生化分析儀數據采集系統的設計

李新，楊勇

（沈陽工業大學 遼寧 沈陽110870）

生化分析儀數據采集系統的設計

李新，楊勇

（沈陽工業大學 遼寧 沈陽110870）

針對生化分析儀數據采集電路龐雜與計算繁瑣等問題，提出了多路自動增益控制光電轉化電路，并給出具體的分析與計算。在此系統中可變增益互導放大器在光學系統中實現最大的動態測量范圍，利用多路復用開關精簡電路結構并實現12路信號統一濾波和放大。經過濾波和放大的電壓信號通過集成高精度ADC的高性能處理器進行處理和傳輸，提高的采集系統的集成度與穩定性。通過對測試數據的處理和分析，光度計的吸光度線性范圍，準確性、穩定性與重復性滿足行業標準。

生化分析儀；光電比色計；互導放大器；自動增益控制

光電比色計是生化分析儀當中的核心裝置，其準確性和穩定性關系到整個機器的運行。在以往的光度計中通常將光電轉化器件與電流電壓轉化器做在金屬屏蔽層之內，將放大器轉化的電壓信號直接輸出給生化分析儀的核心控制部分。由于分析儀體積較大，電壓信號需要傳輸很長的距離，在傳輸過程容易受到電機運行等強電流高電壓的部分的干擾。此外，光度計的供電與系統的核心控制部分電壓不同而需要額外的電壓轉換才能工作，增加了供電系統的復雜性與成本。

隨著半導體技術的不斷發展，芯片的種類和性能不斷提升，文中采用現今性價比更高的芯片將整個采集系統集成到光度計的金屬屏蔽層之內，數據最終以數字信號的方式進行傳輸提高抗干擾能力。將光柵、光電二極管陣列、電流電壓轉化器、多路選擇器、濾波與增益調整電路、模數轉化與數據發送等部分統一集成到金屬屏蔽層之內［1］。整個系統的供電電壓為正負5 V，與生化儀核心控制部分的電壓相同，從而簡化儀器供電系統。

1 光電轉化電路的穩定性設計

為符合生化檢測的要求光電二極管陣列采用濱松S4114-46Q［2］，共有46個檢測單元，每個單元面積為3.96mm2，有效波長輸入范圍為190～1 000 nm，峰值波長800 nm。

圖1 光電二極管的等效電路

如圖1所示，IL為入射光產生的電流，Cj為結電容，Rsh為分流電阻，Ci為輸入電容。虛線框內為光電二極管的等效電路，后面的I/V轉換器將電流轉化成電壓。若放大器為理想的放大器則有［3］：

式中：VO為運算放大器的輸出電壓；IR為光電器件的輸入電流；Rf為反饋電阻。等式（1）成立的條件是放大器的偏置電流為0，但由于放大器的不是理想的其偏置電流只能是接近于0，所以要選擇輸入偏置電流極低的放大器，輸入偏置電流應遠小于光電器件產生的電流。這里放大器選擇 AD549，其偏置電流為 fA級，而光電器件產生的電流為 nA級滿足系統需求。由于光電比色計的光柵產生的單色光波長是不同的，意味著光的能量不同導致產生電流的能力不同，所以應該針對每個波長的單色光都應有相應的Rf，最終使輸出電壓的值都在一個合理的范圍之內。

光電二極管的直流源并非理想的直流源而是夾雜著直流噪聲。這樣由于光電二極管結電容，放大器共模與差分電容以及其他板上寄生電容的存在，可與反饋電阻Rf在放大器的傳遞函數中產生極點，從而導致系統不穩定。因此在反饋電路引入一個電容，它會在傳遞函數中產生一個零點，補償上述極點的影響。隨著電容的增加放大器的閉環反饋會隨之減弱，實現大約45°的相位裕量使系統穩定。Cf的值可由下式計算：

