（交通信息工程及控制专业论文）γ免疫计数器控制系统研究与应用.pdf

摘要 在临床检验中，传统的微生物检验方法虽然也能检验出病原体，但是速度很 慢，难以满足诊断要求。自1 9 5 9 年美国学者b e r s o n 和y a l o w 发表了关于放射免疫 分析方面的开创性报导后，把免疫学和放射化学巧妙地结合起来，形成了放射免 疫分析方法，解决了以往化学分析、生化分析和仪器分析解决不了的超微量分析 难题。 基于核医学的发展和现代医学领域的需求，用y 免疫计数器实现放射免疫分 析得到了医疗界的认同。然而，传统的7 免疫计数器采用开环控制系统，一方面， 无法实时监控电机的运转情况，另一方面，由于待测样品的液面高度不确定，而 测鼍时固定探头位置造成了中心偏离现象，使测量结果存在很大偏差，直接影响 到临床诊断的准确性。 针对以上问题，本课题提出了闭环控制方案，以m c s 5 1 系列单片机i n t e l8 0 3 1 为核心，单片机专用语言c 5 1 为开发工具，采用交流伺服电动机作为执行机构， 并用绝对光电式角度编码器来反馈、监控最佳测量点的位置，实现了基于单片机 控制的丫免疫计数器精准测量样品的功能。实验证明，本项目所提出的闭环控制 系统，解决了中心偏离现象，大大地提高了测量的精准度，同时也稳定了系统的 性能，为临床诊断提供了准确、可靠的测量数据。 关键词：放射免疫分析，丫- 免疫计数器，单片机，闭环控制 a b s t r a c t i nc l i n i ce x a m i n a t i o n ，a l t h o u g ht h em e t h o do ft r a d i t i o n a lm i c r o b i a li n s p e c t i n g c a ni n s p e c tp a t h o g e n ，t h es p e e di ss l o wf o r d i a g n o s i n g a f t e rt h er e p o r ta b o u tr i aw e r e p u b l i s h e db ya m e r i c a ns c h o l a rb e r s o na n dy a l o wi n 19 5 9 ，t h ei m m u n i t yh a sb e e n c o m b i n e dw i t ht h er a d i o l o g ya n dt h e nt h er i am e t h o df o r m s t h em e t h o ds e t t l e st h e d i f f i c u l t yp r o b l e mo ft h eu l t r am i c r oa n a l y s i s ，w h i c ht h ec h e m i c a la n a l y s i s ，b i o c h e m i c a l s t u d ya n di n s t r u m e n ta n a l y s i sa r eu s e l e s sf o ri tb e f o r e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h en u c l e a rm e d i c i n ea n dt h en e e d so fm o d e m m e d i c i n e ，u s i n gt - i m m u n ec o u n t e rf o rr i ai sw i d e l ya c c e p t e di nm e d i c a lt r e a t m e n t f i e l d s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a lt - i m m u n ec o u n t e ru s e so p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m ，w h i c h h a ss o m es h o r t a g e s o nt h eo n eh a n d ，i tc a n t s u p e r v i s et h eo p e r a t i o no ft h ed y n a m o r e a l - t i m e ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h e r ei sb i gd e v i a t i o ni nt h em e a s u r e m e n tr e s u l tb e c a u s e t h eh e i g h to ft h el i q u i dl e v e lt ob em e a s u r e di su n c e r t a i na n dt h em i s a l i g n m e n ti s p r o d u c e db yt h ef i x e dp r o b e t h er e s u l td i r e c t l ya f f e c t st h ea c c u r a c yo ft h ec l i n i c