基于C8051F350的干式生化分析系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

錢(qián) 慶，程文播，王鐘周，王弼陡

（蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 江蘇 蘇州 215163）

生化分析儀是用來(lái)對(duì)人體的血液、尿液等體液中各種生化成分進(jìn)行定量檢測(cè)和分析的儀器，能夠檢驗(yàn)如肝功能、腎功能、血脂、心功能，它同時(shí)還能測(cè)量激素及微量蛋白。人體體液的生化指標(biāo)在臨床疾病診斷和治療上具有重要的參考價(jià)值，是臨床的重要參考資料。

臨床檢驗(yàn)中的干式生化分析實(shí)際上是相對(duì)于經(jīng)典的濕式生化分析而言，干式生化分析主要是指將液體樣品（如血清、血漿、全血、尿液等）直接加到固定在干載體的干試劑上，并且以樣品中的水分作為溶劑，是樣品中的待測(cè)成分與試劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而進(jìn)行分析的一種檢驗(yàn)方法[1]，是集當(dāng)代化學(xué)、光學(xué)、酶學(xué)、化學(xué)計(jì)量和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的多學(xué)科分析技術(shù)。由于這種檢驗(yàn)方法的快速性，干式生化分析儀在各醫(yī)院檢驗(yàn)科得到了大幅的推廣，關(guān)于干式生化分析儀的研究也越來(lái)越多。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以Silicon Labs公司的單片機(jī)C8051F350為核心進(jìn)行系統(tǒng)硬件的搭建。C8051F350是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有高速的、流水線結(jié)構(gòu)8051兼容的CIP-51內(nèi)核，對(duì)于學(xué)習(xí)或使用過(guò)51內(nèi)核單片機(jī)的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，易于開(kāi)展研發(fā)工作。C8051F350器件具有片內(nèi)C2接口調(diào)試電路[2]，支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進(jìn)行非侵入式、全速的在線系統(tǒng)調(diào)試，方便調(diào)試，縮短設(shè)計(jì)流程。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

該系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程為：將干片置于載物臺(tái)上，距離檢測(cè)器感應(yīng)到干片已經(jīng)到位，釋放信號(hào)進(jìn)行條碼掃描，將掃描到的信息送到單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)備用。然后控制機(jī)械結(jié)構(gòu)將載物臺(tái)運(yùn)送到進(jìn)樣位，將樣品滴到干片上，繼而將干片引至恒溫的檢測(cè)位進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程主要是首先單片發(fā)出信號(hào)選定所需波長(zhǎng)的光源，照射到載有樣品的干片上，光經(jīng)過(guò)反射至系統(tǒng)的檢測(cè)部分，繼而將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大濾波電路的調(diào)理之后，送至單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。單片機(jī)處理之后，通過(guò)RS232接口與ARM進(jìn)行通信，并將信息傳送至ARM進(jìn)行后續(xù)處理和顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要可以分為以下幾個(gè)部分：電源部分、條碼掃描米快、溫度測(cè)控制模塊、LED光源模塊、信號(hào)測(cè)量與處理模塊以及與ARM等通訊的RS232接口模塊。電源模塊為單片機(jī)提供工作電流，同時(shí)為光源和溫控部分提供電流。條碼掃描模塊讀取干片的條碼信息。溫度測(cè)控模塊使孵育和檢測(cè)溫度保持在恒溫下，減小溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量的精度。LED光源模塊提供檢測(cè)用光，并且實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光源的切換。信號(hào)測(cè)量與處理模塊，采樣光路中返回的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，對(duì)含有各種噪聲的信號(hào)進(jìn)行放大濾波等調(diào)制處理，后送至單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與傳遞。

