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

摘要：人體體液的生化指標(biāo)是臨床的重要參考資料，在疾病診斷和治療上有著非常重要的意義。本文介紹了以單片機(jī)C8051F350為核心設(shè)計(jì)的干式生化分析的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)集信號(hào)采樣、信號(hào)調(diào)理、光源選擇、條碼掃描、自動(dòng)溫控等功能于一身，能夠準(zhǔn)確、快速、方便的完成對(duì)多項(xiàng)生化指標(biāo)的檢測(cè)。經(jīng)過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明，使用方便、快捷．具有較高的使用潛力和價(jià)值。
關(guān)鍵詞：C8051F350；微弱信號(hào)；條碼掃描；自動(dòng)溫控

    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，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CIP51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，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。

    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)Rt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。

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℃。

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?？梢酝ㄟ^(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(mǎn)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。

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)。

    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(mǎn)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，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)。
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(lèi)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。