（物理电子学专业论文）基于DSP的生化分析仪硬件系统设计.pdf

摘要 本论文主要研究一种基于d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 信息控制处理技术和 窄带分光光度技术半自动生化分析仪的设计过程。 论文首先对生化分析仪常见的几种工作原理作了简要介绍，并洋细 给 n 了本生化分析仪所采用的紫外一可见分光光度计法原理和几种临床 医学中常用分析方法。对于各部分硬件的设计，由于整个系统比较复杂， 输入输出量多，对操作的实时性要求严格。控制系统除了实现对仪器的 实时操作、监控其运行状态外，还要对当前反应杯的多路模j 薹c 信号进行 实时数据采集。透此通过比较两种可行性设计方案后，根据以上特点， 系统的硬件设计选用高性能的d s 嗍s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心控制系统，1 ： 位机采片jp c 机的v b 编程及a c c e s s 数据库，以r s 一2 3 2 串口作为上下机 的通信手段，最后论述了系统最优方案各部分的硬件电路设计以及测量 精度指标的文现。阿时为了达到反应杯的快速、精确温度控制要求，系 统采用j ，应用广泛的p i d 控制算法，由d s p 软件编程实现。同时讨论下 位机d s p 软件的编程思想。 调试结果证明，本系统具有精确的血清和尿液生化项目检验的特 性，对相关课题的研究和实际应用具有一定的指导意义和参考价值。 关键词：生化分析仪d 印p p i o 模数转换精度 窄带分光光度技术 a b s t ra c t t i 世群i p 盯m 咖如击斌碰落器as e m i _ a 删珊n a t i cb i o c h c m i c a l 枞i v 商n g s y s t e mw h i c hi s b 唾i s e do n 曲es i g l l a l p f i n gt h n o l q g yo fd s p 1 m s 3 2 0 l f 2 柏7 a 衄dm 嘲b a n do p 6 c d s p h t 碗h n o l o g v a t f i 峨t b e 删p e r 劬椭i 脯刚e f a l 蛐咖c i 如妇h 瓣o n c n u s e df - o r 恤k o d 缀n i 耐锄蚺嘶g 硝噶t e m s 囊l 证t h 雌i t 西v e sas p o c 语c i n 廿o d u 甜o fu 岫i d 醇v i 蜘l en 咖。嘶c a l s p l “l 啪i n i 钾 h l o 舒砒l d 甄睚峙m 吲山o d so f a l 哟删c “o d 啪“c a ia 眦i v s i sw h i c ha 他 f k q l 圮l ! l l y 抽k c ni nd i l l i 旺lm 。击c a i 靠d d 瞳t h ew 埘es y s t e mi sq l l i t e 洲p “c a 南e da i i dh a sm a r i 珏讲x h 讲i t 讲娃p 艇砌n d 硒f o rh j 玎d 、眦d l e s i 舒r l f u n h c f m o 陀，af 龃l 砸m eo si sa 玳髓s 鲥t y n o t 蚰l vd o 鼯t h ec ls v s t e m n o e dt om 妇吐峙s 呲eo ff h ed i l i i c 缸d 耐o c b | 吐a l s ot i 把s a m 脚eo f m l l l 确蜘n ga 船i o gs i 鲫l si nf e a c t i o nc c 删鼬i 蚶mc ( m l p a i ! i s o nb 叶w n 押of 函i m ed e s i 辨h e m e s ，w es e l a 曲e da l la d v a n c e dc p u d s p l 眦s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h ec o c “e mi nh 习匝d w a r h i r c l i i t hh o s t ( p c ) w eu s c dv 醅明lb 弱i cl a n g u a g ca i 破a c c e s sd a 曲b a 船m a i nd e v e l o n g t 0 0 1 t h er s 2 3 2i sh s e d 熊伍es e 靠a lc o m m l j 酬彻b f i 姆k 姗v e c nt i l e h o s t 姐dt h ec k e l l lj _ nt h i ss v s t e mf i 砌墙吒蛐r yt oi 髓c t i ，t h e 球l p e rs o l v e d s e v e 豫lp 1 1 d b l c m sj n d 删n gm e 勰u 嗍l e n t 删s i 帅a n do p 伍m i z i n gt h e h 剐d w a 唧i r a l i te k s i 9 m i no 出t oo 棚鼬r o l 觚p e 日主i l r eq 妇k i va n d 8 0 c u m