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生化分析仪论文
第一章绪论
1.1背景和意义
自动生物化学分析仪（Biochemicalanalyzer,Clinical-chemistryanalyzer）又简称为自动生化分析仪，是由电脑控制,将生化分析中的取样（sampling）、加试剂、混匀、保温反应、检测（detect）、结果计算、可靠性判断、显示和打印、以及清洗（cleaning）等步骤组合在一起自动进行操作的分析仪器。
它可应用于药品、水质、食品和临床分析等领域。
在临床分析方面,生化分析仪主要用来对人的血液和其他体液中的各种生化指标如血红蛋白、胆固醇、葡萄糖、淀粉酶、尿素氮、白蛋白、总蛋白、无机磷、尿酸、钙等进行分析。
自动生化分析仪是各种现代科学,特别是电子学、光学、机械技术、计算机技术和各种生物化学分析技术的结合及临床医学对临床检验设备需求不断增长的结果。
它具有精度高、重复性好、功能齐全、测试项目多,给医生提供受检者的综合性信息等特点。
近些年来，生化分析仪已成为临床分析最常用的检验仪器之一。
世界上第一台生化分析仪是美国泰克尼康（TECHNICON）公司于1957年根据Skeggs教授的设计方案制造的,该仪器发展十分迅速,出现了单通道、双通道、多通道仪器（单通道为一次测一个项目，多通道为一次测多个项目）。
1965年又诞生了分立式自动分析仪，它是一种敞开式的仪器，工作原理与手工操作相似，样品各在彼此分立的反应杯中进行反应。
七十年代，和干化学试剂相配套的反射光分析仪的发展，开辟了生化分析仪的另一分支，提高了准确性、精密性、多功能性和分析速度，其半自动仪器在方便急诊和高科技应用方面别具一格。
八十年代初，美国TECHNICON公司为克服样品之间交叉污染，发明任选式测定方式的仪器，把自动生化分析仪的水平提高到一个新的高度。
九十年代以来，生化分析仪的技术。
主要是向完善仪器各种功能的方向发展，尤其是微电脑的广泛应用，使仪器在分析的准确性、精密度、高效率、低消耗和参与实验室管理方面更好地满足不同层次的要求。
1965年又诞生了分立式自动分析仪，它是一种开敞式的仪器，工作原理与手工操作相似，样品各在彼此分立的反应杯中进行化学反应。
80年代初，美国泰克尼康公司为克服样品之间和试剂之间交叉污染，发明任选式测定方式的仪器，把自动生化分析仪的水平提高到一个新的高度。
随后，相继又有很多任选式的仪器推出，可替代多通道的功能，而且多种项目可以任选，做到化验项目的个体化。
70年代，和干化学试剂相配套的反射光分析仪的发展，开辟了自动分析仪的另一分支，提高了准确性、精密度、高效率、低功耗和参与实验室管理方面更好的满足不同层次的要求。
近几十年来，随着科学技术特别是医学科学的发展，各种自动生化分析仪器和试剂均得到了很大发展，它们采用的尖端技术、可测的反应类型和相应的项目增加。
与之相对应的是，样品量减少；试剂消耗量减少；硬件部分减少；人工参与减少。
因而自动生化分析仪在实验室和临床检验中均获得了广泛的应用。
生化分析仪的种类较多，可从不同的角度来分类；
半自动生化分析仪是指在分析过程中的部分操作（如加样、保温、吸入比色、结果记录等某一步骤）需手工完成，而其余步骤则可由仪器自动完成。
这类仪器的特点是体积小，结构简单，灵活性大，既可分开单独使用，又可与其他一起配合使用，价格便宜，一般在分立式分析仪中常见。
全自动生化分析仪，从加样至出结果的全过程完全由仪器自动完成。
操作者只需把样品放在分析仪的特定位置上，选用程序开动仪器即可等取检验报告。
由于分析中没有手工步骤，故主观误差很少，且由于这类仪器一般都具有自动报告异常情况，自动校正自身工作状态的各功能，因此系统误差也较小，给使用者带来很大的便利。
半自动生化仪同全自动生化仪相比，在操作过程中虽然依赖手工混合试剂和样品，但测量过程完全是由仪器完成的，同样可以保证测量的准确性。
同时由于其价格低廉、灵活方便、运行费用低，特别适合大中型医院病房、急诊化验，小型医院、防疫站、计划生育服务站等门诊化验。
