（生物医学工程专业论文）干化学全血alt定量检测仪器的开发.pdf

中文摘要 首先，根据需求分析列出系统功能，画出系统框图，进一步做系统架构分析， 将整个系统划分成若干个大的模块，并分别细化各大模块的实现。 其次，根据系统架构分析，设计各大模块的硬件电路及相应的软件控制，主 要包括信号处理电路、步进电机控制电路、温度控制电路、o l e d 显示电路、光 路控制电路。本设计采用n x pl p c 2 2 1 4 ( 基于a r m 7 架构) 为核心控制芯片， 系统光源采用高亮度的双波长发光二极管，一个为检测波长，一个为参考波长， 参考波长可以消除背景光的干扰，使系统具有更强的抗干扰性。此外系统可以通 过串口将检测数据送至上位机软件，做进一步的数据分析。软件的设计配合硬件 的支持，准确的控制硬件的各个模块之间的协调关系，完成整个测试过程，并选 择正确的方法对采集到的数据进行有效性分析，从而得出准确的结果，并呈现给 用户。 最后，对本系统功能做初步的评价，对5 个标准浓度h 2 0 2 的质控液做检测， 检测后对数据进行分析，结果显示标准液浓度与光反射强度有着良好的相关性， 系统测试的结果能够达到预期的要求。 系统的创新点为：采用步迸电机作为运动驱动部件，仪器更具小型化特点， o l e d 主动发光屏显示，恒温控制机制。 关键词：a l t 、m c u 、l e d 、o l e d 、试纸条 i i a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n to f a l ti nw h o l eb l o o d au a n t i t a t i v ea na l y z e ri nd r y _ c he m i s t r y 一 l_-。 m a j o r ： n a m e ： b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g y u q i a n g s u p e r v i s o r ：h eq i e a ia s s o c i a t ep r o f e s s o r a b s t r a c t a l tw h i c hi sa l s ok n o w na sa l a n i n ea m i n o t r a n s f e r a s ew i d e l ye x i s t si nm o s t o r g a n st i s s u e so ft h eb o d y i nt h el i v e r , h e a r t , k i d n e y , p a n c r e a s ，b r a i n , l u n g ，m u s c l e ， b o n ea n do t h e ro r g a nt i s s u e s ，t h e r ea r ed i f f e r e n tl e v e l so fa l t , b u tm o s to fa l ti si n l i v e r i tm a i n l ye x i t si nt h ec y t o p l a s mo fl i v e rc e l l s a st h ec o n t e n to fa l a n i n ea m i n o t r a n s f e r a g ei nt h ew h o l el i v e ri sa b o u tl0 0t i m e s m o r et h a nt h a ti nb l o o d ，i fa l lr e l e a s i n ge n z y m e sr e m a i na c t i v e ，a sl o n ga s1 o ft h e l i v e r c e l l sn e c r o t i z e ，i ti ss u f f i c i e n tt oi n c r e a s et h ea c t i v i t yo fs e r u mb y1t i m e b e c a u s et h ec o n t e n to fa l a n i n ea m i n o t r a n s f e r a s ei nt h ew h o l el i v e ri sa b o u t10 0 0o r 5 0 0 0t i m e sm o r et h a nt h a ti ns e r u m ，t r a n s a m i n a s ei nl i v e rc e l l sm a ya l s op e n e t r a t e s i n t ot h eb l o o d t h e r e f o r e ，t h ea c t i v i t yo fa l ti ns e r u mi sas e n s i t i v ei n d i c a t o ro f i n j u r i e dl i v e rc e l l s a l tq u a n t i t a t i v ed e t e c t i o np r o v i d e sa l li