基于STM32處理器的網絡化生化分析儀的設計

夏云成，孫寧，肖廣兵

1.如皋市人民醫院 設備科，江蘇 南通226000；2.南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037

0 前言

生化分析儀主要用于對人體體液中的各種生化指標進行檢測，并根據生化指標的差異，為醫生確定患者病情提供科學依據[1-2]。針對當前部分基層醫療單位所使用的生化分析儀性能良莠不齊、一致性較差，以及缺乏有效網絡化數據管理的現狀，設計了基于STM32的網絡化生化分析儀。

1 系統設計與工作原理

生化分析儀的基本工作原理基于朗伯-比爾的光電比色定律，見式(1)。

式中A為吸光度，I0為入射光輻射強度，It為透設光輻射強度，b為吸收層厚度（cm），c為吸收物的摩爾濃度（M），ε為摩爾吸光系數（L·mol-1·cm-1）。

從(1)式看出，當吸收層厚度一定時，溶液的吸光度與其摩爾濃度成正比。在同波長、同物質、同溫度以及同厚度的情況下，只要測出待測溶液的吸光度，與已知濃度的標準溶液吸光度進行比較，就可以得到當前溶液的濃度。

基于STM32的網絡化生化分析儀由以下幾個部分組成：液路模塊、溫控模塊、吸光度采集模塊、STM32F103VB主處理器、CAN通信模塊、觸摸屏顯示終端和在線打印模塊等，其基本結構，見圖1。

圖1 基于STM32的生化分析儀系統結構圖

該系統可同時適用于動力學檢測法、兩點檢測法以及終點檢測法。其微量流動比色池，可以減少每次檢測所需的反應液；溫度控制器采用帕爾帖直接控制比色池中液體的溫度。在控制過程中，溫度傳感器反饋當前比色池中溶液的溫度，出于精度的要求，溫度傳感器采用高靈敏度的AD590，它是一種接觸式的感溫電流源，非線性誤差在±0.3℃以內。

為實現生化分析數據的統一管理，系統還集成了分析報表在線打印和遠程數據庫管理模塊。CAN通信網絡將組包后的生化分析數據上傳到遠程主機的中央數據庫中，配合相應的業務軟件（中央數據庫）完成對人體體液各種生化指標的分析，并對數據進行統一管理，實現病情追蹤與在線查詢。

2 硬件電路設計

2.1 STM32F103VB主處理器

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位ARM處理器，芯片集成了豐富的片上資源，支持1μs的雙12位AD轉換器、4 MB/s的USART，以及18 MB/s的SPI等。此外，處理器還在系統架構上進行了改進，支持單周期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。STM32F103VB時鐘頻率最高可達72 MHz，每秒可完成200萬次的乘加運算。系統功耗較低，在待機模式下，消耗電流僅為2μA。STM32F103VB主處理器及外圍接口電路，見圖2。存儲電路采用芯片24C128，用于保存用戶設置參數和歷史分析數據等。時鐘芯片DS1302產生時間和日期，外接32.768 kHz的晶振用于提供精確的秒中斷以實現對檢測信號進行計算和校正。

圖2 STM32F103VB處理器及外圍電路

2.2 CAN通信模塊

系統為了實現樣本的分布式測試和數據網絡化管理，集成了CAN通信模塊。

CAN由德國BOSCH公司開發，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協議已經成為計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于各種在線醫療計算機控制系統。CAN通信模塊結構，見圖3。

圖3 CAN通信模塊結構圖

在網絡化生化分析儀中，CAN通信模塊主要用于對各個分析終端的數據管理。各分析終端將測試結果以CAN通信的方式發送到數據分析中心，作進一步數據分析和集中管理。CAN采用串口通信方式與上位機進行數據交換[3]。

2.3 吸光采集電路

系統采用30 W/12 V鹵鎢燈作為白色光發光源。測量時，白色光通過特定的濾光片后即可變為所需要的單色光進入比色池。測量的單色光波長均在0.34～0.67μm，為此系統選用日本濱松（HAMAMATSU）公司的硒光電池S1133作為光敏元件，以獲得最佳的靈敏度。硒光電池輸出的微弱電流信號經過由運算放大器構成的電流-電壓變換放大器，使得輸出的電壓與光照強度成正比，其吸光采集電路，見圖4。

圖4 吸光采集電路

硒光電池S1133輸出的電流信號經過三級放大和一級對數運算后，最終傳送至主處理器STM32F103VB的A/D模塊。前兩級放大電路分別通過低功耗精密放大器AD822實現。放大后的信號輸入到對數運算電路的輸入端，最終送至第三級程控放大器MAX328。通過選擇不同的放大倍數，可以將輸出電壓鉗位在2.5～5 V，以減小ADC非線性造成的測量誤差。每一級放大電路都外接了一階低通濾波器；接地芯片也都外接了去耦電容，以進一步提高生化分析儀的檢測精度。