a l i nv i e wo ft h ea b o v eq u e s t i o n ，c l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m ew a sp r e s e n t e d t h e m c s - 5 1s e r i e ss c mi n t e l8 0 3 1i st a k e na st h ec o r e ，s i n g l ec h i ps p e c i f i e dc 5 1 l a n g u a g e a st h ed e v e l o p m e n tt o o l s ，a - cs e r v o g e n e r a t o ra st h ea c t u a t o ra n da b s o l u t ep h o t o e l e c t r i c a n g l ee n c o d e ri su s e dt of e e d b a c k ，s u p e r v i s et h ep o s i t i o no ft h eb e s tm e a s u r i n gp o i n t t h et - i m m u n ec o u n t e rb a s e do nt h es i n g l e c h i pc a l lm e a s u r et h es a m p l ep r e c i s e l y e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ec l o s e d - l o o pc o n t r o l l e ds y s t e ms e t t l e dt h em i s a l i g n m e n t p h e n o m e n o n ，g r e a t l yi m p r o v e dt h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n ta n dm a d et h es y s t e m s t a b l e ，i tp r o v i d e sa c c u r a t ea n dc r e d i b l em e a s u r e m e n td a t af o rt h ec l i n i c a ld i a g n o s e k e y w o r d s ：r 玲t - i m m u n ec o u n t e r , s c m ，c l o s e d 1 0 0 pc o n t r o l n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：讨宝成即7 年占月二日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：专时宝豌x 卵7 年占月2 日 导师签名：霾岩坤年g 月弓日 长= 奠大学顾 ：学位论文 1 1 放射免疫分析技术 第一章绪论 1 1 1 放射免疫分析的概念 在临床检验中，传统的微生物检验方法虽然也能够检验出病原体，但是速度很慢， 难以满足诊断需求。这就要求采用一种更有效的方法，快速地检测出病原体微生物，准 确地诊断出病人病情。 自1 9 5 9 年美国学者b e r s o n 和y a l o w 发表了关于放射免疫分析方面的开创性报导后， 把免疫学和放射化学巧妙地结合起来，形成了放射免疫分析( r a d i oi m m u n oa s s a y ，r i a ) 方法，从而奠定了放射免疫分析的基础。r i a 技术是现代生物医学、分析方法学的一项 重大科研成果，是核素放射分析最典型的代表1 1 1 。放射免疫分析技术的问世，是定量分析 技术的一项划时代的进步。 放射免疫分析是一种以竞争性结合的免疫分析为基础，放射性核素标记物的放射性 测量为手段，在体外测量、分析体内微量活性物质含量的超微量分析方法f 2 1 。它直接从 临床标本中检查微生物抗原，免去了细菌或病毒的培养过程，是一种快速诊断技术。该 方法的出现，解决了以往化学分析、生化分析和仪器分析解决不了的超微量分析难题。 将微量生物样品检测化学分析法的最小检出值，由毫克、微克级提高到纳克、皮克级的 水平，从而为生物医学基础的理论研究和临床疾病诊断提供了新的实验手段，为加速生 物医学现代化进程作出了非凡的贡献。 1 1 2 放射免疫分析的基本原理 放射免疫分析基本原理建立在标记抗原( l a b e l l e da n t i g e n ，蚰g ) 和未标记抗原 ( u n l a b e l l e da n t i g e n ，a g ) 对限量的特异性抗体( s p e c i f i ca n t i b o d y ，a b ) 进行竞 争性结合反应。 抗原抗体反应机制为：a g + 宰a g + a b = a 山+ 毒a g a b( 1 1 ) 由于上述反应是竞争结合机制，即a g 越多，产生a g a b 也越多，* a g a b 就越少，反 之亦然，因此a g 与* a g a b 之间呈一定的函数关系。 取已知a g 浓度的标准样品4 1 0 个，进行上述反应后，测得各样品的放射性含量， i p * a g a b 的放射性脉冲数。