m p o r t a n tb a s i sf o rd o c t o r s c l i n i c a ld i a g n o s i s t h ed e t e c t e dm e t h o d so fa l ti n c l u d ed r yc h e m i s t r ya n dw e t c h e m i s t r y t r a d i t i o n a lw e tc h e m i c a la n a l y s i sc a ng i v ea c c u r a t eq u a n t i t y , b u ti t s d e w i o nt a k e ss ol o n gt i m ea n di t ss u p p o r t i n gm a c h i n eh a v eal a r g ev o l u m e a l t h o u g hd r yb i o - e h e m i c a ld e t e c t e dt e c h n o l o g ys t a r t e dv e r yl a t e ，i td e v e l o p e di nf a s t s p e e d i nc o n t r a s t t ow e tc h e m i s t r y , b e c a u s eo fi t s s i m p l e ，r a p i dd e t e c t i o n , t r a c e s e n s i t i v e ，n op o l l u t i o na n de a s yt ok e e pa n dc a r r y , w h i l es u p p o r t i n gs m a l l s c a l e a n di n t e l l i g e n tt e s t i n ge q u i p m e n t ，m a k ei tat r e n dt or e p l a c ew e tc h e m i c a ld e t e c t i o n f o re m e r g e n c y , m e d i c a l ，d i s e a s es c r e e n i n g ，h e a l t hm o n i t o r i n ga n ds oo ni nt h ew o r l d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r i c a lb a c k g r o u n do fa l tt e s t ，a n a l y z e st h e i l l d e v e l o p m e n t a n dc u r r e n ts t a t u so ft h ep r o j e c t , a n dd i s c u s s e st h ep r a c t i c a la n dc l i n i c a l s i g n i f i c a n c et od e v e l o pd r yc h e m i c a ld e t e c t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mb u i l d so nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fe x i s t i n g f o r e i g na l tq u a n t i t a t i v ed e t e c t o r , a n du s e sm o d e mo p t i c s ，e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r sa n d o t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g yt od e v e l o pas t r o n gf u n c t i o n , a c c u r a t e ，s i m p l e ，i n e x p e n s i v e ， a n ds u i t a b l ef o rav a r i e t yo fo n s i t ed i a g n o s i s f i r s t , i tl i s t st h ef u n c t i o no fs y s t e ma c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h en e e d s ，d r a w s t h es y s t e md i a g r a m ，a n df u r t h e rm a k e sa n a l y s i so ft h es y s t e ma r c h i t e c t u r et od i v i d e t h ew h o l es y s t e mi n t os e v e r a ll a r g em o d u l