t e l yi nf c 锄砸o nc o 捌嚏j j 把a n 剐| v a n da i l dw i d e - s p r e a da p p l j c a t i 伽 t e c m m l o g y - p m t e c h i o g y i s u s e d i n l h i s s y 毗ma n d d s p m a d e 廿地p i d a l g o f i t h mam a l 时i nt t l i s 喇e 吐f i n a l l y 呻簪锄m j n gm e t h o d 蠡阿d s pi n c i j e i 重j si n 删l 船耐i n 廿l i sp a p 既 f r o m1 l i e 托葛；l j ：l to _ fo p e r 觚，恤i si i e wb jo c i h e m i c a la n a l y z i n gs y s t 啪 d i d a 删i o b i n h i o c h e m i 髓i 施m 柏a l y s i s 鼬i n h l ds e 珊蕾e 鲥n g a f l d i nu r i n et e s 畦n g tt h i ss t u d yh 习略as i 班6 啪lo 伽t | _ i b u t i o nt o 啦rp f 蜘e c t s 谢a t e d 趴di 碰湘1 - 口d v ev a l u ef o f 刚i a 船 k e ，啊o r d s = 蹦h 册i la n l i = 膨盯碳谤 p mp m 舢田c o n v e 弭o np 坤c b 五0 l 删咀o s i t y - 融h n o i o 留 m 1 1 引言 第一章：绪论 生化检验是医生确定病人病情的重要手段之一。当病人某些组织发 生病变时，其血液或尿液中的某些成分就会与正常人的指标不一样，医 生以此来确定病情。生化分析仪就是用束检测人体液( 血液、尿液) 的各 种生化指标的分析仪器，它可以准确、快速地为医生和化学检验员提供 检验数据，在临床诊断和化学检验中具有重要作用。 本半自动生化分析仪足基于物质对光的选择性吸收面开发的一种 分析仪器。分光光度法“3 是绝大生化分析仪所采用的一类检测方j ! 盖它 是基于朗伯一比尔定律基础上建立起来的一种常用的分析方法。其原理 是：特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色杯，单色光被吸收的强 度与样品溶液浓度和光通过的距离成正比，光电转换器将透射光转换为 电信号后经信号处理系统处理得到样品溶液的浓度。典型分光光度计 杰 的结构框图如1 1 所示。 图1 1 分光光度计法的结构框幽 1 2 生化分析技术国内外发展状况 生化分析仪是一种涉及到光学、机械、电路、计算机技术、生物化 学、医学检验等多个技术领域的高科技产品。它把临床化学分析过程中 的取样、加样、分配试剂、混合、加温以及分析过程的监控和数据处理、 输船等一系列程序加以自动化的仪器，主要用干对人体体液中n q 各种生 化指标。1 进行检测，并根据生化指标的差异，为医生确定病人病情提供 科学依据。目前，生化分析仪已经成为医疗机构进行临床诊断所必须医 疗仪器之一。自动生化分析仪最早出现于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 7 年t 美国l s k e g g s 旨次介绍的是一种单通道的、连续流动式自动生化分析 仪。7 0 年代中期，南电子计算机控制的生化分析仪器的出现，使得自 动生化分析仪进入了一个崭新的发展时期。近几十年来，随着科学技术 特别是医学科学的发展，各种白动生化分析仪( “t o m a t cb i o c h e n i j c a l a n a l y z e r ) 和试剂( r e a g e n t ) 均得到，很大的发展。 9 0 年代初，日本和德国的生化分析仪最先进入中国市场，而注册 数量最大的足口本和美国。国产生化仪最产注册的厂家是j b 京生化仪厂 ( 1 9 9 6 年) 。随后还有长春光机所、南京分析仪器厂、上海第三分析仪 器厂等，但国内生产的生化分析仪均属半自2 0 0 0 年后才开始出现中、 低档全自动生化仪主要是由合资企业研制丌发的。 目前，国外最先进的生化分析仪和a b s 光度计组件分光技术为： 一、日本京都第一科学公司( a r k r a yt n c ) s p - 4 4 3 0 型干式生化分析仪： 技术参数： 1 匕涵鼠：l e d ( 4 0 5 n m 。5 5 0 n 肺，5 7 5 n m ，6 1 0 n m ，8 2 0 n m ) ： 2 测量方法：反射式测量； 3 分光光度技术：波长窄带技术。 二、欧洲仪器实验室 a b s 光度计组件足一个对o e m 应用完全开放的光度计组件； 技术参数： 1 光源：i f d 或卤素灯； 2 测量方式：透射式测景： 3 分光光度技术：波长窄带技术： 4 波长范围：3 4 0 一9 0 0 n 皿( 3 4 0 衄，8 0 0 n m 为卤索光源，其余 3 6 5 n m ，4 0 5 n m ，4 9 2 n m 。