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基于單片機的半自動生化分析儀電控系統(tǒng)設計
摘 要：該文設計了一種基于單片機的半自動生化分析儀電控系統(tǒng)，采用ATmega128型單片機和CPLD構(gòu)成電控系統(tǒng)，完成硬件電路設計，根據(jù)控制任務與功能要求，給出軟件設計，實現(xiàn)了程序可控制增益范圍的指標要求。
關鍵詞：半自動生化分析儀 ATmega128 CPLD
半自動生化分析儀是醫(yī)療機構(gòu)進行臨床診斷的常規(guī)檢驗設備，主要完成對人體血液、尿液等各種生化成分進行定量檢測和分析。目前，國內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)的需求主要依賴國外進口，尚沒有自主生產(chǎn)的高精度設備。為了實現(xiàn)高精度半自動生化分析儀的國產(chǎn)化，本文設計開發(fā)了一種基于單片機的半自動生化分析儀電控系統(tǒng)，能實現(xiàn)樣品的半自動化精密加注，具有測量準確、運行可靠、操作簡便、一機多用等優(yōu)點。
1 半自動生化分析儀總體設計
1.1 系統(tǒng)組成
半自動生化分析儀具有機械操作系統(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，作為檢測單元的分光光度計和電控系統(tǒng)是整個儀器的核心部分。
1.2 生化分析原理
由于沒有多波長同時測試的需求，測試速度要求也不高，因此，系統(tǒng)采用前分光式分光光度計。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)，該單色光通過導光管投射到裝有標準液和樣本的比色杯，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，再通過光電探測器檢測出被測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計算出樣品中的待測成分含量。
2 半自動生化分析儀電控系統(tǒng)設計
2.1 電控系統(tǒng)總體設計
電控系統(tǒng)包括信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集單元、主控單元、從控單元及人機交互等部分，總體方案設計框圖如圖2所示。
由于光電探測器的輸出信號是非常微弱的電流信號，所以，先利用前置放大器對探測器輸出信號進行放大和電流-電壓變換，再經(jīng)過A/D變換器采樣后送入主控單片機進行處理計算，將存儲結(jié)果存入大容量FLASH或上位機，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示或打印輸出。
2.2 信號調(diào)理與采集單元
信號調(diào)理單元包括一個可編程增益放大器，以確保不同幅度信號經(jīng)過A/D變換器均轉(zhuǎn)換為滿分辨率信號。該文提出一種基于三線制的新型可編程增益放大電路設計方法，即利用單片機改變輸出數(shù)字量控制放大電路增益以實現(xiàn)輸出信號幅度的控制，該方法可根據(jù)輸入的模擬信號大小，自動選擇量程進行放大/衰減。
該電路以ATmega128單片機為核心組成微處理系統(tǒng)，用軟件實現(xiàn)放大器增益的智能控制：首先對輸入信號的大小進行判斷，以一定算法得到相應放大倍數(shù)，并轉(zhuǎn)化為增益碼;再通過三根線控制數(shù)字電位器對相應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，運算放大器選用ADI公司的AD623型高精度放大器。
信號采集單元主要選用CS5523型A/D轉(zhuǎn)換器，將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機中。該芯片內(nèi)帶一個多路復用器、增益固定為20倍的儀表放大器，能夠很好地抑制共模信號的干擾，此外，內(nèi)帶的數(shù)字濾波器，使電路設計非常簡單，免去了模擬濾波器所帶來的復雜設計。
2.3 主控單元
主控單元包括ATmega128單片機、CPLD器件、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲電路、人機交互模塊、液路和微型打印機等。
(1)ATmega128單片機是一款基于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。
(2)CPLD采用ATMEL公司ATF1508AS型超大規(guī)模可編程集成電路芯片。
(3)時鐘電路采用DALLAS 公司DS1302型涓流充電時鐘芯片，為醫(yī)用人員及病人提供良好的時間信息。
(4)數(shù)據(jù)存儲電路采用ATMEL公司AT45DB161型串行接口的可編程閃速存儲器，利用SPI串行模式與單片機進行通信，完成病理數(shù)據(jù)、綜合化驗單及儀器質(zhì)控數(shù)據(jù)的存儲。
(5)人機交互模塊主要包括液晶顯示器和鍵盤，儀器鍵盤設置19個，數(shù)字鍵12個(包括±號和小數(shù)點鍵)、5個功能鍵以及退出鍵和確認鍵，兩者配合操作可完成各種功能選擇和參數(shù)設置，給用戶提供一個良好的人機交互界面。
(6)液路由比色池、蠕動泵、廢液池及若干管道組成，系統(tǒng)采用步進電機帶動蠕動泵，單片機通過CPLD定時發(fā)出高低電平信號控制步進電機的轉(zhuǎn)動和停止。
(7)生化分析中的病人信息與檢測樣本結(jié)果可通過微型打印機進行打印。此外，單片機科通過串口可以將生化報告生化數(shù)據(jù)傳送到上位機中。
3 系統(tǒng)軟件設計
半自動生化分析儀中系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，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)軟件主要完成三個功能：
(1)協(xié)調(diào)整機硬件的操作和運行，實現(xiàn)進樣、控溫、測試、清洗等工作的自動化操作;
(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)整儀器的運行狀態(tài)，得到正確的分析結(jié)果。
4 結(jié)語
經(jīng)過實驗測試，該文設計的CA958型半自動生化分析儀，各項性能指標均達到行業(yè)標準。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)半自動化的樣品精密加注，降低了操作人員的工作強度，提高了自動化水平，實現(xiàn)了醫(yī)療儀器國產(chǎn)化。
參考文獻
[1] 張浩，周東芳，成艷，等.半自動生化分析儀光路系統(tǒng)原理及故障案例分析[J].實用醫(yī)技雜志，2005(14).
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