e s ，a n dm a k e sd e t a i l so ft h em a j o rm o d u l e s n e x t , i td e s i g n sm a j o rh a r d w a r em o d u l e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ec o n t r o l a c c o r d i n gt os y s t e ma r c h i t e c t u r ea n a l y s i s h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e ss i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t , s t e p p e rm o t o rc o n t r o lc i r c u i t ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，o l e dd i s p l a y c i r c u i t , o p t i c a lc o n t r o lc i r c u i t t h i sd e s i g nu s e sn x pl p c 2 2 14 ( b a s e do na r m 7 a r c h i t e c t u r e ) a sc o r ec o n t r o lc h i p ，a n dl i g h ts o u r c ei sd u a l - w a v e l e n g t hh i g hb r i g h t n e s s c o l dl e d ，o n ea sd e t e c t e dl i g h t , o n ea sr e f e r e n c e dw a v e l e n g t h , t h er e f e r e n c e d w a v e l e n g t hc a nr e m o v et h ei n t e r f e r e n c eo fb a c k g r o u n dl i g h tt om a k et h es y s t e mh a v e s t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c e i tc a na l s os e n dd a t at op ct h r o u g hs e r i a lp o r tt od om o r e d a t aa n a l y s i s s o f t w a r ed e s i g nw i mh a r d w a r es u p p o r ta c c u r a t e l yc o n t r o l st h e c o o r d i n a t i o na m o n gt h ev a r i o u sm o d u l e so fh a r d w a r et oc o m p l e t et h ew h o l et e s t i n g ， a n ds e l e c t st h ec o r r e c tm e t h o dt od ov a l i d a t e da n a l y s i so fc o l l e c t e dd a t a i t g e t s a c c u r a t er e s u l t sa n ds h o w si tt ot h eu s e l l a s t , i tm a k e sap r e l i m i n a r ya s s e s s m e n tf o rt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m i tt e s t s f o u rs t a n d a r dc o n c e n t r a t i o no fh 2 0 2 ，a n da n a l y z e st h ed a t aa f t e rt e s t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ec o n c e n t r a t i o na n dt h er e f l e c t i n gi n t e n s i t yo fl i g h th a v eag o o dc o r r e l a t i o n i t h a sb e e np r o v e db yt h et e s tt h a tt h es y s t e mc a nr e a c he x p e c t a n ta i m t h ei n n o v a t i o no ft h es y s t e mi s ：u s i n gs t e pm o t o ra sd r i v i n gp a r t , s m a l l s c a l e f e a t u r e