5 0 5 n m ，5 4 6 n m ，5 7 8 n m ，6 2 8 n m ，6 6 0 n m ，7 0 0 n m ，8 5 0 n m ， 9 4 0 n m 全是l e d 光源) ： 5 吸光度范闹：0 o 一3 5 0 d ( 4 0 0 一9 0 0 n 丑i ) ，o o 一3 0 0 d ( 3 4 0 一3 9 9 n m ) ： 6 分辨率 o 0 0 0 10 d ( 0 1i i l ( ) d ) ： 7 温度摔制精度：o 1 。 国内生化分析仪生产厂商也有许多，简单介绍如下： 一、中国电子科技集团公司第四十一研究所a v 6 4 9 5 半自动生化分析仪 光源：卤素灯八波长3 4 0 ，3 8 0 ，4 0 5 ，4 9 2 ，5 1 0 ，5 4 6 ，5 7 8 ，6 3 0 n m ： 分光光度学技术：波长窄带技术； 吸光度：o o o o 2 5 0 0 a b s ； 分辨率：o 0 0 l a b s ； 控温系统：帕尔帖滠控元件，3 7 o 1 。 二、北京东华医疗设备有限公司：b 2 0 0 b 3 0 0 牛化分析仪 光源：卤素灯； 波长范围：3 4 0 一7 0 0 n m ： 分光光度技术：波长窄带技术： 吸光度：o 2 50 d 。 1 ，3 课题背景及主要技术指标与要求 举课题是在长春诺日士医研测器有限公司已有产晶的基础上，采用 光电结合光强窄带分光技术及d s p 设计开发的智能型新一代生化分析 设备，实验研究表明，本系统可实现生化分析仪的系统控制，并且检验 速度快、测景数据准确，所有检验项目均达到指标要求，且p id 【1 ”温度 控制和l e d 技术在国内领先，本系统的研究对我国生化分析仪的发展具 有重要意义。 主要技术参数： 可测项目：肝功、肾功、离子代谢、血脂、血糖、部分血常规、心 肌酶谱、淀粉酶、免疫球蛋白、遗传酶谱、肝瘤肝功酶谱系列、肿瘤标 志物、赢液病类、肝胆病类、代谢产物类、自由基类、酒精中毒类等血 清生化项目的检验。 主要技术指标： 光源( 共八路) ：l ，e 1 ) 波长分别为3 4 0n 册，3 6 5n m ，4 0 5n m ，4 9 2n m 5 0 5n m ，5 4 6n m ，5 7 8n m ，6 2 8n m ，6 5 3 n m ： 测量方式：透射式测量； 分光光度技术：光强笮带技术： 吸光度范围：一o 2 0 0 _ _ 2 5 0 0 a b s ： 分辨率：o ，0 0 0 l o d ； 零点稳定度：o 0 0 1 a l ；i s h ，预热2 0 分钟，观察2 0 分钟； 线性误差：2 0 a b s 内2 ：1 o a b s 内1 ； 交义污染率：1 o ( 1 0 0 m l 进液量) ； 重复性：c v o f 5 ( 1 o o m l 进液量0 6 0 0 a b s 标称测试液) ； 机器综合变异：c v 日 1 ，c v 日目2 ( 1 o o l 进液量) 。 1 4 本文所做主要工作 本论文的是长春诺日士医研测器有限公司已有产品的基础r j ：开发 完成的，主要通过生化分析仪系统所要实现的功能和需要达到的技术指 标对硬件电路系统进行设计。主要工作如卜_ ： ( 1 ) 查阅相关资料，包括因内外生化分析仪发展状况和因内生化检 验的相关指标和规程以及一些重要器件的技术资料。 ( 2 ) 根据生化分析仪的t 作原理和功能，把系统硬件总体分为四部 分，并对每部分进行论证和设计。 ( 3 ) 根据硬件的实现的基本功能结合d s p 进行系统联机调试并进行 改进。 ( 4 ) 分析整个生化分析仪系统的软件设计思想。 本牵小结： 1 首先。本章介绍了生化分析技术的国内外发展状况及研究背景。目前， 国内外厂商大多数仍然采用波艮窄带技术，而我们开发的系统突破了 传统技术，采用光强窄带技术。 2 其次，小章概况了该系统的主要技术指标和要求，以及与其它生化分 析系统相比的优势所在。 3 最后简要介绍了本文所做的主要二 作。 4 第二章：生化分析原理介绍 2 1 生化分析仪常用的分析原理 近年末，随着生物化学，特别足分子生物学的迅速发展，生化仪器 作为生物化学研究个不可缺少的工其，愈来愈显示出它的重要性。生化 仪器已经作为生物化学领域中一个专门的学科一一生化仪器学 ( b i o c h e m i c a li n s t r u m e n t a t i o n ) 日益得到人们的重视和研究。以下介 绍八种常用的生化分析仪分析方法： 1 紫外一可见分光光度计法 它是基于物质对光的选择性吸收而开发的一种分析仪器。分光光度 法是绝大生化分析仪所采用的类检测方法，它是基于朗伯一比尔定律 攮础上建立起来的一种常用的分析方法。其原理是：特定波长的单色光 通过盛有样占占溶液的比色杯，单色光被吸收的强度与样品溶液浓度和光 通过的距离成正比，光电转换器将透射光转换为电信号后经信号处理系 统处理得到样品溶液的浓度。紫外一可见分光光度法是一种灵敏、快速、 准确、简单和具有较好选择件的分析方法。它在分析领域乎的应用已有 5 0 多年的历史，虽然在这段时期内，各种其他的分析方法有很大发展， 但紫外一可见分光光度法仍是当今分析领域应用最广泛的方法之一。许 多新型光谱仪器的诞生，如激光拉曼光谱仪、圆二色仪、荧光和磷光分 化光度汁、原子吸收分光光度计等都是在紫外一可见分光光度法的基础 e 发展起来的。