图1 1 给出了由4 个标准样品得到的标准曲线。 第一章绪论 测得病人样品的奎a g a b 放射性脉冲数后，即可从该标准曲线上反查出病人样品中 a g 的浓度，供临床诊断使用。 图1 1 标准曲线 1 1 3 放射免疫分析的优越性 放射免疫分析的优越性主要表现在以下几方面【3 】： l 、灵敏度高：常规的生物化学分析方法，检测体液中物质的质量，在l o 3 克水平， 而放射免疫分析法可达到1 0 固一 1 0 - 1 2 克水平。 2 、特异性强：放射免疫分析法建立在抗原抗体反应的基础上，因此，即使分子结 构很相似的物质也有很高的特异性。 3 、操作比较方便：使用的试剂大部分都有配套的试剂药盒供应，只要具有操作一 般检验工作的能力即可。 4 、成本较低：对环境和支持设备的要求不高。 1 2 放射免疫分析进展 放射免疫分析自七十年代引进国内，经历了八十年代普及和几十年的发展、提高阶 段。由于检测灵敏度高、特异性强、操作方便、检测费用低廉，因而在国内得到了广泛 的应用。目前，r i a 主要用于药理学、免疫学、生物化学、分子生物学、肿瘤学、遗传 学等基础医学的研究，并成为血液病学、内分泌学、肿瘤学、心血管疾病、妇产科学、 儿科病及老年病学临床诊断的重要手段【4 l 。 随着生物化学、免疫学、放射性核素标记以及计算机技术的发展，放射免疫分析技 术也有较大进展。放射免疫分析技术同其他现代医学技术一样，已经成为医院现代化和 等级水平的重要标志之一。据调查，我国拥有s p e c t ( s i n g l ep h o t o ne m i s s i o nc o m p u t e d t o m o g r a p h y ，单光子发射计算机断层显像) 仪2 7 2 台，功能仪6 4 4 台，放免仪8 1 6 台， 2 长安大学硕上学位论文 化学发光仪或时问分辨荧光仪2 5 3 台。据核医学诊断方面调查，目前我国已有2 0 0 0 多 个单位开展放射免疫分析工作，年显像为4 4 万多人次，年功能测定3 8 力多人次，放射 免疫分析达9 0 0 力人次，由此反映出我国目前放射免疫分析的应用非常广泛。 放射免疫分析技术的发展推动了放射免疫分析仪器和诊断试剂的发展，同时，放射 免疫分析仪器和诊断试剂的生产，也为r i a 的广泛应用提供了充分的保证。以中国核工 业总公司2 6 2 厂等单位为主的测量仪器生产企业，每年为国内外提供大批各种高质量的 产品。以中国原子能研究院同位素所为骨干的从事试剂研制和生产的单位达2 0 多个， 试剂盒的生产量年递增率2 0 以上。尤其是在放射免疫分析技术中实现电子计算机化 后，实现了整个测量过程包括加样、反应、分离、测量和数据处理等方面的完全自动化 i 习。应用计算机进行数据自动化处理成为放射性测量仪器的核心，采用的数学模型和开 发的计算机软件多种多样，目的是使仪器通用性强，对测量数据的处理精度高，从而得 到符合实际的数据处理结果【6 】。 在国外，一些发达国家为了克服使用放射性标记物所引起的问题，已经用化学发光 免疫分析方法代替了放射免疫分析法。而一些发展中国家，受自身技术水平所限，还未 推出y 免疫计数器的使用。因此，在国外丫- 免疫计数器的设计和应用并不多。 从测定原理和应用上看，放射免疫分析的发展将存在两条并行路线。 ( 1 ) 、免疫分析法继续在分析的可靠性和灵敏性上不断的革新、完善和进步，为生 化研究和临床分析提供更为准确和实用的新方法； ( 2 ) 、随着现代生物技术的不断发展，免疫分析将渗透到全新的研究领域： 基因工程抗体( g e n e - e n g i n e e r i n ga b ) ； 催化抗体( c a t a l y t i c a b ) ； 新原理的多组分测定( m u l t i r e s i d u el ) ； 金属离子的免疫分析。 目前，在r i a 基本理论的基础上已经派生出一类非放射性标记免疫方法，包括酶联 免疫分析法( e 认) 、化学发光免疫分析法( c u a ) 、时间分辨荧光免疫分析法( t r f l u 等。 它们共同的优势是具有和r i a 相似的高特异性和高灵敏度，而且标记物制备简易、有效 期长、无污染、也能实现自动化分析功能。相信随着新的抗体和分析对象的出现，会有 更新的分析原理和方法诞生，一定会为医学事业的发展、人类生活质量的提高做出更大 贡献1 3 第一章绪论 1 3 本课题的提出背景及研究内容 放射免疫分析技术的广泛应用，为各领域的科学研究提供了有效的检测手段，特别 是为医院的临床诊断，提供了简明、快速、准确的诊断方法。基于核医学的发展和现代 医学领域的需求，用丫免疫计数器实现放射免疫分析已得到了医疗界的认同。本课题 所要讨论的就是如何采用合适的控制系统，完成y 免疫计数器精准测量超微量元素的 功能。 传统的y 免疫计数器采用开环控制方式，一方面，对电动机转速和位置的控制不 够精确；另一方面，试管内样品的液面高度不确定，因此，在测量时，一般都是根据经 验人为的设置测量点( 即探测器) 的位置。这种做法容易出现中心偏离现象，使测得结 果存在较大的偏差，直接影响了测量的准确性。针对以上问题，本课题提出了闭环控制 系统配合适当控制算法的解决方案，以保证系统能够平稳、高效、精准的实现测量功能。 本系统以i n t e l8 0 3 1 单片机为核心，单片机专用c 5 1 语言为开发工具，配置相应的 外围电路，实现了基于单片机控制的单探头y 一免疫计数器精准测量样品功能。