s ，o l e ds c r e e ni na c t i v el i g h t , c o n t r o l l i n gm e c h a n i s mi nt e m p e r a t u r e k e y w o r d ：a l t 、m c u 、l e d 、o l e d 、t e s ts t r i p i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 巩 日期：加汐年艿月( 7 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：辛叛 新虢吃辑砑 日期：矽口年易月刁e t 第章前言 1 1 概述 第一章前言 a l t 也称作谷丙转氨酶，广泛存在于机体内各器官组织中，在肝、心、肾、胰、 脑、肺、肌肉、骨骼等器官组织细胞中，都含有不同程度的a l t ，但以肝脏含量为 最多，主要存在于肝细胞浆中【1 翻。 a l t 主要代谢功能是可以催化丙胺酸和a 酮戊二酸可逆转换成丙酮酸和谷 氨酸。当肝细胞受损时，大量的a l t 就会释放进入血液循环系统中1 3 4 】。由于整个 肝脏内转氨酶含量约为血中含量的1 0 0 倍，如果释放的酶全部保持活性，只要1 的肝细胞坏死，便足以使血清中的酶活性增加l 倍。又由于肝细胞内转氨酶浓度 比血清高1 0 0 0 , - - 一5 0 0 0 倍，肝细胞内转氨酶也可由于此种浓度差而渗透到血液中。 因此，血清转氨酶活性是肝细胞损伤的敏感指标。因此a l t 对于肝功能的诊断具 有十分重要的意义【洲。 谷丙转氨酶的检测方法包括干化学检测和湿化学检测，传统的湿化学检测法 虽然定量准确，但检测时问长，配套的生化分析仪器体积庞大，谷丙转氨酶的干 式生化检测技术虽然起步较晚，但干化学检测法的发展十分迅速，与湿化学检测 法相比，由于干化学检测法操作简便、检测快速、微量敏感、无污染及试纸易保 存携带，同时配套的检测仪器具有小型化和智能化的特点，使得在全世界范围内 的急诊、体检、疾病筛查、保健监测等生化检测方面有取代湿化学检测法的趋势 【8 9 1 o 干化学谷丙转氨酶( a l a n i n et r a n s a m i n a s e a l t ) 检测法包括相应的试纸条及 配套的检测仪器可以广泛的应用于临床，对患者肝功能测试以及对献血者的血液 筛选。对于大样品量测试和小样品快速测试均经济适用，满足基层医院和中心医 院的不同层次需求1 9 j 。 目前，对血液中的a l t 活性的测试是已作为一个常规的重要指标，转氨酶的 活性可以反映肝功能的状况，但在我们国家只有在县级以上的医院才可以对 第一章前言 越j 的活性进行测试，而且周期长，费用高，主要因为医院对转氨酶的检测采用 大型生化分析仪，大型生化分析仪价格非常之昂贵，县一级以下的医院因为门诊 量相对少，所以这部分医院选择不对转氨酶进行检测。然而，干化学a l t 检测的 发展使基层医院对转氨酶的检测成为可能，干化学a i 肌式剂条在测试过程中具有 操作简便、容易使用、费用低廉的特点，方便携带，承担了实验室的职能但又无 需传统的医院实验室设备，无液体污染处理要求，可直接焚烧，降低生物污染风 险和处理成本，非常适合在基层医院和血站中使用，可以不受时间、地点限制、 2 4 d x 时全方位为病人服务。同时，及时操作，更快的得到实验结果，降低资源的 占用，缩减社会的医疗成本，让那些无需进一步治疗的病人减少支出，释放社会 不必要的医疗占用，使医院能救治更多的病人。 1 2 干化学a l t 检测国内外进展及意义 国外血液干化学分析仪发展较早，源于2 0 世纪7 0 年代，8 0 年代后期进入了快 速发展期。在美国，干化学快速分析和检测设备的开发，一直得到美国军方和航 空航天部门的大力资助。目前，国外干化学分析仪的生产厂家主要集中在美国柯 达、强生、瑞士r o c h e 和日本京都等大公司。这些公司的产品虽然实现了定量检 测，但是价格十分昂贵，而且除了r o c h e 推出了便携式检测仪之外，其它公司的 产品体积较大，不宜携带，尤其不适合于现场的诊断。 国内干化学研究相对于国外来说起步比较晚，甚至只能说处于起步阶段，国 内只有为数不多的几家公司有a l t 干化学试纸条的研发能力而且基本上都是以 目测作为主要的检测方式，没有配套的定量检测仪器，属于定性检测，仅凭借肉 眼观察对比颜色变化，易受主观影响，目前国内只有艾康生物技术有限公司有配 套的定量检测仪器。 应用干化学技术实现的a l t 试纸条干化学分析法，广泛应用于无偿献血初 筛，急诊化验、以及各种体检场合，主要包括以下几个方面： a ) 无偿献血初筛：实际献血人数在1 0 0 0 万人次左右，随着无偿献血事业的发 展，因脂肪血和a l t 引起的血液报废日益受到人们的关注和重视。为减少因脂肪 血和a l t 不合格的血液报废，全血快速a l t 干化学法筛检由于其体积小，操作简 2 第一章前言 易，试纸条有效期长、易保存、测试速度快，已逐渐开始应用于街头无偿献血i l l 】。 b ) 急诊化验：目前全国门诊医疗的年需要量4 2 3 7 6 4 亿人次。急诊占总量的 4 6 。即急诊需要量为1 7 亿人次。 