸出數(shù)字量控制放大電路增益以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)幅度的控制，該方法可根據(jù)輸入的模擬信號(hào)大小，自動(dòng)選擇量程進(jìn)行放大/衰減。
該電路以ATmega128單片機(jī)為核心組成微處理系統(tǒng)，用軟件實(shí)現(xiàn)放大器增益的智能控制：首先對(duì)輸入信號(hào)的大小進(jìn)行判斷，以一定算法得到相應(yīng)放大倍數(shù)，并轉(zhuǎn)化為增益碼;再通過三根線控制數(shù)字電位器對(duì)相應(yīng)的反饋電阻選擇輸出，改變放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字電位器采用增量式、調(diào)整靈敏度高的X9313W型32階數(shù)控電位器，運(yùn)算放大器選用ADI公司的AD623型高精度放大器。
信號(hào)采集單元主要選用CS5523型A/D轉(zhuǎn)換器，將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中。該芯片內(nèi)帶一個(gè)多路復(fù)用器、增益固定為20倍的儀表放大器，能夠很好地抑制共模信號(hào)的干擾，此外，內(nèi)帶的數(shù)字濾波器，使電路設(shè)計(jì)非常簡單，免去了模擬濾波器所帶來的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
2.3 主控單元
主控單元包括ATmega128單片機(jī)、CPLD器件、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、人機(jī)交互模塊、液路和微型打印機(jī)等。
(1)ATmega128單片機(jī)是一款基于AVR內(nèi)核，采用RISC精簡指令集結(jié)構(gòu)，低功耗CMOS的8位單片機(jī)。
(2)CPLD采用ATMEL公司ATF1508AS型超大規(guī)模可編程集成電路芯片。
(3)時(shí)鐘電路采用DALLAS 公司DS1302型涓流充電時(shí)鐘芯片，為醫(yī)用人員及病人提供良好的時(shí)間信息。
(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用ATMEL公司AT45DB161型串行接口的可編程閃速存儲(chǔ)器，利用SPI串行模式與單片機(jī)進(jìn)行通信，完成病理數(shù)據(jù)、綜合化驗(yàn)單及儀器質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
(5)人機(jī)交互模塊主要包括液晶顯示器和鍵盤，儀器鍵盤設(shè)置19個(gè)，數(shù)字鍵12個(gè)(包括±號(hào)和小數(shù)點(diǎn)鍵)、5個(gè)功能鍵以及退出鍵和確認(rèn)鍵，兩者配合操作可完成各種功能選擇和參數(shù)設(shè)置，給用戶提供一個(gè)良好的人機(jī)交互界面。
(6)液路由比色池、蠕動(dòng)泵、廢液池及若干管道組成，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蠕動(dòng)泵，單片機(jī)通過CPLD定時(shí)發(fā)出高低電平信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止。
(7)生化分析中的病人信息與檢測(cè)樣本結(jié)果可通過微型打印機(jī)進(jìn)行打印。此外，單片機(jī)科通過串口可以將生化報(bào)告生化數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
半自動(dòng)生化分析儀中系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將功能單一化、分散化，完成吸液、控溫、數(shù)據(jù)采集、通訊等操作。系統(tǒng)軟件主要完成三個(gè)功能：
(1)協(xié)調(diào)整機(jī)硬件的操作和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、控溫、測(cè)試、清洗等工作的自動(dòng)化操作;
(2)完成各種數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、管理保存和打印顯示;
(3)提供方便的人機(jī)交互界面，用戶可通過鍵盤與顯示屏，控制監(jiān)視或調(diào)整儀器的運(yùn)行狀態(tài)，得到正確的分析結(jié)果。
4 結(jié)語
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該文設(shè)計(jì)的CA958型半自動(dòng)生化分析儀，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)化的樣品精密加注，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療儀器國產(chǎn)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 張浩，周東芳，成艷，等.半自動(dòng)生化分析儀光路系統(tǒng)原理及故障案例分析[J].實(shí)用醫(yī)技雜志，2005(14).
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