该系统 中的硬件电路采用模块化设计，任何一部分电路模块均可移植于其它开发系统的设计 中，具有典型性和通用性。 在本设计中，将完成以下几个方面的工作： 1 、完成单片机存储器及i o 口的扩展；单片机与通讯接口芯片、定时计数器、键 盘等部分的软、硬件设计。 2 、完成时钟及上电复位电路、电机驱动电路等基本模块电路的设计；用c 5 1 语言 在k e i l t v i s i o n 环境下实现系统的软件设计。 3 、重点对y 免疫计数器控制系统进行研究，采用闭环控制方式，使系统能快速地 找到最佳测量点，并使探头能对准最佳测量位置，以达到精准测量样品的目的。 4 长安人学硕t 学位论文 2 1自动控制系统概述 第二章控制系统概述 自动控制技术也叫“机电一体化控制”，是一门理论性很强的工程技术。把实现这 种技术的理论称为“自动控制理论”。根据发展阶段与内容，“自动控制理论 可分为“经 典控制理论 与“现代控制理论”。由各种部件组成，以自动实现具体生产对象的控制 系统，称为自动控制系统川。 一个控制系统一般由给定元件、反馈元件、比较元件、放大元件、执行元件、控制 对象和校正元件组成。 2 1 1自动控制系统的基本类型 1 按给定量的运动规律分类 自动控制系统可分为：恒值控制系统、程序控制系统和随动系统。 2 按系统反应特性分类 ( 1 ) 连续控制系统： 可分为线性控制系统和非线性控制系统。前者可用线性微分方程描述，而后者不能。 ( 2 ) 离散控制系统 系统的一切量都用数字量表示，数字量之间不连续，用计算机控制。 3 按执行元件的物理性能分类 ( 1 ) 电气控制系统；( 2 ) 液压控制系统；( 3 ) 机械控制系统； ( 4 ) 机电一体化控制系统；( 5 ) 热能控制系统。 4 按控制类型分类 ( 1 ) 开环控制系统： 系统的输出与输入信号之间不存在反馈回路，输出信号对控制系统无影响。其特点 是：结构简单，成本较低，通常用于系统结构参数稳定，没有干扰或所受干扰很小场合。 ( 2 ) 闭环控制系统： 系统的输出与输入信号之间存在反馈回路，输出信号对控制系统产生影响，从而提 高系统的控制精度。从控制工程角度来看，对控制系统的要求归结为：稳定性、快速性、 准确性。 稳定性是控制系统的最基本要求，是指系统动态过程的振荡趋向或使系统能够恢复 5 第二章控制系统概述 平衡的能力，要求输出量在受扰动信号作用后能够随时问的推移而得到平衡状态。 快速性：在控制系统处于稳定的条件下，要求系统在受扰动信号的作用后，输出量 与给定量之间的偏差能够及时消除。 准确性：在调节过程结束后输出量与给定量之间的偏差。 2 1 2 信号控制方法 常用的信号控制方法有如下几种1 8 l 。 1 顺序控制 主要用于开关量系统的控制。一般只有两种状态，如管道上阀门的开和关，电动机 的启动和停止等。它是按照一定的逻辑顺序或时间顺序来完成的一种控制。 2 反馈控制 反馈控制如图2 1 所示。 图2 1 反馈控制 反馈控制的特点是不仅信号可以从控制器送到控制对象，而且可以从控制对象经过 某个环节再送到控制器，因此也称这种控制为闭环控制。它是利用实际值与给定值进行 比较得到偏差而形成控制信号，再利用该信号去消除或减少误差，即用偏差来消除误差。 3 前馈控制 为了补偿由于扰动引起的误差，常采用前馈控制。从动作角度上来讲，对于干扰信 号的补偿，前馈比反馈要迅速得多。但前馈控制要做到对干扰的完全补偿，必须对控制 对象的特性有所了解。此外，前馈控制只能补偿一种干扰，不像反馈控制对任何扰动引 起的误差都能加以补偿。 4 p i d 控制 反馈控制是按照偏差进行控制。为了提高控制性能，可以按照偏差的比例 ( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 、微分( d e r i v a t i v e ) 进行控制，简称p i d 控制。在工程 上，p i d 控制大多是单元组合式，即p 控制、p d 控制、p l 控制和p i d 控制。p i d 控制可以 用硬件实现，也可以用软件实现。 6 长安大学硕- t ：学位论文 5 最优控制 最优控制是指系统在规定条件下，使某些性能指标达到最优的控制。如在条件不断 变化的情况下，保持生产过程中某个参数或指标始终为最优值( 如时间最短、消耗最小) 。 6 智能控制 智能控制就是利用有关知识，通过学习和推理使被控对象或被控过程按一定要求达 到预定目的。这里的知识大体包括对象所处环境知识、被控对象或被控过程知识、控制 其本身知识、逻辑推理知识等。 2 2p i d 控制算法 模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制。其原理框图如图2 2 所示， 系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 图2 2 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，其控制算法的模拟表达式为 ) “小m 扣+ d e 出( t ) 1 式中，u ( t ) 一调节器的输出信号； k p 一调节器的比例系数； t d 一调节器的微分时间常数。 ( 2 1 ) e ( t ) 一调节器的偏差信号； t 。