其中fu為放大器的單位增益帶寬。較小的Cf值可以獲得較小的相位裕量和較高的帶寬，但這會導致輸出不穩定。系統必須在最壞的情況下保持穩定，由于輸入信號頻率較低，接近于直流，因此選擇的反饋電容10 pF，此時系統能夠工作的實際帶寬可由下式計算：

滿足此光學系統的頻率需求。12路波長對應的Rf、Cf的值如表1所示。

表1 波長與Rf、Cf的對應關系

光電信號放大器主要噪聲來源：運放的輸入電壓噪聲、自身輸入電流噪聲、反饋電阻的約翰遜噪聲［4］。反饋電阻的約翰遜噪聲：

自身輸入電流噪聲：

輸入電壓噪聲：

其中en為AD549的電壓噪聲密度，GBP為增益帶寬積，Ccm、Cdiff分別為共模與差分電容。

放大器的噪聲帶寬遠大于信號的帶寬，增加帶寬不會起到任何好處反而增加的噪聲，所以我們可以在輸出端額外增加 16 kHz低通濾波器使電壓噪聲從 78μVrms降低到11μVrms?？傠妷涸肼暱山档偷?2μVrms。

2 程序控制增益電路設計

由于需要轉換的光電信號有12路之多，如果為每一路信號分別進行放大處理，雖說可以提高A/D速度，但機器運轉速度的瓶頸是機械系統以及生化反應的響應速度。這里使用多路選擇器來實現每一路信號的依次轉換來簡化整個電路。如圖2所示，12路電壓信號經過多路選擇器ADG706選擇后，通過低通濾波器作為放大器OP07的輸入。放大電路采用雙數字電位計AD5144A，A1、W1與A2、W2為兩個可編程電阻，通過處理器I2C接口控制兩個數字電位計阻值的比值來實現對每一路光電信號的自動增益控制。

在本系統中，由于設計指標要求吸光度的分辨力達到0.000 1，即要求的數字量能夠反應出吸光度的最小值為0.000 1根據吸光度計算公式

式中：I0為入射光強度；I為出射光強度。

將入射光強度與最小吸光度出射光強度轉化成ADC的數字量則有

解得n＞=13，則ADC的分辨率至少為13位。如圖3所示，ADUCM360處理器片上集成4kSPS、24位ADC用于模擬信號的轉換，滿足系統需求［5-6］。通信接口UART將采集到的數據發送給PC機，I2C接口用于電位計阻值的控制，5個普通I/O用于多路選擇器的控制，SBW接口用于系統的調試與仿真。

3 數據采集系統的軟件流程

由于12路光電轉化電路所產生的電壓幅值有所區別，對不同通道的光電信號的放大應該采用不同的放大倍數。通過處理器對電位計的調整使得每一路的電壓幅值正好達到ADC輸入的最大動態范圍。其程序控制過程如圖4所示。

首先，微處理器對系統進行初始化，包括ADC，電位計與多路選擇器。通過控制多路選擇器的控制選擇我們需要轉換的波長，測量在光強最大時刻ADC的輸入電壓判斷是否達到ADC的輸入的最大動態范圍。如果不是，繼續調整電位計改變電壓增益使輸入電壓滿足要求。其次，處理器對信號的電壓進行相應時間點的采集，將數據保存在緩沖區等待發送。最后，所有的需要采集的數據全部送入緩沖區后將數據通過串口進行發送。

圖2 多路選擇器、濾波與增益調整電路

圖3 模數轉換、數據發送電路

4 實驗結果與數據處理

4.1 吸光度線性范圍測定

行業標準要求［7］：相對偏倚在±5%的范圍內的最大吸光度應不小于2.0。

檢測以分析儀483 nm波長，橘紅G色素原液進行線性范圍測定［8］，色素原液的吸光度應比分析儀規定的吸光度的上限高5%左右。

圖4 程序控制流程

用相應的稀釋液將色素原液按0/10，1/10，2/10，3/10，4/ 10，5/10，6/10，7/10，8/10，9/10，10/10的比例稀釋，共獲得11個濃度梯度。在分析儀上，測定上述溶液的吸光度，每個濃度測5次，計算平均值。以相對濃度為橫坐標，吸光度平均值為縱坐標，用最小二乘法對0/10，1/10，2/10，3/10這4個點進行線性擬合，按照式（10）計算后5-11點的相對偏倚Di。