同时这类仪器一般不受试剂、方法的限制、国产试剂、自己配置的试剂及自行设计的方法均可在仪器上进行检测，而且由于仪器的体积小、重量轻、操作方便、反应迅速，尤其适合中、小型检验单位作为日常生化检测的主要仪器，也适用于作急诊生化检测或外出[1]。
目前国内外诊断技术趋于两极化发展，一种是高度集成、自动化的仪器诊断，向大型、多通道、全自动方向发展，以适应大中医院工作量大、速度快、精度高、测定项目多的要求；另一种是简单、快速便于普及的快速诊断，向小型、单通道、分立式、可编程自动化的方向发展，以适应中小医院的工作需要。
而后一种诊断方法更符合社会发展的需要。
目前我国生化分析仪生产水平较低，仅限于半自动和刚刚起步的小型全自动生化仪的生产，难以满足临床检验的需求。
国内大中医院均耗巨资购买进口全自动生化分析仪，因价格昂贵，难以在一般中小医院普及。
本课题定位于上述生化分析仪的第二种发展方向，研究的就是一种价格相对低廉，灵活方便的半自动生化分析仪。
旨在开发操作方便，功能强的小型半自动生化分析仪。
在提高国产仪器的竞争力，适应广大中小型医疗部门的临床需要方面，具有重要的意义和实用价值。
1.2自动生化分析仪的分类和原理
自上世纪五十年代第一台生化分析仪问世以来，随着科学技术尤其是医学科学的发展，各种生化分析仪和诊断试剂均有了很大的发展，根据仪器的结构原理不同，可分为连续流动式（管道式）、分立式、离心式和干片式四类。
（1）连续流动式（continuousstreamingmovementstyle）
连续流动式或管道式，是在测定过程中各待测样品与试剂混合后的化学反应均在同一管道内流动的过程中完成的。
包括样品盘、比例泵、混合器、透析器等主要部件。
其工作原理是在微机控制下，通过比例泵将标本和试剂注入到连续的管道系统中，在一定的温度下，在管道内完成混合、去除干扰物、保温、比色测定、信号放大、运算处理，最后将结果显示并打印出来。
仪器的特点是在检测过程中，样品和样品之间需用空气进行隔离，或用空白试剂或者是缓冲液来隔离。
分为两种模式：
第一种为空气分段系统,该系统是在样品输送的同时，由空气管吸入气泡，气泡将由同样原理吸入并在试剂管道中连续流动的试剂分成均匀的节段，防止交叉污染。
第二种为试剂分段系统，用试剂空白或缓冲液来间隔每个样品的反应液。
又可分为流动注射系统和间隙式系统。
连续流动式由于管道系统结构复杂，不能克服交叉污染，以及故障率高，操作繁琐等原因，目前已基本被淘汰。
（2）离心式生化分析仪
离心式分析仪是1969年以后发展起来的一种分析仪,由Anderson设计,其全部检验过程是在一个类似离心机转头样的圆盘上完成的。
由加样和分析两个部分组成。
加样部分包括样品盘、试剂盘、吸样臂、试剂臂和电子控制部分等。
分析部分除安装有特殊的离心转盘外，还有温控和光学检测系统，以及微机信息处理和显示系统。
离心式分析仪特点是在整个分析过程中的每一个步骤几乎是同时完成的，也叫同步分析。
样品量和试剂量均为微量级（样品1-50uL,试剂120-130uL）,分析速度快（可达600tests/h）。
此类仪器按照设计不同可用光度法、浊度法和散射法及终点法和动态法进行分析。
（3）干片式分析仪
干片式分析仪是上世纪八十年代问世的,首先Eastmankodak公司以其精湛的化学工艺造出了测定血清中血糖、尿素、蛋白质等的干片试剂片。
干片试剂的结构从上到下一般分为展开层、试剂层、显色层和支持层。
原理是采用干化学（drychemistry）方法，将发生在液相反应物中的反应,转移到一个固相载体上,利用分光检测系统进行检测的一类新型仪器。
多采用多层薄膜（multiplelayerfilm）的固相试剂技术,仅需将样品加在固相试剂上进行测定。
当编有条形码的特定试验的试条、试片或袋式试剂包放进测定装置后，其贮存的信息就变成测定功能,直至最后报出结果。
干化学分析仪大都采用反射光度法（reflectancespectroscopy）和基于离子选择电极（ionselectiveelectrode,ISE）的差示电位法（differentialpotentiometry）。
