基于C8051F350的干式生化分析系統的硬件設計

摘要：人體體液的生化指標是臨床的重要參考資料，在疾病診斷和治療上有著(zhù)非常重要的意義。本文介紹了以單片機C8051F350為核心設計的干式生化分析的硬件系統。系統集信號采樣、信號調理、光源選擇、條碼掃描、自動(dòng)溫控等功能于一身，能夠準確、快速、方便的完成對多項生化指標的檢測。經(jīng)過(guò)樣機實(shí)驗證明，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；條碼掃描；自動(dòng)溫控

生化分析儀是用來(lái)對人體的血液、尿液等體液中各種生化成分進(jìn)行定量檢測和分析的儀器，能夠檢驗如肝功能、腎功能、血脂、心功能，它同時(shí)還能測量激素及微量蛋白。人體體液的生化指標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。
臨床檢驗中的干式生化分析實(shí)際上是相對于經(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，是樣品中的待測成分與試劑進(jìn)行化學(xué)反應，從而進(jìn)行分析的一種檢驗方法，是集當代化學(xué)、光學(xué)、酶學(xué)、化學(xué)計量和計算機技術(shù)于一體的多學(xué)科分析技術(shù)。由于這種檢驗方法的快速性，干式生化分析儀在各醫院檢驗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 系統概述
本系統以Silicon Labs公司的單片機C8051F350為核心進(jìn)行系統硬件的搭建。C8051F350是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有高速的、流水線(xiàn)結構8051兼容的CIP51內核，對于學(xué)習或使用過(guò)51內核單片機的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，易于開(kāi)展研發(fā)工作。C8051F350器件具有片內C2接口調試電路，支持使用安裝在最終應用系統中的產(chǎn)品器件進(jìn)行非侵入式、全速的在線(xiàn)系統調試，方便調試，縮短設計流程。

該系統的構成框圖如圖1所示。系統的工作流程為：將干片置于載物臺上，距離檢測器感應到干片已經(jīng)到位，釋放信號進(jìn)行條碼掃描，將掃描到的信息送到單片機內存儲備用。然后控制機械結構將載物臺運送到進(jìn)樣位，將樣品滴到干片上，繼而將干片引至恒溫的檢測位進(jìn)行檢測。檢測過(guò)程主要是首先單片發(fā)出信號選定所需波長(cháng)的光源，照射到載有樣品的干片上，光經(jīng)過(guò)反射至系統的檢測部分，繼而將光信號轉換為電信號，經(jīng)過(guò)放大濾波電路的調理之后，送至單片機進(jìn)行運算處理。單片機處理之后，通過(guò)RS232接口與ARM進(jìn)行通信，并將信息傳送至ARM進(jìn)行后續處理和顯示。

2 硬件設計
本系統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、溫度測控制模塊、LED光源模塊、信號測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。溫度測控模塊使孵育和檢測溫度保持在恒溫下，減小溫度對測量結果的影響，提高測量的精度。LED光源模塊提供檢測用光，并且實(shí)現不同波長(cháng)光源的切換。信號測量與處理模塊，采樣光路中返回的光信號轉換為電壓信號，對含有各種噪聲的信號進(jìn)行放大濾波等調制處理，后送至單片機內進(jìn)行數據處理與傳遞。
2．1 條碼掃描模塊
條碼掃描模塊包括干片感測和條碼掃描，該部分的作用是通過(guò)近距檢測器檢測到干片已經(jīng)被放置在載片臺上，將控制信號發(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，從而實(shí)現被檢驗者信息的自動(dòng)輸入和識別。其中U1為近距檢測器(HSDL-9100)，當干片接近該近距檢測器時(shí)，經(jīng)過(guò)干片反射回來(lái)的光強度增加，流過(guò)Rt的電流增大，運算放大器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電壓進(jìn)行比較，將數字信號輸出到條碼掃描儀，通知掃描儀進(jìn)行條碼掃描。其中，通過(guò)R8能夠設置合理的閾值，防止控制信號振蕩。條碼掃描儀選用摩托羅拉的SE995。

2．2 溫度測控模塊
溫度測控部分包括溫度檢測與溫度控制。由于溫度對化學(xué)反應的影響比較大，所以干式生化分析對于溫度的要求較高。在系統的硬件設計中，采用反饋法對反應溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制。如圖3所示，熱敏電阻對于溫度有較高的靈敏度，當溫度變化時(shí)，熱敏電阻的阻值發(fā)生相應的變化。恒流源使電流通過(guò)熱敏電阻，將電阻的變化轉換為電壓的變化，后經(jīng)過(guò)運算放大器的放大將模擬信號直接送至單片機C8051F350內，在CPU內部與設定的標準值進(jìn)行比較，并且經(jīng)過(guò)單片機內部的PID算法作用，計算出模擬輸出的量，控制帕爾貼加熱或者制冷。例如，當輸入電壓小于標準值，說(shuō)明溫度高于溫度標準值，單片機的模擬輸出端輸出模擬信號，經(jīng)放大控制驅動(dòng)芯片產(chǎn)生電流，使得帕爾貼轉換為制冷，降低檢測溫度。反之，若輸入電壓高于標準值，說(shuō)明溫度低于溫度標準值，單片機控制驅動(dòng)芯片。使得帕爾貼轉換為加熱狀態(tài)。在PID負反饋的作用下，能將檢測溫度控制在37±0．5℃。