基于單片機的半自動(dòng)生化分析儀電控系統設計
摘 要：該文設計了一種基于單片機的半自動(dòng)生化分析儀電控系統，采用ATmega128型單片機和CPLD構成電控系統，完成硬件電路設計，根據控制任務(wù)與功能要求，給出軟件設計，實(shí)現了程序可控制增益范圍的指標要求。
關(guān)鍵詞：半自動(dòng)生化分析儀 ATmega128 CPLD
半自動(dòng)生化分析儀是醫療機構進(jìn)行臨床診斷的常規檢驗設備，主要完成對人體血液、尿液等各種生化成分進(jìn)行定量檢測和分析。目前，國內醫療機構的需求主要依賴(lài)國外進(jìn)口，尚沒(méi)有自主生產(chǎn)的高精度設備。為了實(shí)現高精度半自動(dòng)生化分析儀的國產(chǎn)化，本文設計開(kāi)發(fā)了一種基于單片機的半自動(dòng)生化分析儀電控系統，能實(shí)現樣品的半自動(dòng)化精密加注，具有測量準確、運行可靠、操作簡(jiǎn)便、一機多用等優(yōu)點(diǎn)。
1 半自動(dòng)生化分析儀總體設計
1.1 系統組成
半自動(dòng)生化分析儀具有機械操作系統、微量注射系統、溫度控制系統、光路系統及數據采集系統、電控系統和供電電源等部分，其中，作為檢測單元的分光光度計和電控系統是整個(gè)儀器的核心部分。
1.2 生化分析原理
由于沒(méi)有多波長(cháng)同時(shí)測試的需求，測試速度要求也不高，因此，系統采用前分光式分光光度計。系統框圖如圖1所示。
光源發(fā)出穩定的白光，由前置光路系統選擇特定波長(cháng)的單色光(波長(cháng)分別為340 nm、405 nm、505 nm、546 nm、578 nm、620 nm和660 nm)，該單色光通過(guò)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(guò)比色杯的傳播后，單色光攜帶了樣本濃度信息，再通過(guò)光電探測器檢測出被測樣品的吸光程度以及反映過(guò)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(dòng)生化分析儀電控系統設計
2.1 電控系統總體設計
電控系統包括信號調理與數據采集單元、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(jìn)行放大和電流-電壓變換，再經(jīng)過(guò)A/D變換器采樣后送入主控單片機進(jìn)行處理計算，將存儲結果存入大容量FLASH或上位機，最后將數據結果顯示或打印輸出。
2.2 信號調理與采集單元
信號調理單元包括一個(gè)可編程增益放大器，以確保不同幅度信號經(jīng)過(guò)A/D變換器均轉換為滿(mǎn)分辨率信號。該文提出一種基于三線(xiàn)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字量控制放大電路增益以實(shí)現輸出信號幅度的控制，該方法可根據輸入的模擬信號大小，自動(dòng)選擇量程進(jìn)行放大/衰減。
該電路以ATmega128單片機為核心組成微處理系統，用軟件實(shí)現放大器增益的智能控制：首先對輸入信號的大小進(jìn)行判斷，以一定算法得到相應放大倍數，并轉化為增益碼;再通過(guò)三根線(xiàn)控制數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。數字電位器采用增量式、調整靈敏度高的X9313W型32階數控電位器，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轉換器，將放大后的模擬信號轉換成數字信號送入單片機中。該芯片內帶一個(gè)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，內帶的數字濾波器，使電路設計非常簡(jiǎn)單，免去了模擬濾波器所帶來(lái)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(shí)鐘電路、數據存儲電路、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A(yíng)VR內核，采用RISC精簡(jiǎn)指令集結構，低功耗CMOS的8位單片機。
(2)CPLD采用ATMEL公司ATF1508AS型超大規�？删幊碳呻娐沸酒�。
(3)時(shí)鐘電路采用DALLAS 公司DS1302型涓流充電時(shí)鐘芯片，為醫用人員及病人提供良好的時(shí)間信息。
(4)數據存儲電路采用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(jìn)行通信，完成病理數據、綜合化驗單及儀器質(zhì)控數據的存儲。
(5)人機交互模塊主要包括液晶顯示器和鍵盤(pán)，儀器鍵盤(pán)設置19個(gè)，數字鍵12個(gè)(包括±號和小數點(diǎn)鍵)、5個(gè)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設置，給用戶(hù)提供一個(gè)良好的人機交互界面。
(6)液路由比色池、蠕動(dòng)泵、廢液池及若干管道組成，系統采用步進(jìn)電機帶動(dòng)蠕動(dòng)泵，單片機通過(guò)CPLD定時(shí)發(fā)出高低電平信號控制步進(jìn)電機的轉動(dòng)和停止。
(7)生化分析中的病人信息與檢測樣本結果可通過(guò)微型打印機進(jìn)行打印。此外，單片機科通過(guò)串口可以將生化報告生化數據傳送到上位機中。
3 系統軟件設計
半自動(dòng)生化分析儀中系統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、數據采集、通訊等操作。系統軟件主要完成三個(gè)功能：
(1)協(xié)調整機硬件的操作和運行，實(shí)現進(jìn)樣、控溫、測試、清洗等工作的自動(dòng)化操作;
(2)完成各種數據的采集、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(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)與顯示屏，控制監視或調整儀器的運行狀態(tài)，得到正確的分析結果。
4 結語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，該文設計的CA958型半自動(dòng)生化分析儀，各項性能指標均達到行業(yè)標準。該儀器能夠實(shí)現半自動(dòng)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(dòng)化水平，實(shí)現了醫療儀器國產(chǎn)化。
參考文獻
[1] 張浩，周東芳，成艷，等.半自動(dòng)生化分析儀光路系統原理及故障案例分析[J].實(shí)用醫技雜志，2005(14).
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