2.1 條碼掃描模塊

條碼掃描模塊包括干片感測(cè)和條碼掃描，該部分的作用是通過(guò)近距檢測(cè)器檢測(cè)到干片已經(jīng)被放置在載片臺(tái)上，將控制信號(hào)發(fā)至條碼掃描儀，條碼掃描儀掃描干片上的條碼信息發(fā)送至單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)被檢驗(yàn)者信息的自動(dòng)輸入和識(shí)別。其中U1為近距檢測(cè)器（HSDL-9100），當(dāng)干片接近該近距檢測(cè)器時(shí)，經(jīng)過(guò)干片反射回來(lái)的光強(qiáng)度增加，流過(guò)R3的電流增大，運(yùn)算放大器U2的同相輸入端電壓升高。經(jīng)過(guò)U2的放大之后，輸入到比較器U3的反向輸入端與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，將數(shù)字信號(hào)輸出到條碼掃描儀，通知掃描儀進(jìn)行條碼掃描。其中，通過(guò)R8能夠設(shè)置合理的閾值，防止控制信號(hào)振蕩。條碼掃描儀選用摩托羅拉的SE995。

圖2 條碼掃描模塊Fig.2 Barcode scanning module

2.2 溫度測(cè)控模塊

溫度測(cè)控部分包括溫度檢測(cè)與溫度控制。由于溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響比較大，所以干式生化分析對(duì)于溫度的要求較高。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，采用反饋法對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制。如圖3所示，熱敏電阻對(duì)于溫度有較高的靈敏度，當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。恒流源使電流通過(guò)熱敏電阻，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，后經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的放大將模擬信號(hào)直接送至單片機(jī)C8051F350內(nèi)，在CPU內(nèi)部與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并且經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的PID算法作用，計(jì)算出模擬輸出的量，控制帕爾貼加熱或者制冷。例如，當(dāng)輸入電壓小于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明溫度高于溫度標(biāo)準(zhǔn)值，單片機(jī)的模擬輸出端輸出模擬信號(hào)，經(jīng)放大控制驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生電流，使得帕爾貼轉(zhuǎn)換為制冷，降低檢測(cè)溫度。反之，若輸入電壓高于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明溫度低于溫度標(biāo)準(zhǔn)值，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片。使得帕爾貼轉(zhuǎn)換為加熱狀態(tài)。在PID負(fù)反饋的作用下，能將檢測(cè)溫度控制在37±0.5℃。

圖3 溫度測(cè)控模塊示意圖Fig.3 Diagram of the automatic temperature control module

2.3 LED光源模塊

本干式生化分析系統(tǒng)能夠檢測(cè)多種生化指標(biāo)，而不同的生化指標(biāo)需要不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行檢測(cè)，于是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了8波長(zhǎng)光路的選擇電路。可以通過(guò)單片機(jī)C8051F350的發(fā)出指令信號(hào)來(lái)選擇通所需波長(zhǎng)的LED光源。由于單片機(jī)的引腳為T(mén)TL電路，高電平為3.3 V左右，因此無(wú)法滿足CD4051的電平要求，因此設(shè)計(jì)了如圖4所示的管夠轉(zhuǎn)換電路，將高電平電壓由3.3 V轉(zhuǎn)換為12 V左右，達(dá)到控制CD4051選通作用。另外，在某些特定的時(shí)候，要求所有的光源都處于不發(fā)光狀態(tài)，因此單片機(jī)的P1.0口信號(hào)連至CD4051的使能端，以方便的控制CD4051的工作狀態(tài)，輸出低電平時(shí)，CD4051所有通道都將截止。

圖4 LED光源模塊Fig.4 Circuit diagram of LED module

2.4 信號(hào)測(cè)量與處理模塊

信號(hào)測(cè)量與處理電路包括信號(hào)采樣電路、前置放大電路、濾波電路以及后置放大電路等，如圖5所示。

圖5 信號(hào)測(cè)量與處理模塊示意圖Fig.5 Structure diagram of the signal processing module

圖6為信號(hào)測(cè)量與處理模塊的具體電路圖。光電二極管D1將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該電流信號(hào)經(jīng)過(guò)高精密運(yùn)算放大器U5組成放大電路的放大作用，流經(jīng)R13變?yōu)殡妷盒盘?hào)。在此之后是以運(yùn)算放大器U6A（即OPA2131）為核心的有源低通濾波電路，濾除信號(hào)內(nèi)混雜的高頻噪聲。濾除高頻噪聲的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器芯片UAF42組成的工頻信號(hào)陷波電路，濾除50 Hz的工頻干擾，隨后經(jīng)過(guò)U6B和 U8（CD4051）組成的后置放大電路后送至單片機(jī)內(nèi)[3-5]。