随着新技术、新材料、新元件、新工艺的发展和渗透， 特别足电子计算机的引入，使各种紫外可见分光光度法性能有了很大的 提高，从而促使紫外一可见分光光度计的技术和方法在各种领域得到更 加广泛的应用。紫外一可见分光光度法和分光光度技术与仪器，在分析 化学、分析生化和医学检验个占有更加重要的地位。本生化分析仪就是 基于紫外一可见分光光度计法。 2 荧光分析法 物质由于光的照射丽引起的发光，称为光致微光。光致微光根据 余辉时间的欧短分为磷光和荧光两类。当一种波长的光( 如紫外光) 照射 某种物质时，这种物质会发射出较照射波长长的光( 如可见光) ；而当照 射光停止照射时，这种光线也随之很快消失，这种光就称为荧光。所谓 荧光分析法系指：利用某些物质被紫外光照射后所发生的、能够反映出 该物质特性的荧光，以进行该物质的定性分析或定量分析。该方法的优 点足灵敏度高，选择性强，信息量丰富。不足之处在于许多物质本省不 能发出荧光，而要加入何种试剂才能达到荧光分析的目的和需要研究， 并雕荧光的发生和化合物的结构关系和需要进一步探讨。另外荧光分析 时干扰因素也很多，如光分解，氧淬灭、易污染等。因此荧光分析法应 用不够广泛。 3 柱层析仪器法 色谱泫是利用被测样品的各个组分( 不同物质) 在不同的两相( 固定 相和流动相) 中具有不同的分配系数( 或吸附参数、渗透性等) 这一性质， 从而使不同物质得到完全分离的物理、化学分析方法。当用液体作为流 动丰i = l 时称为液相色谱。液相色i 普法足生化研究中最常用的分离分析方法 之一。而柱层析系统( 仪器) 则是进行液相分离分析不可缺少的装置。这 要系统一般应包括下列仪器：能获得洗脱溶剂按一定要求改变其浓度的 梯度混合器，能驱使溶剂按恒定流速流过柱体的恒流输液泵( 例如蠕动 泵) ；能检测并记录柱体流出液浓度变化的各种检测器以及能定容、定 时或汁滴收集各部分的部分收集器。如再用一台程序控制器( 或微机系 统) 定时地起动和终止上述各部件工作，并控制电磁阀以切换溶剂的种 类及流路，就可按需要的任何方式组合成一套自动( 或半自动化) 的液相 层析装置。 4 高效液相色谱法 高效液相色谱( m g hp e r f o r 眦n c ei ，i q u i dc h r ( ) l i l a t o g r a p h y ) ( 简称 h p i ) 是在原有液相柱层析基础上，引入气帽色谱理论加以改进发展起 来的。它与经典液相柱层析不同处主要在于，后者所厢固定相粒度大 ( 1 0 0 2 0 0 目) ，粒度不匀，装柱后不易均匀致密。液流经过时，引起各 种涡流扩散( e d d yd i f f u s i o n ) 。另外，试样分子在微孑l 区内的传质速度 ( r a t eo f 衄s st r a n s f e r ) 受到影响，降低了分离速度。使色谱区带展 宽。故经典方法足柱效低和分离时问长。而h p l c 主要采用粒度很小的 固定相，相内微孔也很浅，传质速度就可提高，经过精细筛分，粒度范 围狭，使层析柱内的填充床均匀致密，减小了柱内液流的涡流扩散，故 柱效有了很大提高。由于固相粒度很小，要使冲洗液以一定的流速经过 层析柱，就必须用高压输液泵加压。曾用高压液相色谱的作为名称。高 压是手段，高效才是本质，故现在一般用高效液相色谱这个名称。 5 电位分析法 电位分析法是以测量电池的电动势( 从而测量电极电位) 为基础的 定量分析方法。它是以待测溶液作为化学电池的电解质溶液，于其个浸 入两个电极，一个是电极电位稳定小变( 小受试液成份的影响) 的参比电 极：另一个是电极电位与待测成分的活度( 在一定条件下可用浓度代替 活度) 有定量函数关系的指电极。通过测量电池的电动势可测出指示电 板的电极电位，再由指示电极的电位确定待测物质的含量。电位分析法 6 分为直接电位法和电位滴定法两大类型。 由干新型电化学传感器膜电极的出现，制成r 许多种具青良好 选择的指示电极，即离子选择性电极( 缩写为i s e ) ，从而使电位分析法 应用范围广，并发展成为一f 全新的离子选择性电极法。这种方法的主 要持点有： ( 1 ) 选择性好 在许多情况下，共存离子干扰很小故试样大都不必经过专门处理。 ( 2 ) 灵敏度商 特别适于微量成分测定。直接电位法相对检出限一般为1 0 + o 】i 。甚 至可达1 0 。j m 0 1 l ( 3 ) 所需试液或样品少，且可以不破坏试液 一般只需数十微升到数十毫升。 ( 4 ) 分析速度快 数十秒或数分钟内完成。 ( 5 ) 操作简便 易实现连续和自动分析。 ( 6 ) 应用范围广泛 在工农、环保、临床医学、生化、海洋等许多领域中成为主要的测 试手段。 6 酶免疫测定法 酶免疫测定( e n z y 鹏i 姗u n o a s s a y 。e i a ) 是7 0 年代初发展起米 的一项崭新的技术，它的基奉原理是酶标记抗原或抗体，再利用免疫反 应去测定抗原或抗体，其浓度可用酶活力的人反映出来。由于e i a 将抗 原抗体反应的高亲和力、高特异性和酶促反应的高催化力、高灵敏性巧 妙地结合起来，闲而受到广泛的重视。十余年来，发展极为迅速，已有 取代放射免疫分析法( r i a ) 的趋势，被普遍地应用于生物学和医学研究 的各个领域。 