基于单片机的半自动生化分析仪电控系统设计
摘 要：该文设计了一种基于单片机的半自动生化分析仪电控系统，采用ATmega128型单片机和CPLD构成电控系统，完成硬件电路设计，根据控制任务与功能要求，给出软件设计，实现了程序可控制增益范围的指标要求。
关键词：半自动生化分析仪 ATmega128 CPLD
半自动生化分析仪是医疗机构进行临床诊断的常规检验设备，主要完成对人体血液、尿液等各种生化成分进行定量检测和分析。目前，国内医疗机构的需求主要依赖国外进口，尚没有自主生产的高精度设备。为了实现高精度半自动生化分析仪的国产化，本文设计开发了一种基于单片机的半自动生化分析仪电控系统，能实现样品的半自动化精密加注，具有测量准确、运行可靠、操作简便、一机多用等优点。
1 半自动生化分析仪总体设计
1.1 系统组成
半自动生化分析仪具有机械操作系统、微量注射系统、温度控制系统、光路系统及数据采集系统、电控系统和供电电源等部分，其中，作为检测单元的分光光度计和电控系统是整个仪器的核心部分。
1.2 生化分析原理
由于没有多波长同时测试的需求，测试速度要求也不高，因此，系统采用前分光式分光光度计。系统框图如图1所示。
光源发出稳定的白光，由前置光路系统选择特定波长的单色光(波长分别为340 nm、405 nm、505 nm、546 nm、578 nm、620 nm和660 nm)，该单色光通过导光管投射到装有标准液和样本的比色杯，由布格―朗伯―比尔定律可知，经过比色杯的传播后，单色光携带了样本浓度信息，再通过光电探测器检测出被测样品的`吸光程度以及反映过程中吸光度的变化，最终利用主控单片机计算出样品中的待测成分含量。
2 半自动生化分析仪电控系统设计
2.1 电控系统总体设计
电控系统包括信号调理与数据采集单元、主控单元、从控单元及人机交互等部分，总体方案设计框图如图2所示。
由于光电探测器的输出信号是非常微弱的电流信号，所以，先利用前置放大器对探测器输出信号进行放大和电流-电压变换，再经过A/D变换器采样后送入主控单片机进行处理计算，将存储结果存入大容量FLASH或上位机，最后将数据结果显示或打印输出。
2.2 信号调理与采集单元
信号调理单元包括一个可编程增益放大器，以确保不同幅度信号经过A/D变换器均转换为满分辨率信号。该文提出一种基于三线制的新型可编程增益放大电路设计方法，即利用单片机改变输出数字量控制放大电路增益以实现输出信号幅度的控制，该方法可根据输入的模拟信号大小，自动选择量程进行放大/衰减。
该电路以ATmega128单片机为核心组成微处理系统，用软件实现放大器增益的智能控制：首先对输入信号的大小进行判断，以一定算法得到相应放大倍数，并转化为增益码;再通过三根线控制数字电位器对相应的反馈电阻选择输出，改变放大器的放大倍数。数字电位器采用增量式、调整灵敏度高的X9313W型32阶数控电位器，运算放大器选用ADI公司的AD623型高精度放大器。
信号采集单元主要选用CS5523型A/D转换器，将放大后的模拟信号转换成数字信号送入单片机中。该芯片内带一个多路复用器、增益固定为20倍的仪表放大器，能够很好地抑制共模信号的干扰，此外，内带的数字滤波器，使电路设计非常简单，免去了模拟滤波器所带来的复杂设计。
2.3 主控单元
主控单元包括ATmega128单片机、CPLD器件、时钟电路、数据存储电路、人机交互模块、液路和微型打印机等。
(1)ATmega128单片机是一款基于AVR内核，采用RISC精简指令集结构，低功耗CMOS的8位单片机。
(2)CPLD采用ATMEL公司ATF1508AS型超大规模可编程集成电路芯片。
(3)时钟电路采用DALLAS 公司DS1302型涓流充电时钟芯片，为医用人员及病人提供良好的时间信息。
(4)数据存储电路采用ATMEL公司AT45DB161型串行接口的可编程闪速存储器，利用SPI串行模式与单片机进行通信，完成病理数据、综合化验单及仪器质控数据的存储。
(5)人机交互模块主要包括液晶显示器和键盘，仪器键盘设置19个，数字键12个(包括±号和小数点键)、5个功能键以及退出键和确认键，两者配合操作可完成各种功能选择和参数设置，给用户提供一个良好的人机交互界面。
(6)液路由比色池、蠕动泵、废液池及若干管道组成，系统采用步进电机带动蠕动泵，单片机通过CPLD定时发出高低电平信号控制步进电机的转动和停止。
(7)生化分析中的病人信息与检测样本结果可通过微型打印机进行打印。此外，单片机科通过串口可以将生化报告生化数据传送到上位机中。
3 系统软件设计
半自动生化分析仪中系统软件采用模块化设计方法，将功能单一化、分散化，完成吸液、控温、数据采集、通讯等操作。系统软件主要完成三个功能：
(1)协调整机硬件的操作和运行，实现进样、控温、测试、清洗等工作的自动化操作;
(2)完成各种数据的采集、处理、分析、管理保存和打印显示;
(3)提供方便的人机交互界面，用户可通过键盘与显示屏，控制监视或调整仪器的运行状态，得到正确的分析结果。
4 结语
经过实验测试，该文设计的CA958型半自动生化分析仪，各项性能指标均达到行业标准。该仪器能够实现半自动化的样品精密加注，降低了操作人员的工作强度，提高了自动化水平，实现了医疗仪器国产化。
参考文献
[1] 张浩，周东芳，成艳，等.半自动生化分析仪光路系统原理及故障案例分析[J].实用医技杂志，2005(14).
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