一调节器的积分时间常数； 在实际应用中，p i d 调节器的实现分模拟和数字两种。模拟法就是利用硬件电路实 现p i d 调节规律。数字法就是对经典的模拟p i d 进行数字模拟，用数字调节器代替模 拟调节器。在采样周期较小时，数字模拟p i d 控制算法是一种较为理想的控制算法。 数字p i d 控制算法通常分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。 1 位置式p i d 控制算法 7 第二章控制系统概述 数字位置型控制算式为： h ( k ) f f ik e 专扣+ 争阶m 1 ) 】 ( 2 2 ) 式中，t 为采样周期；k 为采样序号，k = o ，1 ，2 ，；u ( k ) 为第k 次采样时计 算机输出；e ( k ) 为第k 次采样时的偏差值；e ( k 1 ) 为第k - 1 次采样时的偏差值。 上式表示的控制算法提供了执行机构的位置控制量u ( k ) ，u ( k ) 直接控制执行 机构，并且u ( k ) 的值与执行机构的位置一一对应，图2 3 给出了位置式p i d 控制系 统示意图。 图2 3 位置式p i d 控制系统示意图 2 增量式p i d 控制算法 增量式p i d 控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增量血( 七) 。图2 4 为增 量式p i d 控制系统示意图。 8 尹v p 步进电机b 被控对象卜 图2 4 增量式p i d 控制系统示意图 其算式为： 砧( 七) 一“( 七) 一“( 七一1 ) 一k p 【e ( 七) - e ( k 一1 ) 】+ k ，e ( 七) + k d 【已( 七) 一2 e ( 七- 1 ) + e ( k 一2 ) 】 一k p a e ( 七) + k ，e ( k ) + k d 【层( 七) 一e ( 七- 1 ) 】 ( 2 5 ) 长安大学硕t = 学位论文 由增量式p i d 控制算式可以看出，控制器输出的控制量的增量a u ( k ) 与采样周期、 比例系数、积分时l 日j 常数和微分时间常数有关。由于一般计算机控制系统采用恒定的采 样周期t ，一旦确定，只要使用前后3 次测量值的偏差，即可求出控制量增量。 2 3 单片机简介 单片机是单片微型计算机的简称，又叫微控制器。它将中央处理器c p u 、随机存 取存贮器r a m 、只读存贮器r o m 、定时计数器及串行接口等集成在一块芯片上，构 成一个完整的微型计算机。因此，只需要有适当的软件和外部设备，便可组成为一个单 片机控制系统【9 1 。单片机种类已有几百种，从1 位、4 位、8 位发展到1 6 位、3 2 位单片 机，集成度越来越高，功能越来越强，应用也越来越广。单片机将向大容量、高性能化、 外围电路内装化等方面发展【1 0 1 。 由于单片机的结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著特点，因而在 各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： 1 、有优异的性能价格比。 性能价格比是衡量电子系统的一项主要技术和经济指标，单片机集c p u 、存储器和 i o 功能于一身，在系统中起着智能控制作用，但其价格非常低廉，电子产品和系统的 设计人员通常都把单片机作为控制核心的首选部件。 一 2 、集成度高、体积小、可靠性高。 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的 连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易 于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 3 、控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的 条件分支转移指令、i o 口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制 功能及运行速度均高于同一档次的微处理器【1 l l 。 4 、多档并存，各得其所 单片机作为测控领域中的一个主要机种，可靠的控制功能是其主要特点所在。而控 制领域面对的对象多种多样，4 位、8 位、1 6 位、3 2 位机各有其不同的应用对象，因此， 在相对较长的时间内，多档并存的局面是必然的。 m c s 5 1 系列单片机是i n t e l 公司推出的高性能8 位单片机。目前国际市场上有不少 9 第二章控制系统概述 类型的4 位、8 位、1 6 位及3 2 位单片机，如m o t o r o l a 公司的m c 6 8 0 1 、m c 6 8 0 5 系列， z i l o g 公司的z 8 系列，i n t e l 公司的m c s 5 1 、m c s - 9 6 系列等。目f j 国内依然是以i n t e l 公司的m c s 5 1 为主流系列。 2 4 单片机控制系统的设计方法 单片机控制技术应用十分广泛，其核心技术是单片机控制系统的设计。随着材料科 学、工艺技术、计算机技术的发展与进步，电路系统向着集成度更高的方向发展。c p u 的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展【1 2 , 1 3 l 。 