c ) 体检：在很多入职入校等体检中，需要做一些要求速度快，项目单一的 检测。如高考体检、幼儿园入园体检、组织食品、公共场所、饮用水行业从业人 员健康检查。 d ) 家庭及运动训练场所：干化学分析技术由于方法简便、快速、无污染及 试纸易保存携带，所以其逐渐应用于长期疾病的监测保健和为运动训练提供科学 训练的依据。 我国卫生部规定，血清中a l t 的检测是献血者健康体检必查项目之一，同时规 定献血者的血液a l t 检测方法采用赖氏法或全自动生化仪的速率法。但这两种方 法存在的主要问题是赖氏法耗时长，准确性差，受主观因素影响大。而速率法虽然 准确，但仪器庞大，价格昂贵，需专业人士操作。面对现在街头无偿献血者因血清 a l t 含量高造成大量不必要的献血和血液浪费问题，非常有必要建立一种快速灵 敏、准确方便的a l t 检测方法，这将对开展血清中a l t 研究和“窗口期”肝炎预防具 有非常重要的现实意义f 1 2 。引。 由此可见，面对广泛的现场诊断及基层医院a l t 检测强大的市场需求，研 制出一种定量检测、操作简便、价格低廉、并且便携的新型干化学分析仪及配套 a l t 试纸条已经变得十分有必要，同时应立足振兴民族产业，着眼于无偿献血初 筛a l t 检测的需要和更广泛基层医院的需求，加快追赶国外先进技术的步伐。 1 3 课题内容 本文借鉴现有的国外谷丙转氨酶定量检测仪的成功经验，采用现代光学、电 子、计算机等先进技术开发出了一种功能强、定量准确、操作简单、价格低廉的、 适应于各种现场诊断的谷丙转氨酶定量检测仪器。 首先，根据需求分析列出系统功能，画出系统框图，进一步做系统架构分析， 将整个系统划分成若干个大的模块，并分别细化各大模块的实现。 其次，根据系统架构分析，设计各大模块的硬件电路及相应的软件控制，主 要包括信号处理电路、步进电机控制电路、温度控制电路、o l e d 显示电路、光 第一章前言 路控制电路。本设计采用n x pl p c 2 2 1 4 ( 基于a r m 7 架构) 为核心控制芯片， 系统光源采用高亮度的双波长发光二极管，一个为检测波长，一个为参考波长， 参考波长可以消除背景光的干扰，使系统具有更强的抗干扰性。此外系统可以通 过串口将检测数据送至上位机软件，做进一步的数据分析。软件的设计配合硬件 的支持，准确的控制硬件的各个模块之间的协调关系，完成整个测试过程，并选 择正确的方法对采集到的数据进行有效性分析，从而得出准确的结果，并呈现给 用户。 最后，对本系统功能做初步的评价，对5 个标准浓度h 2 0 2 的质控液做检测， 检测后对数据进行分析，结果显示标准液浓度与光反射强度有着良好的线性关 系。 本文详细论述了干化学a l t 定量检测仪器的测试原理，实现的硬件电路，软 件的设计方法，系统各个模块的功能及实现方法。 4 第二章干化学a l t 定量的检测原理 第二章干化学a l t 定量的检测原理 2 1 测试原理 该干化学a l t 定量检测仪器是基于酶促反应原理和光的吸收反射原理，采 用双波长单色冷光源作为检测光和参考光，使用该检测仪器配套的干化学试纸 条，可以在2 r a i n 内准确的测量出血液中a l t 的含量，达到o 到1 0 0 0 u 几内的浓度 区分，浓度分辨率为0 1 u f l 。 2 1 1 试纸条 干化学( d r ye h e m i s t r y ) 3 乙称干试剂化学( d r yr e a g e n tc h e m i s t r y ) ，指的是将一项 测定中所需的全部或部分试剂成分固相在具有一定结构的反应装置试剂载 体中，当液态样品加到载体上，样品中的水份将载体上的试剂溶解后，在潮湿状 态下与样品中的待测成份发生反应，完成测定的全过程或部分环节，最后检测显 示在载体上的反应信号变化【h 】。 a l t 干化学试纸条主要用于测试血清中a l t 活性，试纸条的制备采用多层膜 结构，其中的膜为选择透过性膜即反应需要的成份可以透过该膜，其它不需要的 血液成份将其隔在膜外不允许透过，使被测试的血清( 全血) 均匀的通过分散膜 后与试剂膜接触产生化学( 生物学) 反应，产生颜色的改变，颜色的深浅与被测 试血清中的测试物质浓度存在一定对应关系，从而判断被测样品中a l t 的浓度。 图2 1 干化学试纸条 第二章干化学a l t 定量的检测原理 2 1 2 测试原理 在试纸条的加样区加入约3 0 9 l 的血液样本( 指尖血) ，血液样本经过多层 膜的选择透过后，待测成份渗透到反应区，与固相在膜上的试剂发生酶促反应， 最终显现为颜色的变化，血液样本中a l t 浓度含量的不同体现为反应完成后反应 区显现的蓝色的深浅不同，颜色越深，a l t 成份的浓度越高，吸收的光量值越大， 反射光量值越小；反之，颜色越浅，光的反射率越大。也就是说，颜色的深浅与 光的反射率成比例关系，而颜色的深浅与血液中a l t 的浓度成比例关系，所以只 要测得样本对光的反射率即可求得血液样本中a l l 成份的含量【1 5 1 6 1 。 该分析仪器采用双波长冷光源对血液样本进行测定，波长分别6 8 0 r i m ，7 2 0 n m 两种单色的l e d 光源，其中6 8 0 n m 为检测波长，7 2 0 n m 为参考波长。