式中：Ai為某濃度點實際測定的吸光度的平均值；a為線性擬合的截距；b為線性擬合的斜率；ci為相對濃度。

表2 波長為483 nm時測量橘紅G的吸光度的結果

根據如表2所示的實驗結果可知，光度計線性范圍符合要求。

4.2 準確性測定

行業標準要求：吸光度為0.5時，允許誤差±0.025；吸光度為1.0時，允許誤差±0.07。

檢測以蒸餾水作參比，在分析儀上測定340 nm處吸光度分別約為0.5（以蒸餾水為空白，允許偏差為±5%）和1.0（以蒸餾水為空白，允許偏差為±5%）的重鉻酸鉀標準溶液的吸光度［9］。重復測定3次，計算3次測量值的算術平均值與標準值之差，應符合行業標準。

表3 吸光度準確性檢測結果

根據如表3所示的實驗結果可知，光度計準確性符合要求。

4.3 穩定性測定

行業標準要求：吸光度的變化應不大于0.01。

檢測方法是在儀器上檢測波長在640 nm處吸光度為0.5的硫酸銅標準溶液的吸光度［10］。每隔30 s讀取一次光強值，計算一次吸光度，總共的檢測時間為10分鐘，最后計算最大值與最小值的差值，差值應不大于0.01。

表4 生化分析儀連續重復測量20次該溶液的吸光度的結果

如表4所示的實驗結果，最大值0.487，最小值0.483。0.487-0.483=0.004＜0.01，光度計符合要求。

4.4 重復性測定

對分析儀的340 nm波長進行吸光度重復性測定。340 nm的測定溶液為吸光度為1.0的重鉻酸鉀標準溶液，溶液的加入量為分析儀標稱的最小反應體積；30 s檢測一次，總共10分鐘20次。計算變異系數CV應不大于1.5%。

變異系數計算公式

式中：Xi為每次的實測值；為1～20次的算數平均值；n為重復測定過的次數。

表5 生化分析儀連續重復測量20次該溶液的吸光度

將如表5所示的數據代入式（11）可得，CV=0.898 5%，光度計重復性符合要求。

5 結 論

為了解決生化分析儀數據采集系統電路龐雜與計算繁瑣等問題，通過具體的分析與計算，設計并實現了多路自動增益控制光電轉化電路。利用帶有高精度［11］ADC的微控制器對轉化電路的電壓進行采集和發送，簡化采集系統的復雜度并增加其穩定性。該采集系統已經應用到生化儀設備當中，經過實際測試該系統的吸光度線性范圍［12］，準確性、穩定性與重復性可以達到行業的標準要求。

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Design of the biochem ical analyzer data acquisition system

LIXin，YANG Yong
（Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In view of the biochemical analyzer data acquisition circuit was so large and the calculation of the system was confused，the multiplex automatic gain control photoelectric conversion circuit was put forward，detailed analysis and calculation was given.In this system，programmable-gain transimpedance amplifiersmaximized dynamic range，multiplex switch was used to simplify circuit structure and realizese the unity of No.12 signal filtering and amplification.The voltage signal that was filtered and amplified was processed and transmited though high-performance processor integrated high precision ADC.Itwas to improve the acquisition system integrity and stability.Through the test data processing and analysis，the photometric absorbance linear range，accuracy，stability and repeatability aremeet industry standards.

biochemical analyzer；photoelectric colorimeter；transimpedance amplifier；automatic gain control

TN29

A

1674－6236（2016）20-0113-05

2015-10-14 稿件編號：201510084

李 新（1974—），男，遼寧鐵嶺人，博士，副教授。研究方向：半導體傳感器及其外圍線路設計。