单片机系统设计主要包括：控制系统总体方案设计，包括系统的要求、控制方案的 选择，以及工艺参数的测量范围等；选择各参数检测元件及变送器；建立数学模型及确 定控制算法；系统硬件设计，包括接口电路，逻辑电路及操作面板；系统软件设计，包 括管理、监控程序以及应用程序的设计，应用系统设计包含有硬件设计与软件设计两部 分；最后进行系统的调试与试验。 2 4 1 单片机控制系统总体方案的设计 确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。总体方案 的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。总体方案的设计主要根据被控对象 的任务及工艺要求而确定。 设计方法大致如下： ( 1 ) 根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统。 ( 2 ) 选择检测元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。 ( 3 ) 选择执行机构。要根据被控对象的实际情况确定，还要与控制算法匹配。 ( 4 ) 选择输入输出通道及外围设备。选择时应考虑以下几个问题： 被控对象参数的数量； 各输入输出通道是串行操作还是并行操作； 各通道数据的字长、选择位数及传递速率； 对显示、打印有何要求； 画出整个系统原理图。 单片机系统设计包括软件和硬件两方面。硬件方面，不仅要对微机系统本身进行设 计，还须添加外围设备的接口电路和驱动电路；软件方面，则需根据硬件结构实现具 1 0 长安人学硕i ：学位论文 体功能。在实际应用中，还应考虑环境温度、功率、产品体积、抗干扰性、实时性等众 多问题，并提供相应的解决方案，以保证产品的可靠性。 系统设计流程如图2 5 所示。 硬 件 部 分 图2 5 单片机系统设计流程图 2 4 2 单片机控制系统硬件设计 尽管单片机集成度高，内部含有i o 控制线、r o m 、r a m 和定时计数器。但在组 成单片机系统时，扩展若干接口仍是设计者必不可少的任务。扩展接口有两种方案，一 种是购置现成的接口板，另一种是根据系统实际需要，选用适合的芯片进行设计控制系 统。就后一种而言，主要包括以下几个方面的内容【1 4 】。 基本系统的构成：一个独立的单片机核心系统，一般由时钟电路、地址锁存器电路、 地址译码器、存储器扩展、模拟量输入通道的扩展、模拟量输出通道的扩展、开关量的 i o 接口设计、键盘输入和显示电路等组成。 一i - i i i i i i i i i l i 第二章控制系统概述 2 4 3 单片机控制系统软件设计 单片机控制系统软件设计分为系统软件、应用软件设计两类。系统软件是控制系 统的核心程序，管理整个控制系统的全过程，也称为m o n i t e r 监控管理程序。 一、系统软件环境介绍 单片机系统的软件设计主要采用汇编语言或c 5 1 语言编写应用程序。 1 、编程语言的选择 随着单片机开发工具的提高，现在的单片机仿真器普遍支持c 5 1 语言程序的调试， 为单片机编程提供了便利条件。( 2 5 1 语言是高级程序语言，用它编程时，不必过多考虑 计算机的硬件特性与接口结构【1 5 】。用c 5 1 语言编写程序，虽然不像用汇编语言那样具体 地组织、分配存储器资源和处理端口数据，但对数据类型与变量的定义，必须要与单片 机的存储结构相关联，否则编译器不能正确地映射定位【1 6 l 。该应用程序必须经单片机的 c 语言编译器，转换生成单片机可执行的代码程序( 1 7 l 。支持m c s 5 1 系列单片机的c 语 言编译器有很多种。本课题采用k e i l g v i s i o n 2 集成丌发环境。 2 、z v i s i o n 2 集成丌发环境 k e i l z v i s i o n 2 集成开发环境包含项目管理器、编辑器，以及设置选项、生成工具和 在线帮助等。利用k e i l # v i s i o n 2 创建用户源代码并将其组织到一个能确定用户的目标应 用项目中去。k e i l g v i s i o n 2 自动编译、汇编、连接嵌入式应用，并为开发提供一个单一 的焦点。【v i s i o n 2 支持所有的k e i l8 0 5 1 工具，包括c 编译器、宏汇编器、连接定位器、 目标代码到h e x 的转换器【1 8 1 。 工程由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成。一个单一工程能够产生_ 个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。开发工具选项可以对应目标， 组或单个文件。比v i s i o n 2 包含一个器件数据库( d e v i c ed a t a b a s e ) ，可以自动设置汇编器、 编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据 库包含：片上存储器和外围设备等的信息。汪v i s i o n 2 可以为片外存储器产生必要的连接 选项，确定起始地址和规模。 