系统在检测 过程中分别用两种波长的光对检测区域进行扫描，光电管将反应区反射的光信号 转换成电信号，此时得到的电信号是非常微弱的且伴随有噪声，需要经过进一步 的处理，c p u 通过a d 分别采集检测波长和参考波长反射转换的电信号得出反应 区的反射率，基本公式如下： r ：a t - a c( 2 1 ) 反射率 彳t 一一- 检测区对检测光的反射光强 彳c 检测区对参考光的反射光强 空白检测区对检测光的反射光强 2 1 3 检测光和参考光的选择 血液中a l t 成份浓度与反应完成后反应区显现的颜色有一定的对应关系，而 颜色的变化又直接影响了单色光的反射光强，那么同一波长的光照到不同浓度血 液样本的反应区后反射光强也不同，同样不同波长的光照到同一浓度血液样本的 反应区的反射光强也不同，因此检测光和参考光波长的选择对系统的检测精度有 着重要影响。 如图2 2 ，为波长与反射值的曲线关系图，横坐标为测试的波长，纵坐标为 反射率，每一条曲线对应一个浓度的血液样本，由曲线可知，同一浓度的反应区 对不同波长的反射光强不同，不同浓度对同一波长的光的反射光强也不相同，当 6 第二章干化学a l t 定量的检测原理 传感器中加入血液样本后，生成的蓝色底物在6 8 0 n m 处出现了特异性吸收峰，并 且随着样本中a l t 浓度的增加，传感器敏感膜蓝色加深，光吸收增强，波长6 8 0n m 处反射值逐渐降低，且对各种浓度有良好的区分度，这说明本光学生物传感器在 6 8 0 n m 处分辨率最好，灵敏度也最高。而参考波长只要是消除试纸条本体颜色的干 扰，所以应选择各浓度反射值变化很小的波长即在曲线比较平坦且不同浓度的样 本反射光强基本接近的波长，本系统选择波长为7 2 0 n m 的单色光作为参考光源。 卫 趔 接 哒 4 0 04 5 0；5 5 5 06 0 06 5 07 0 0 7 - 5 0 二 图2 - 2 波长反射值曲线 系统光源的设计采用2 对4 个l e d 冷光源，检测光和参考光各两个，且两个同 波长的光对照，双l e d 比单l e d 更容易聚焦在试纸条的反应区，使系统达到更好 的精度。 2 2 仪器的组成及工作原理 2 2 1 仪器的组成 该定量检测仪器主要组成部分包括：光路部分完成光电转换，步进电机驱动， 温度控制，显示器件及各功能按键等部分组成，如图2 3 所示： 7 弱 幅 嚣 。 # 第二章干化学a l t 定量的检测原理 图2 3 系统功能 2 2 2 仪器的工作原理 当试纸条放到载物台后，按下s t a r t 按钮，首先c p u 控制加热片对试纸条 进行加热，加热时间约为2 m i n ，2 m i n 后试纸条反应结束，此时步进电机以4 0 m m s 的速度启动，带动载物台做加速运动进入，当速度达至t j 4 0 0 m m s 时步进电机高速 匀速运动，这一过程是定位过程，当载物台运动到某固定的位置( 光耦作为定位 标准) 开始向外加速运动，到达检测位置后，步迸电机重新开始以4 0 m m s 的速 度开始低速运动，此时光源被点亮发出单色光照射反应区，对整个反应区域进行 扫描检测，整个过程中检测光与参考光交替点亮，测试结束后显示屏显示检测结 果。 8 第三章系统总体设计方案及c p u 的选择 第三章系统总体设计方案及c p u 的选择 3 1a l t 定量检测仪器设计思想 根据仪器本身的检测原理，在做系统设计时应该考虑到以下几个方面： 1 本系统作为一款a l t 定量检测仪器，应该具有定量检测准确，操作简单，维 护方便，价格低廉。 2 作为一款医疗检验仪器，需具备抗干扰能力强，主要是电源方面的设计，功 耗低，符合e m i 、e m c 方面的内容。 3 人机操作界面友好，软件设计容错性强，且具有与上位机进行通讯的功能。 3 2 仪器系统结构 a l t 定量检测仪器的结构原理如图2 3 所示，仪器主要几个部分为： a ) 光学系统：采用单色l e d 发光二极管为光源，日本滨松光电管为光电转 换传感器，将光信号转变为电信号。 ”信号处理单元：将光学系统转换的微弱电流信号变成电压信号，同时去 除其中的干扰和噪声，并对其进行放大处理，方便后端的数据采集。 c ) 运动驱动单元：由步迸电机驱动载物台运动，从而实现对试纸条整个反 应区的检测。 d ) 温度控制单元：实现对试纸条反应区温度的控制，保证反应在需要的环 境下进行。 e ) 显示单元：采用双色的o l e d 屏显示检测结果及检测前的各种参数设置。 f ) p c 接口单元：将检测的数据结果送到上位机软件做进一步的分析。 曲中央控制单元：采用a r m 7 架构的处理器芯片，对系统各个模块进行控 制，保证系统工作的稳定性。 9 第三章系统总体设计方案及c p u 的选择 图3 1 系统结构 由此可见，该定量检测仪器结合了光学、机械、电子等各方面的知识，是一 个相对复杂的测试系统。 3 3c p u 的选择 3 3 1c p u 选型原则 3 2 位a r m 处理器随着处理器技术发展的越来越成熟，片上资源也越来越丰 富，同时价格也越来越低廉，并且考虑该定量检测仪器的检测精度和系统功耗问 题，从而选择采用n x p 的l p c 2 2 1 4 基于a r m 7 架构的处理器芯片，该芯片有1 4 4 脚，引脚资源足够多，处理器速度高达6 6 m h z ，有足够快的响应速度，满足本系 统的资源要求。 