UAF42是一款德州儀器公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的通用濾波器芯片。該濾波器芯片具有設(shè)計(jì)方便、使用靈活的特點(diǎn)，通過(guò)改變UAF42的電路參數(shù)可以構(gòu)成各種滿足工程實(shí)際需要的濾波器。德州儀器還為這款濾波器芯片設(shè)計(jì)了電路輔助設(shè)計(jì)軟件，即Filter42.exe[6]，可以直接在TI網(wǎng)站下載并使用。另外，各種指標(biāo)測(cè)量時(shí)，所用的LED光源不同，各種樣品對(duì)光的反射率也不同，因此信號(hào)的大小范圍也各有不同。于是，本系統(tǒng)的后置放大電路中設(shè)計(jì)了8個(gè)放大通道，以便為每個(gè)LED光源匹配合適的放大倍數(shù)。

圖6 信號(hào)測(cè)量與處理模塊Fig.6 Circuit diagram of the signal processing module

2.5 RS232接口模塊

RS232接口電路：C8051的管腳為L(zhǎng)S－TTL電平，即邏輯1為高電平（>2.5 V），邏輯 0為低電平（<0.25 V）。PC或 ARM的串口上的電平形式為 RS232電平，即邏輯 1（MARK）為－3～－15 V，邏輯 0（space）為 3～15 V。二者進(jìn)行信息通訊的前提是電平類型一致，于是選用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)TTL至RS232的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的干式生化分析硬件系統(tǒng)能夠?qū)ξ⑷醯墓庑盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)與信號(hào)調(diào)理，同時(shí)具備自動(dòng)光源選擇、自動(dòng)條碼掃描、自動(dòng)溫度控制等技術(shù)，通過(guò)與ARM開(kāi)發(fā)板的連接，能夠完成對(duì)多種生化指標(biāo)的準(zhǔn)確檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，除加樣以外其余工作均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，檢測(cè)速度快且能保證測(cè)量精度，大大提高了儀器的自動(dòng)化程度、快速性和可靠性。同時(shí)，使用方便快捷，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]張志田.基于DSP的半自動(dòng)生化分析儀設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2009，30（4）：66－68.ZHANG Zhi-tian.Design of semi-automated biochemistry analyzer based on DSP[J].Process Automation Instrumentation，2009，30（4）:66－68.

[2]鹿玲，袁寶山，李業(yè)德.基于C8051F350的超市電子計(jì)價(jià)秤的設(shè)計(jì)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（3）：81－84.LU Ling， YUAN Bao-shan， LI Ye-de.The design of electronic cashier scale based on C8051F350 computer[J].Journal of Shandong University of Technology，2009，23（3）:81－84.

[3]李剛，張旭.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]遠(yuǎn)坂俊昭.測(cè)量電子電路設(shè)計(jì)—模擬篇[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[5]唐國(guó)棟，覃愛(ài)娜，賴旭芝.基于C8051F020無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化測(cè)試，2008，16（9）：1227－1228.TANG Guo-dong， QIN Ai-na， LAI Xu-zhi.NON invasive blood pressure system based on C8051F020[J].Computer Measurement&Control， 2008， 16（9）:1227－1228.

[6]鄧勇，劉琪，施文康.通用有源濾波器UAF42的CAD軟件－FILTER42[J].電子設(shè)計(jì)工程，2001（11）：44－46.DENG Yong， LIU Qi， SHI Wen-kang.Filter42-The computer aided designed software of university active filter UAF42[J].Electronic Design Engineering，2001（11）:44－46.