3 、1 tv i s i o n 2 的编辑器和调试器 ( 1 ) 源代码编辑器 z v i s i o n 2 编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显示和文件辨识都对c 5 1 1 2 长安人学硕l j 学位论文 源代码进行优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使用户更 快速地检查和修改程序。 ( 2 ) 断点 y v i s i o n 2 允许用户在编辑时设置程序断点。用户启动调试器后，断点即被激活。 断点可设置为条件表达式，被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。在属性框 ( a t t r i b u t e sc o l u m n ) 中可以快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。代码覆盖率信息 可以让用户区分程序中已执行和未执行的部分。 ( 3 ) 调试函数语言 z v i s i o n 2 中，用户可以编写或使用类似c 语言的函数语言进行调试。 内部函数：如p r i n t f ，m e m s e t ，r a n d 及其他功能的函数。 信号函数：模拟产生c p u 的模拟信号和脉冲信号。 用户函数：扩展指令范围，合并重复动作。 ( 4 ) 变量和存储器 “ 用户可以在编辑器中选中变量来观察其取值。双层窗口显示，可进行以下调整： 1 ) 当前函数的局部变量。 2 ) 用户在两个不同的w a t c h 窗口页面上的自定义变量。 3 ) 堆栈调用( c a l ls t a c k ) 页面上的调用记录。 4 ) 不同格式的四个存储区。 4 、pv i s i o n 2 的c 5 1 编译器 c 5 1 编译器在遵循a n s i 标准的同时，为m c s 5 1 微控制器系列进行特别设计。语 言上的扩展能让用户使用所有资源。 ( 1 ) 存储器和特殊功能寄存器的存取 c 5 1 编译器可以实现对5 1 系列所有资源的操作。s f r 的存取由s 仃和s b i t 两个关键 字来提供。变量可旋转到任一个地址空间，用关键字一a t - 还能把变量放入固定的存储器， 存储模式( 大，中，小) 决定了变量的存储类型。 ( 2 ) 中断功能 ( 2 5 1 允许用户使用c 语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器区的转换功 能使c 语言中断功能更加高效。 ( 3 ) 灵活的指针 第二章控制系统概述 c 5 1 提供了灵活高效的指针。通用指针用3 个字节来存储存储器类型及目标地址， 可以在任意存储区内存取任何变量。特殊指针在声明的同时已指定了存储器类型，指向 某一特定的存储区域。由于地址的存储只需一两个字节，因此，指针存取非常迅速。 二、软件设计的几个方面 ( 1 ) 可靠性设计 为保证系统软件的可靠性，通常设计一个自诊断程序，定时对系统进行诊断。在可 靠性要求较高的场合，为了防止程序跑飞，可以设计看门狗电路或软件陷阱。 ( 2 ) 软件设计与硬件设计的统一性 在单片机系统设计中，通常一个同样的功能，通过硬件和软件都可以实现。一般来 说，在系统可能的情况下，尽量采用软件，因为这样可以节省经费。若系统要求实时性 比较强，则可采用硬件。 三、应用软件的特点 实时性： 由于工业过程控制系统是实时控制系统，所以对应用软件的执行速度都有一定要 求，即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。换言之，要求 整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一般都采用汇编语言编写应用软 件。为了提高系统实时性，对于需要随机间断处理的任务，通常采用中断系统来完成。 通用性： 在应用程序设计中，为了节省内存、使系统具有较强的适应能力，通常要求程序有 一定的灵活性和通用性。为此，可以采用模块结构，尽量将共用的程序，比如，算术和 逻辑运算程序、a d 、d a 转换程序、延时程序、p i d 运算程序、数字滤波程序、标度 变换程序、报警程序等，编写成子程序。 四、软件开发步骤 软件开发大体包括：划分功能模块及安排程序结构；画出各程序模块详细流程图； 选择合适的语言编写程序；将各个模块连接成一个完整的程序。 1 4 长安人学硕士学位论文 第三章丫免疫计数器 3 1 丫免疫计数器简介 3 1 1 p 免疫计数器的概念 放射免疫分析中用得比较多的放射性标记物有1 4 c 、3 h 、1 2 s i 和1 3 1 i 。其中1 4 c 和3 h 放射出的是b 射线，而1 2 5 l 和1 3 1 i 放射出的是丫射线。在临床检验中，通常将1 2 5 i 放射 出的丫射线作为主要测量对象，这是因为： 1 、丫射线比1 3 射线容易探测； 2 、i 原子化学性活泼，可用比较简单的方法来标记抗原和抗体； 3 、1 2 5 i 有比较合适的半衰期( 5 9 7 天) ，放射出的y 射线能量比较低( 3 5 5 k e y ) ，便 于防护。 由于检测对象是y 射线，因此，放射免疫测定中所用的仪器被称为丫免疫计数器。 衡量y 免疫计数器质量的重要指标主要有本底和测量效率。 本底是指在没有放射性样品的情况下，仪器所测的计数。本底的主要来源有：宇宙 射线、环境辐射、核仪器本身的电子噪声。