3 3 2a r m 7 ( l p c 2 2 1 4 ) 简介 l p c 2 2 1 4 是一款3 2 位a r m 架构处理器，数据处理速度最高可达6 6 m ，采用冯 诺依曼结构，内部结构如图3 2 所示具有高性能低功耗的特性，片上2 5 6 k bf l a s h ， 1 6 k br a m ，含有丰富的外围设备，包括g p i o 、u a r t 、1 2 c 、s p i 、t i m e r 、 i o a d c 、c a n 等。支持r a m 和f l a s h 程序调试， 同时支持l a p 功能，可以实现在应用程序运行 程序烧录有两种方式：j t a g 和i s p ， 时对f l a s h 进行擦除和或编程。 图3 - 2l p c 2 2 1 4 内部结构 可见，l p c 2 2 1 4 有着丰富的片上系统资源，2 叶 t i m e r 分别用于操作系统定 时和步进电机驱动，1 0 位a d c 高达4 0 0 k 的采样率完成光电转换信号及温度反馈 信号的提取，其他控制使用片上外设的通用i o l 2 1 ，完全可以达到该检测仪器的各 方面的要求，而且价格低廉。 第四章系统硬件实现 4 1 光源电路 第四章系统硬件实现 4 1 1 发光二极管简介 5 0 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管 产生于1 9 6 0 年。l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的缩写，它的基本 结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧 树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以l e d 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在p 型半导 体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p n 结。在某些半导体材料的p n 结中， 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从 而把电能直接转换为光能。p n 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称l e d 。 当它处 于正向工作状态时( 即两端加上正向电压) ，电流从l e d 阳极流向阴极时，半导 体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光，光的强弱与电流大小有关1 1 7 l 。 目前，发光二极管可以做成各种波长的单色光，单色性好，从而不需要在光 源的后级加滤光片，发光二极管还具有的寿命长的特性，寿命长达1 0 万个小时， 在寿命期内光的衰减较小，从而保证测量了结果的准确性。发光二极管在本系统 的应用中是采用定时的打开检测，检测完毕之后关闭，这就需要光源具有较快的 响应特性，而发光二极管的响应时间为纳秒级，响应时间短，不需要预热的过程， 完成一次检测只需发光二极管点亮几秒钟的时间，也就相对延长了机器的使用寿 命。红光l e d 达到需求亮度的电流大小仅为十几毫安，其他颜色l e d 电流大小也 仅为二十几毫安，系统使用发光二极管做光源也可以有效地降低系统的功耗。 本系统采用的发光二极管为波长6 8 0 n m 、7 2 0 n m ，该发光二极管稳定性好， 波长单一性好，工作电流为2 0 m a 时，波长最大偏差2 5 n m ，发光管衰减小，使 用寿命长，满足本系统的要求。 1 2 第四章系统硬件实现 4 1 2l e d 驱动电路 图4 1l e d 驱动电路 图中2 对4 个l e d 安装在光路系统模块的四面，两两相对，将光路系统置 于待检测区的上部，检测光和参考光分别成约3 0 0 照射于反应区，检测光和参考 光成对点亮保证了光的强度，反射光经过小孔成像于光电管处，将光信号转换成 电信号。设计中将两两检测l e d 和参考l e d 串联，目的是保证两个发光二极管 光强的一致性。发光二极管的亮灭主要通过c p ul p c 2 2 1 4 的r e d l i g h t 、i r l i g h t 两个输出i o 口进行控制，r e d l i g h t 、i r l i g h t 输出高电平时三极管q 1 8 、q 1 9 导通工作于饱和区，使整个光源电路有电流通过，对应的发光二极管被点亮，相 反，输出低电平时，q 1 8 、q 1 9 断开工作于截止区，整个电源电路不存在电流， 相应的发光二极管也就处于熄灭的状态。其中，r 6 5 、r 6 6 为两个限流电阻，防 止通过发光二极管的电流过大，烧毁发光二极管。 1 3 第四章系统硬件实现 4 2 信号处理电路 4 2 i 光电传感器简介 本系统采用的光电传感器为光电二极管，光电二极管是将光信号变成电信号 的半导体器件。