7 电泳技术法 溶液中带电粒子( 离子) 在电场中移动的现象叫电泳。利用带电粒子 在电场中移动速度不同，即利用电泳现象来达到某些化学组分的分离分 析或分离制各的技术称为电泳技术。由于生物分子绝人部分带合电荷， 因此，电泳技术在生化研究中作为一项分离分析技术得到广泛的应用。 8 离心机法 离心技术在生物科学，特别是在生物化学和分子生物学研究领域， 已得到十分，“泛的应用，每个生物化学和分子生物学实验室都要装备多 种型式的离心机。离心技术卡要用于各种牛物样品的分离和制备，分析 原理是生物样品悬浮液在高速旋转卜，由十巨大的离心力作用，使悬浮 7 的微小颗粒( 细胞器、生物大分子的沉淀等) 以一定的速度沉降，从而 与溶液得以分离，而沉降速度取决于颗粒的质量、大小和密度。离心机 可分为工业用离心机和实验用离心机。实验用离心机义分为制备性离心 机和分析性离心机，制备性离心机主要用于分离各种生物材料，每次分 离的样品容量比较大，分析性离心机一般都带有光学系统，主要用于研 究纯的生物大分子和颗粒的理化性质，依据待测物质在离心场中的行为 ( 用离心机中的光学系统连续监测) ，能推断物质豹纯度、形状和分子 量等。 2 2 紫外一可见分光光度计法原理 本牛化分析仪采用应用广泛的紫外一可见分光光度计法为基本原 理，此方法是基十物质在紫外及可见光区对，由十分子的电子能级跃迁 而产生的特征吸收光谱的原理并依据朗伯一比尔定律，用未知浓度的样 晶和已知浓度的标准物质或摩尔消光系数比较进行定量分析的仪器。下 而首先对光的性质及柏关原理做一些简要的介绍。 一、光的性质 通俗地讲。光具有波动、微粒两莺性质。在某些场合，光的波动性 比较明显：在另一些场合，光则主要表现为微粒性。 光是一种电磁波，具有振动频率( r ) 、波长( 入) 、速度( c ) 和周期 ( t ) 等参数。我们日常所见到的各种颜色的光，是波长范围在4 0 0 _ 呵6 0 纳米间的电磁波，波长不同，颜色就不同。在可见光之外是红外光和紫 外线。 光具有微粒性，在辐射能晕时，光是以一份一份的能量e 的形式辐 射的。 e = 加( 2 1 ) 式中， 是普朗克常数，v 是光的频率。同样，光被吸收时，能量 也是一份一份被吸收的。即光是由具有加的颗粒所组成的，这种颗粒 称为光子。由式( 2 1 ) 可知，不同频率的光予具有不同的能量。频率越 高能量越大，频率越低熊量越小。把两种颜色的光按一定的强度比例混 合，若能够得白色光，那么这两种颜色的光就叫互补色。如红光和青光， 绿光和紫光，黄光和蓝光等都足互补色。 二、光的吸收聂理 紫外和可见吸收光谱用于定量分析的基本方法是：用选定波长的光 照射被测物质溶液，测量它的吸光度，再根据吸光度计算被测组分的含 甓。计算的理论根摆就是“吸收定律”。它是随后介绍的朗伯定律和比 尔定律柏结合而成的，所以又叫朗伯一比尔定律。该定律同样适用于红 外线吸收光谱法和原子吸收光谱法。 小同的溶液呈现1 i 同的颜色，这足物质对光选择性吸收造成的。实 践证明：溶液呈现的颜色是其主要吸收的光的互补色。例如，一柬自光 通过商锰酸钾溶液时，绿光的大部分被溶液吸收，除了紫色光外，其余 颜色的光两两互补，因此高锰酸钾溶液呈紫色。在做比色分析时，选择 适当的单色光，要根据这一原理。 不同的物质对光具有选择性的吸收。其本质是因为不同的物质只有 不同的结构的缘故。物质是在不断运动着的，构成物质的分子及原于处 于一定的运动状态，每个状态属于一定的能级。当原子援外的电子由某 一能级跃迁到另一能级时，就要吸收或辐射电磁波，从而产生特征性的 原予光谱( 吸收或发射光游) 。分子和原子一样，也有它的能级。分子内 部的运动可以分为电子运动、原子在其平衡位置附近的振动以及分子本 身绕其重心的转动。因此，分子具有电子能级、振动能级和转动能级。 当分。予吸收能量之后受到激发，就要从原来的基态能级跃迁到受激态能 级，从而产生吸收光谱。分了吸收光能具有量了化的特征，即它只能吸 收等于两个能级之差的能量。假设互和e 分别为分子跃迁前( 墓态) 和 跃迁后( 受激态) 的能量。那么： 世= 乜一岛= v ( 2 2 ) 当某一波长的光能量恰好等于分子的跃迁能剧时，分子才会吸收 此光能，引起转动、振动或电子能级的跃迁。特定的分子跃迁能量与分 子内部结构有关。不同物质的分子由于结构上的差异，所需要的跃迁能 龟也不问，于足就呈现m 不同的特征吸收光谱。由于其结构的复杂性， 分子的特征吸收光谱是光谱带。 由计算可知，电子能级跃迁所产生的吸收光谱( 即所需要的光能) 位于紫外和可见光部分：振动和转动能级跃迁所产牛的吸收光谱能于红 外部分。 测量物质的分子吸收光谱的仪器包括光电比色计和分光光度计，是 光谱分析仪器巾常用的仪器。 三朗伯一比尔定律 肖一束平行单色光，照射到均匀的、非散射的溶液卜时，光的一部 分被吸收，一部分透过溶液，还有一部分被比包杯的表面反射。 设入射光的强度为i 、透过光的强度为i ，、吸收光的强度为i ；、 9 反射光的强度为i 。则： ( 2 3 ) 在实际比色分析时，所用的比色杯都是阊规格、同质料的，所以反射光 的强度为定值，不会引起测量误差，可以不加考虑这样，式( 2 3 ) 可简化为： 小。 即入射光强i 。一定时，吸收光的强度i 。，越大，透过光的强度i 。越 通常把透过光的强度与入射光的强度之比i 。i 。