本底越低，仪器的质量越高。 测量效率是指仪器在单位时间内所测的脉冲数与所测样品实际衰变数的比率。测量 效率越高，仪器的质量越好。 3 1 2 y 免疫计数器的工作过程 丫免疫计数器的工作机理是通过测量样品中的y 射线强度来测量标记物的多少，并 由此推算出样品中某种待测物质的含量。其工作过程如下： 从样品中放射出的丫射线打到n a i 晶体上，n a i 晶体将7 射线转换成弱光子辐射， 光子又打到光电倍增管上，被光电倍增管转换成很弱的电脉冲信号。该电脉冲信号经过 放大、整形电路处理后，送到信号幅度分析器，去掉电器热噪声和幅度过高的宇宙射线 所产生的干扰信号后，由定时计数器在一定时间内，对样品进行脉冲信号的计数，最后， 由计算机对此计数值进行分析和计算，得到浓度测量结果，医生根据此结果就可以诊断 疾病。 3 2 丫射线统计规律研究 丫免疫计数器的检测对象为丫射线，受原子核放射性衰变的影响，测量结果存在统 计涨落。因此，多次测量相同时间间隔内的放射性计数，即使保持相同的实验条件，每 次的测量结果也不相同，而是围绕某一平均值上下涨落。 1 5 第二三章丫一免疫计数器 对于大量原子核n ，经过时间t 后，其数目将按指数规律e m 衰减，九为衰变常数， 它与放射源半衰期t 之间满足公式： a 。i n 2( 3 1 ) 一 lj 1j 丁 在t 时间内平均衰变的原子核的数目m 为 聊一n 0 一e 一知) ( 3 2 ) 从统计平均看，在n 个原子核中有咒个核发生衰变的几率为 p ( 厅) 一i j i ? ! ； j i ；五( 1 一p 一知) ”( e 一知) 一“ ( 3 3 ) 设原子核总数n 1 ，测量时间t 远小于放射源的半衰期t ，即n 1 ，也即衰变数 刀远小于粒子总数n 。这时上式分子中的( n 一1 ) ，( n 一2 ) ，( n - n - 1 ) 均可用n 代替，于是有 p ( 咒) 耸( 知) 一矿) 胁掣”p 一肋( 3 4 ) r t !n ! 又柳；n a t ，则有 p o ) 等e 一 ( 3 5 ) 这就是泊松分布。如果在时间间隔t 内平均衰变次数为n l ，则在时问间隔z 内衰变 数为7 出现的几率为p ( n ) 。 放射性计数的统计性是放射性原子核衰变本身固有的特性，与使用的测量仪器及技 术无关【1 9 j 。通常把m 看作是测量结果的最可几值( 出现几率最高的值) ，把起伏带来的 误差称为统计误差，它的大小用标准误差。来描述。 设一次测量得到的总计数为n ，它的标准误差就用万来表示，相对标准误差为 一a n 盟占 ( 3 6 ) 一_ 一- ； 1 ) u ， nn 、l n 由此看出：核衰变测量的统计误差决定于测量的总计数n 的大小，n 越大，绝对误 差越大而相对误差却越小。设对某个计数率m ，作了t 时间的测量，则总计数n 班，f ， 计数率i l l l 的统计误差为 ，l l 一一a n tt 迎t 一挣t ( 3 7 ) v 由式( 3 7 ) 可看出：测量时间t 越长，误差越小。利用上式可以计算m l 的误差： 反过来也可以由误差要求，计算测量需用的时间。测量时就按照算出的时问进行测量， 1 6 长安人学硕- j 学位论文 以免不必要地耽误很多时间或者误差过大 2 0 ，2 。 现取一个样品，在原有的丫免疫计数器上做放射性统计分布实验，选择适当的高压， 使实验条件不变，每次计数3 0 秒，重复计数6 0 次，得到的数据见表3 1 。 表3 1同一样品测量6 0 次所得的实验数据 次数 计数值次数计数值次数计数值 1 2 9 6 32 l 3 3 5 4 4 13 2 9 1 22 9 5 72 22 9 8 64 2 3 1 6 3 32 6 7 92 32 7 0 54 33 4 3 8 43 0 4 22 42 9 1 l 4 42 9 6 4 52 9 4 22 53 2 3 54 52 8 2 3 6 3 0 4 82 62 9 4 44 62 9 5 0 73 1 2 42 72 7 5 34 73 0 7 2 8 2 9 7 42 82 9 3 94 82 9 8 5 93 4 0 22 92 8 3 74 93 1 0 0 1 02 8 5 13 03 0 6 85 03 0 7 6 1 13 2 5 23 l 2 8 2 25 l2 6 2 5 1 23 0 0 83 22 8 6 85 23 1 5 l 1 32 9 1 83 33 0 6 95 32 9 3 0 1 43 1 0 93 42 7 7 65 42 9 3 9 1 52 8 0 33 53 1 3 45 53 1 8 3 1 62 8 4 9 3 62 9 5 4 5 62 8 2 8 1 72 9 1 73 72 6 4 95 73 2 1 5 1 83 1 1 2 3 83 i 0 75 82 8 8 3 1 92 8 4 83 93 0 1 45 93 0 5 7 2 03 0 3 i 4 03 0 2 16 02 8 4 8 上述6 0 次的测量平均值为2 9 9 1 6 ，标准偏差为1 7 5 2 2 5 4 ，实验数据折线图如图3 i 所示。 从以上实验数据中我们可以看出：在本次实验中，对于同一样品在同一观测位置进 行多次重复实验，所测得的数据在其平均值附近波动。 接着我们在同一样品的不同位置进行测量，多次实验后，我们还发现如下规律： 1 7 第三章 r 一免疫计数器 4