2.4 液路控制電路

生化分析儀在進行項目檢測前須用泵將待檢試劑注入比色池中，系統選用金壇市四海電機電器廠生產的42BYGH101型步進電機對吸液泵進行控制。該電機采用12V工作電壓供電，工作電流為0.4 A，步距角1.8°，靜轉矩4.2kg·cm，定位轉矩為0.2 kg·cm。此電機能夠以10～20 rpm的轉速帶動吸液泵工作，符合系統設計的要求。L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，它可以接受標準TTL邏輯電平信號，用來驅動繼電器、線圈、直流電動機和步進電動機等電感性負載。步進電機運行時，會對供電電源形成比較大的干擾，對此系統采用對步進電機驅動電路進行單獨供電。同時在各個驅動功率芯片的供電端，增加濾波電路，目的就是將干擾盡可能地消滅在本模塊之內，以減少對其他設備的干擾。液路驅動電路，見圖5。

圖5 液路驅動電路

2.5 溫度控制電路

生化儀器在檢測過程中，一般要求溶液試樣在某一恒定的溫度下進行檢測，因此要求對溫度進行控制。系統采用溫度傳感器和帕爾貼（TEC）構成一個獨立的外部溫度控制回路，將溫度傳感器測量到的溫度數據作為反饋信號，經過模數轉換后送入ARM處理器STM32F103VB，與預設的工作溫度作比較并輸出相應的控制信號驅動功率放大電路。通過電流驅動TEC模塊，最終完成制冷或加熱的任務。

TEC模塊是一個可加熱或制冷的元件，當輸入端1為高電平、2為低電平時，TEC立即制冷；反之，開始加熱。為了避免Q1、Q3（或Q2、Q4）場效應管同時飽和導通，在RC1和RC2后設計了邏輯門保護電路，保證其中一個場效應管飽和導通時，另外一個場效應管一定截至，防止電流從正極穿過兩個場效應管直接回到負極，避免電流超過場效應管所能承受的最大電流導致永久性損壞。具體溫度控制電路，見圖6。

圖6 溫度控制電路

作為反饋量，系統采用集成溫度傳感器AD590對溶液溫度進行測量。由于AD590輸出的是隨溫度變化的電流，因此需要為其設計電壓轉換電路，見圖7。

圖7 AD590溫度測量電路

由于R3為固定值，則可以根據Ia的大小來調節電阻R2的阻值，使輸出電壓U0控制在2.5～5 V，以減少模數轉換的非線性誤差、提高測量結果的準確性。

3 系統軟件設計

基于STM32的網絡化生化分析儀選用STM32F103VB作為處理器，因此在系統軟件設計過程中，需要在Keil for ARM平臺上對其進行編程[4-5]。

嵌入式Linux具有源碼開放、系統穩定等優點被廣泛地應用在各種嵌入式系統中。故生化分析儀選用移植uCLinux作為片上操作系統[6-8]。系統在上電或復位后，引導加載程序完成相應的初始化并將內核映像從FLASH中復制到SDRAM中，再將控制權交給系統內核，由內核控制應用程序。內核負責進程管理、內存管理、設備驅動以及文件系統管理等。設備驅動程序是系統內核與機器硬件之間的接口，系統各個模塊的驅動程序都將被編譯到uCLinux的內核中。系統AD轉換的基本流程，見圖8。

圖8 系統ADC軟件流程圖

ARM主處理器除了負責生化分析過程中液路的控制、光電信號的采集、LCD數據顯示外，還要負責與上位機之間的數據傳輸和在線打印等。

除此之外，CAN通信模塊在整個系統中還負責分析數據的實時傳送，并對網絡中各個生化分析儀節點的分析數據進行采集、整理，并傳送至上位機，再由上位機對其進行進一步地分析、存儲和查詢。系統基本工作流程，見圖9。

圖9 系統基本工作流程圖

上位機顯示界面采用Visual Basic 6.0軟件開發設計，利用VB軟件中的窗口控件實現界面主體的搭建。上位機與ARM主處理器之間的數據通信則通過MSComm控件來實現。上位機顯示界面，見圖10。

圖10 上位機分析軟件界面圖

為驗證測試系統結果的準確性，以谷-丙轉氨酶ALT為分析對象，將網絡化生化分析儀分別與托馬氏I型分析儀進行測試對比。其中試劑選用美國貝克曼公司生產的ALT（GPT）reagent kit，血清為無溶血酶分析血清。網絡化生化分析儀中的試劑和血清比為10:1，平衡反應時間為90 s, 檢測反應時間為60 s，波長339 nm，溫度30℃。托馬氏I型分析儀的波長同樣為339 nm，溫度30℃。6個樣品分別裝在6個10 mm光徑的方形光電比色池中，每個比色池裝有25 mL血清和1mL試劑，最終測試結果比對，見表1。

表1 谷-丙轉氨酶ALT對比測試結果

表1的測試結果顯示，網絡化生化分析儀的測試結果與托馬氏I型分析儀的測試結果，相關性優于85%。

4 結論

結合人體體液透光度分析和ARM嵌入式技術，設計了基于STM32的網絡化生化分析儀。系統采用STM32F103VB實現對體液樣本的透光度分析，并采用CAN通信技術實現了生化分析數據的分布式采集和集中式管理。基于STM32的網絡生化分析儀成本低，服務設施靈活，性能穩定，能滿足樣本一致性檢測和遠程數據分析的要求，可應用于基層醫療單位。

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