定义为透光度t ， r = 争 ( 2 5 ) j o t 越大，说明溶液的透光程度越大。实际比色时，使用同一比色杯， 把透过样品的光强看作i ，透过空白参考溶液的光强看作1 一 由于透光度t 和溶液的浓度c 之间没有线性关系，其关系如图2 1 所示： 浓度c 图2 1 透光度t 和溶液的浓度c 之问的反指数关系 透光度和浓度之间的反指数关系对定量分析很不方便，故引入吸光 度a ( 也有用消光度e 或光密度o d ) 利用吸光度和浓度的正比关系测定 样品的浓度，可带来更大的方便，如图2 2 所示： i o 吸光度a 浓度c 图2 2 浓度c 和吸光度a 之间的亳线关系 吸光度a 它定义为透光度t 的负对数。 a 一1 0 9t = j o g1 t = 崦i 。i 。= k c l( 2 6 ) 式中，k 一吸光度系数或消光度系数： c 一溶液浓度： l 一液层厚度； 这就是朗伯一比尔定律。此式表明：当液层厚度固定时，溶液的吸 光度与溶液的浓度成正比，这一关系称作比尔定律。当浓度固定时，溶 液的吸光度正比于液层厚度，这一关系称作朗伯定律，朗伯定律均无例 外，比尔定律( 即吸光度a 与溶液浓度之间的关系) 有时却失效，在仪器 上可以设校正电路来满足这一关系。 朗伯一比尔定律是各种吸收光谱仪器的理论基础，亦称为光的吸收 定撑。朗伯比尔定律只适用于平行的单色光，而在实际应用中的单色光 是包含一定波长范围的光，范围的大小决定于所选用的光源结构，范露 愈宽，单色光愈不纯，其吸光度与浓度关系愈趋向偏离朗伯一比尔定律。 所以，在系统实现上，如何获得高纯度的单色光。并保持光强的长期稳 定就成为仪器稳定工作重要前提。 2 3 生化分析仪常用分析计算方法1 1 终点法 即样品加试剂后，充分混匀，在机外指定恒温条件下进行反应反 应过程中，反应物吸光度a 不断变化，反应进行一段时间a 值基本趋 于恒定状态，此时称反应到达终点，反应物终点吸光度a * 与样品中待 测物含量有特定的关系。就目前所使用的试剂来说有比例关系，线性 关系和嚣线性关系。 2 两点法 即样品加试剂后，充分混匀。立即注入机内比色杯，在指定温度下 反应，在时间t 。k 处分别读取反应物吸光度a 。、赴：，计算( a ，一a 。) ( t 。一b ) ，同样方法对标准物进行测试，然后作比较即可求得样品中待 测成份的含最。 3 速率法 即样品加试剂后，充分混匀，立即注入机内比色杯，指定温度下反 应，在时闻t ，t 。k 处分别读取反应物的吸光度。然后求取每分 钟平均吸光度变化a 蚰j n 据此可求得待铡成份的含量。q = a m j n k ( 其中k 为消光系数，为已知或用已知浓度的标准物标定) 本章小结； 本章首先简要介绍了生化分析仪，l 种常用的分析原理，及其应用范 围。其次详细介绍了本半自动生化分析仪的工作原理一紫外一可见分 光光度计法，即物质住紫外及可见咒区由于分子的屯子能级跃迁产生的 特征吸收光谱和朗伯一比尔定律的原理，最后简单介绍了几种临床化学 自动生化分析主要分析方法。 第三章：整体系统设计方案 3 1 总体设计思想 通过对课题要求以及技术参数分析，整个系统最终要完成的是对被 测量液体样觇进行血清或尿液的生化项目进行准确检验。凶此，整个 系统需要有如下模块构成： 对被测量液体样品进排样的机械系统装置； 由于对4 i 同的测试项目要采用小同的单色光源，故需要分光光源选 择枧构； 液体样品的测试需要对兜信号进行检测、光电转换、放大处理等； 整个系统的控制及相关处理要实现自动化，需要由单片微处理器实 现； 测试数据的存储需要存储器； 采样数据的处理、测试报告的显示、打印，系统参数的设置都需要 由上位机或触摸键盘完成。 综上，髌个电路系统的设计框图如图3 1 所示： 图3 。l 整体设计框图 1 3 3 2 方案的确定 该仪器是根据各级医疗机构的需求进行设计的。因而仪器应具有 功能完善、操作简便、维护方便等特点，同时，为满足不断变化的用户 的需要，大大减少产品更新换代的成本，系统应具有升级的能力。另外， 本仪器是对照清和尿液的生化项目进行检验的医用生化分析系统。是一 种医疗设备，故系统应具有性能稳定、测量准确可靠、抗t 扰能力强的 特性。基于上述考虑提出两种设计方案。 3 2 i 基于单片机的系统设计方案 方案一：以单片微处理器眦s 一5 1 “”为核心，大屏幕液晶显示器作 为显示部分，触摸键盘作为人机接口，信号的检测、放大处理等部分构 成单片机的外围电路，步进电机及相应机械装置作为系统的进排样部 分。 该方案外围电路复杂，系统联机调试会很困难，而且由于单片机既 要完成对检测信号的处理、测试数据的殴期保存又要同液晶显示器进行 通信等任务，因而，通过对系统功能的要求进行分析，用一个单片机将 很难完成对整个系统的自动控制功能，至少需要两个单片机共同完成系 统的要求，显然，这增加r 系统的复杂程度阿且也不利于系统升级和 维护。系统实现框图如图3 2 所示： 图3 2 基于单片机的系统功能框图 3 2 2d 印为核心的设计方案 d s p 芯片t 骼3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为整个系统的控制处理器，考虑到 1 4 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片内集成了a d 转换器，同时也能够实现d a 功能，因 此，可以减少系统对其它硬件的需要，使得外围电路相对简单：上位机 选用系统机( p c 机) 对澳试结果进行处理、显示、打印；由于该d s p 集成了s c j 串口模块，通过串行口与o s p 通信，可以对实现对整个系统 的自动控制。 