它的核心部分也是一个p n 结，和普通二极管相比，在结构上不 同的是，为了便于接受入射光照，p n 结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小 些，而且p n 结的结深很浅，一般小于l 微米。 光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小( 一 般小于0 1 微安) ，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入p n 结后，把 能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对， 称为光生载流子。 它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大， 反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下， 所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而 且这个电信号随着光的变化而相应变化f 1 8 】。 本系统光源采用的发光二极管的检测及参考波长分别为6 8 0 r i m 、7 2 0 r i m ，因 此光电二极管必须对这两种波长的光有较好的吸收波峰，得到的电流较大，光电 二极管自身的暗电流相对其产生的检测电流就可以忽略不计，因此获得的电信号 干扰成份相对较小，进而能更准确的检测出谷丙转氨酶的含量，基于此要求，本 系统选用的光电二极管光感曲线如图4 2 所示： 董 耋 襄 秀 g 歪 一、 f l o ；蕾 磊l 搿免龟= 摄蕾 ， l 厂。 、 1 。 八 1 、ll 如 r ， f1 f 蟹 、 - - w a v e l e n g t h ( r i m ) 图4 2 光电二极管波长光感曲线 1 4 第四章系统硬件实现 由图中可以看出光电二极管在波长为7 0 0 n m 左右达到最大的吸收波峰，光电 二极管的光灵敏度最高，此时检测结果的分辨率达到最大。 4 2 2 信号处理电路 c 5 8l f l n f v o p 5 图4 - 3 信号处理电路 u 4 3 a 部分的电路构成i v 转换电路，将光电二极管的感应电流转换成电压信 号并放大至a d c 的采集范围内( o 3 3 v ) ，c 5 6 为滤波电容，去除高频信号的干 扰，。运算放大器的输出接到l p c 2 2 1 4 的2 3 脚a n 0 端，a n 0 是a d c 的通道0 ，1 0 位a d ，采样率高达4 0 0 k 。 采用的运算放大器是二合一的低电流偏置的集成运算放大器，常温下，偏置 电流最大1 0 0 p a 如图4 4 所示，偏置电压最大只有5 0 9 v ，具有高开环增益，同时 工作电压为6 2 v - 6 2 0 v 之间，工作电压范围大，放大区范围较宽。 1 5 第四章系统硬件实现 ll 暗 v s = 士1 5 v 、 i v c u = 0 v 一 、 七+ 、 。 、 1 。 - l o s k - 、- 、 一 、 、 图4 - 4 温度输入电流关系曲线 由图可见，在芯片正常的工作温度下，运算放大器工作需要的偏置电流相当 小，而光电转换的电流信号也是小电流，所以如果运算放大器的偏置电流过大， 运放自身损耗电流过多，会导致检测结果不准确，在对小电流信号做放大处理时 必须使用偏置电流小的运算放大器，才能保证结果的可靠性、准确性。 u 4 3 a 部分构成的前端放大电路输输出之间的关系为： y o u t = i p r n ( 4 1 ) 为使输出的电压在a d c 采集范围内，主要是通过调节r 7 8 阻值大小来调节放 大倍数。a d c 通道0 采集的电压值的计算公式为： v d ：v a d c * 3 3 ( 4 2 ) 1 0 2 4 、 蹦为得到的电压值，v a d c 为采集的a d 值 4 3 步进电机电路 本系统要实现对整个反应区域信号变化的检测，因此选择使用步进电机作为 运动驱动部件，带动载物台运动，其中选用的步进电机为东莞世汉电子的两相双 极1 8 。永磁式步进电机，型号为4 s 4 2 q t 1 2 0 3 4 s ，额定工作电压为1 2 v 。4 2 q 系列 步进电机具有步角小、定位精度高，误差不积累、输入功率小，停机后有一定的 1 6 第四章系统硬件实现 自锁能力。 4 3 1 步进电机简介 1 原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载 的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单田】。 2 结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分 别与转子齿轴线错开。 0 、l 3 r 2 1 3 r , ( 相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以t 表示) ，即a 与齿l 相 对齐，b 与齿2 向右错开1 1 3 r , c 与齿3 向右错开2 3 r , a 与齿5 相对齐，( a 就是a ， 齿5 就是齿1 ) 下面是定转子的展开图： 图4 5 定转子展开图 3 旋转： 如a 相通电，b ，c 相不通