该方案有如卜优点： 首先，处理器d s pt m s 3 2 0 l 您4 0 7 a 芯片具有价格低廉、功能强大， 由于该芯片对c 语言编程的强大支持，使得整个工程易于模块化，编程 简单且易于后期维护和升级。供电电压仅为3 3 v ，减少了控制器的功耗 等特点。 其次其内部有高达3 2 k 宁的f l a s l l 程序存储器，1 5 k 字的数据 程序r 删，8 个十六位的脉宽调制( 瑚龌) 通道，1 6 路的l o 位a d 转 换器，4 0 个单独可编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) ，5 个外部 中断，一个串行通信接口s c i 模块。由于t 淞3 2 0 2 4 0 7 具有上述丰富 的资源只需一片1 、鹇3 2 0 l f 2 4 0 7 即可完成整个系统的信号检测处理等 功能，因而，系统整体谪试方便。3 锎i p s 的执行速度使得指令周期缩 短到3 3 n s ( 3 0 姗z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 最后，系统上位机由一台老式笔记本构成，体积小成本低，功能 够用。上位机软件采用v s u a lb a s i c6 0 编程，编程容易，良好的数 据库支持，人机界面灵活，可以通过串口将所需的各种初始化值( 数字 信号) 传给下位机，下位机把备种实际测量值由串口再送回上位机并由 上位机进行相关运算处理、显示及打印，同时把仪器当前t 作状态的数 据送给上位机，由上位机完成对仪器工作状态进行实时监测功熊。该设 计方案为该系统升级奠定了一定的基础。系统电路功能框图如图3 3 所 图3 3 基于d s p 的设计方案 3 2 3 方案的确定 采用d s p 的方案是以一片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 即可完成整个系统的信号 检测、处理等功能，硬件电路相对简单，对于系统整体调试非常方便。 可见，无论从系统集成度还是从系统可升级能力上看，都优于原来的方 案。在这个方案中，计算机通过串行通讯口向d s p 发送控制命令和数据， o s p 接到动作命令后，按照命令执行相应的操作，实现对生化分析仪的 控制。另外利月 d s p 的脉宽调制( p 删) 通道，经过p t d 软件控温算法， 可以通过计算不断改变p 州波的占空比来对比色杯中的溶液进行精确 的温度控制。采用这种方案，系统的硬件结构将得到大大的简化，除了 电机驱动模块之外，控制模块只有一个，整个系统由单一芯片控制，一 片d s p 芯片就可以实现全部功能，大大简化了系统设计。系统可靠性得 到增强同时也给牛产调试带来便利。因此本系统采用了以d s p 为核心 的硬件电路。 1 6 3 3 系统数学模型的建立 根据生化分析仪系统测试所遵循的朗伯一比尔( i 丑m b 时t b 。o r ) 定 律。设光电池产牛的光电流为，由系统实际测试要求，建立系统的数 学模型如图3 4 所示。 图3 4 系统的数学模型 可见，系统的传递函数为： a 测= 一堙【一1 0 5 墨屹( 一墨，) 】 ( 3 1 ) 往进行吸光度测量时，先吸入空白液，再吸入样品液，将样品液对 应的测量值减去空白液对应的测量值即可得到样品的吸光度值。假设空 白液对应的光电流为t ，样品液对虚的光电流为l ，则由式( 3 1 ) 禽： a 空白= 丘瑶卜1 0 5 墨茁：( 一置) 】 a 样品= 丘键一1 0 5 玛邑( 一葺厶) 】 吸光度= a 样品- 空白 ， = 一丘l g 竿 ( 3 2 ) t 从式( 3 2 ) 中可以看出，满足生化分析仪的工作原理，即朗伯一 比尔定律。式( 3 2 ) 中厶 ，厶为自变量；e 为幅度调整参数；k 2 为电平调整参数：足，为线性调整参数，其值不影响吸光度的准确度。 1 7 在上面的系统数学模型中，电流电压转换，电平调整、压控振荡器 均 h 模拟电路来实现：拯控振荡器的输出信号送给d s p ，d s p 通过串l 将采集的数据送给上位机，上位机将数据进行线性调整、取负对数以及 幅度调整等算法实现对吸光度的测量。这样，大大减少了下位机d s p 的 处理负担。 本章小结： 1 茸先，通过对课题目标的分析提山了两种可行性方案，一种以单片微 处理器眦s 一5 1 为核心，另一种足以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为耨个 系统的控制处理器，并分别给出了相应的实现框图。通过对两种方案的 比较，最终选定最优的方案作为实施方案 2 其次，通过搭建系统的数学模型，明确了整个系统从理论至实践的可 行性。 第四章：系统硬件电路设计 4 1 总体硬件模块设计 根据生化分析仪硬件系统的整体功能进行设计，可将硬件电路分 成如下模块： l 光源信号产生电路 2 光( 吸光度) 检测电路 3 温度信号检测电路模块 4 温度控制模块 5 步进屯机控制模块 6 串口通信，数据存储模块 其框图如4 1 所示： 图4 ，1 整体硬件模块图 4 2 光源信号产生电路设计 本系统鳗终要实现对测试样品的吸光度进行测量。首先，使商性能 单色光透过测试试剂，然后冉把光信号检溺出来。这就需要进行对光源 进行设计与控制。本系统中采用高性能单色发光管( l e i ) ”) 取代热源 性光源加滤光片、棱镜或光栅等传统光源结构，并_ ；f | f 用光电结合、光强 窄带分光光度技术。高性能l e d 不仅在光源的单色性、半波宽度等性能 1 9 上同传统的光源结构栩接近，而且由l e d 是固体冷光源，具有寿命长、 发光强度高等特性，且无需复杂的机械结构设计，比传统的光源结构更 具有优势。并实现rl e d 免维护永久性光学系统，这也是与国内外同类 产品相比的最大优点所在。 1 l e d 器件的选择： l e d 器件是本系统的重要组成部分，在选择1 e b 器件时，一方面要 选择亮度高、单色性好、寿命长、稳定性好的高性能发光二极管，另一 方面还要根据本仪器的需要选择不同波长的l e d 。因为由分光光度计法 原理可知，不同的化学物质需用不同的单色光检验。例如测定人觑清中 磷的含量时，一般需使用3 4 0 n m 波长的单色光：测定人血清中谷丙转氨 酶活力时，一般需使用5 0 5 n m 波长的单色光：而测定人血液红细胞总数 时一般使用6 2 8 n 船波长的单色光。所以在本仪器中所选用的发光管波长 值为3 4 0 舳( 3 6 5 n m ) ，4 0 5 咖，4 9 2 ，5 0 5 n m ，5 4 6 册，5 7 8 册，6 2 8 n m ， 6 5 3 n 八种发光二极管。 2 电路设计时l e d 参数的考虑： ( 1 ) 允许功耗p m ：允许加在l e d 两端正向直流电压与流过它的 电流之积的擐大值。超过此值，l e d 发热、损坏。 ( 2 ) 最大正向直流电i f 。：允许加的最大的正向直流电流超过 此值可损坏二极管。 ( 3 ) 最大反向电压v f ：所允许加的最大反向电压超过此值， 发光极管可能被击穿损坏。 ( 4 ) t 作环境温度k 。：发光二辍管可正常t 作的环境温度范 围低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作， 效率大大降低。 3 实际的电路设计方案： 由于本系统的光源是由8 个l e d 构成的。每一个l e d 的光源电路相 似，这里只介绍其一1 j 一路1 f d 的电源电路。由于1 即属于电流器件，因 此该电路丰要由l i l 3 1 7 、电位器等构成恒流源，通过调整电传器的阻值 来满足本路l e d 正常工作所需的电流值，该电路正是利用堋3 1 7 的恒流 特性。l e d 电路原理图如图4 2 所示： ( 二工 h h d j 圈4 2l e d 电源产生电路 其中l m 3 1 7 可以作为恒压源或恒流源，其恒流源接泫如上所示，由 基尔霍夫定律可知，其流过l e d 的电流l i i 口) 计算公式如下： i i 脚= 1 2 5 ，( r + r 2 ) ( 4 1 ) 由上公式可知，通过调接可变电阻r 2 的阻值，可以控制流过l e d 电流的大小，从而控制l e d 的光强。对l e d 的开关控制( 即选择八路光 源其中一路或全部开或者关) 是由d s p 接受上位机的命令实现的。其 d s p 的控制电路如下图4 3 所示，电路中还包括对该控制电路的硬件检 测，这是一个商品化产品不可缺少的设计部分，j 1 j 米保证产品正常运行 或出现故障时进行有效判断。 2 l 图4 3l e d 选择检测电路 它包括u l n 2 8 0 3 a ( 八路达林顿阵列) 对八路l e d 进行开关控制。 d s p 的八个i ol j1 0 p e o 1 0 p e 7 通过u l n 2 8 0 3 a 分别控制八个l e d 的开 与关。电流检测电路原理圈如图4 9 所示。实现对l e d 的电流进行监测。 检测电路中流过r 3 8 电阻的电流即为流过l 曲的电流，所以通过检测r 3 8 两端的电压就可以计算出l e d 屯流，电阻r 3 8 两端电压通过高输入阻抗 7 r l 0 8 2 a i n 结型场效应管双运放中的一路对电压信号放大，t i 0 8 2 a i n 是 场效应输入级运算放大器，失调电流为lp a ，具有高增益、输入阻抗 商和输出阻抗低的特性。采用同相比例放大后，再通过稳定电压为3 伏 的齐纳二极管连接到1 ) s p 的一路a d ，从而检测l 属d 电流，齐纳二极管 用来限制a d 输入的鹾高电压，以保护a d 模块，此处稳定电压为3 v 。 其v 。计算公式为： v i = i l e dxr 3 8 v o _ v i ( 1 + ( r 1 0 2 + r 3 3 ) ，f t 6 6 ) ( 4 2 ) 由公式可知，可通过调节可变电阻r 1 0 2 的阻值大小控制v o 的大小， 以符合实际要求的需要。 4 3 光信号检测电路设计 对十光电检测2 ”的设计，无论使用何种检测器，当它收辐射照射时， 吸收光子能量后都要转变为可测量物理量，如光电二极管的电流等