目前用于干片式方法可以测定40多个项目。
干片式由于其独特的优点，是生化分析仪的一个新的发展方向。
（4）袋式分析仪
袋式分析仪采用袋式的干试剂包进行临床化学分析。
袋式试剂包由透明的双层塑料薄膜制成，每袋均有不同的测定项目英文缩写标记。
测定操作开始时将试剂包放进仪器，样品及其稀释液由探针刺孔注入包内，在反应过程中的不同阶段，试剂小袋经破裂器击碎，混合及保温，然后透明小袋经机械碾压形成比色杯用于测定，最后通过计算机系统换算结果并发出报告。
（5）分立式生化分析仪
所谓分立式,是指按人工操作的方式编排程序,并以有序的机械动作代替人工,按程序依次完成各项操作的自动分析仪器。
仪器操作过程中的各环节用传送带连接,按程序依次操作。
分立式生化分析仪与管道式分析仪在结构上的主要区别为:
前者各个样品和试剂在各自的试管中起反应,而后者是在同一管道中起反应；前者采用由采样器和加液器组成的稀释器来取样和加试剂，而不用比例泵；前者一般没有透析器,如要除蛋白质等干扰需另行处理。
将相同或不同的两台或两台以上的分析部分，即分析模块进行组合连接，采用样品架方式使样品通过传输线在不同分析模块间进行传递并检测。
各分析模块所分析项目的组合提高了分析效率，这些分析模块除了基于紫外-可见光谱分析原理的分析模块外,还有基于离子选择电极的电解质分析模块,甚至还可组合建立在免疫发光分析原理的免疫分析模块。
生化分析仪以PIC16F774单片机为核心，实现了生化分析仪的硬件系统。
完成硬件平台、接口模块、小信号放大和对数放大电路模块的开发设计，并使该硬件平台具有一定的抗千扰能力。
利用光电法进行信号检测，同时选用暗电流较小的硒光电池S1133作为光电检测元件，提高了生化分析仪的检测精度。
PICMATE2004集成开发调试环境下使用PIC汇编语言进行软件程序的编制，完成生化分析仪控制系统的软件设计。
按照系统功能要求，将软件分成若干个功能相对独立的模块，包括串行通信模块、显示模块、键盘处理模块、A/D转换模块、数据处理模块等.各个模块部分的内容相互独立，便于程序编写和调试。
第二章全自动生化分析仪控制系统的硬件设计
全自动生化分析仪是集光、机、电、控制、计算机于一体的检验类仪器，需要控制的量很多，同时还需要实时监测系统的运行和异常，因此对控制系统的要求非常高，而控制系统包括硬件系统和软件系统，软件系统又包括上位机软件和底层下位机驱动软件。
硬件是基础，软件是核心，因此基础部分——硬件的设计就显得尤为重要。
2.1硬件需求分析
要实现600速全自动生化分析仪的分析过程，整个仪器需要控制的结构部件很多：
它包括试剂盘（试剂1盘和试剂2盘）、样品盘和反应盘的定位转动；样本臂、试剂1臂和试剂2臂的上下定位运动、水平定位运动；清洗臂上下定位运动；搅拌臂（试剂搅拌和样本搅拌）上下定位运动、水平定位运动；三个注射器（样本注射器、试剂1注射器和试剂2注射器）定量吸液和注液动作；液路中各水泵和电磁阀的开关控制；试剂盘制冷温度的控制；分光光度计的信号测量和数据传输等。
所以控制时序要求非常严格，它需要在一个时间周期内同时完成很多动作，包括：
样品盘的定位转动、加样臂完成一次取样和清洗和注射器加样取样、试剂盘的定位转动、清洗臂完成一次清洗、搅拌臂完成一次搅拌和清洗、光度计对120个反应杯的多个波长下的光电数值进行采样和传输。
可见硬件控制系统需要测量的量非常多，测控对象也很复杂。
根据以上控制系统的特点，硬件结构部分需要具备以下条件：
（1）为了符合系统总体设计思想的安排，首先硬件部分必须具有良好的稳定性，高可靠性，任何子模块的瘫痪不影响其它模块的工作；
（2）系统总线具有高性能的通信协调处理力，能够快速的完成各个子模块给它的通信任务；
（3）系统总线支持多主机节点能力，从而保证各个模块间的通信实时性；
（4）系统总线必须具备良好的可扩展性、可升级性，能支持添加不同的功能或者相同功能的子模块；
（5）系统架构开发简单，成本低，可维护性强。
这些条件决定了硬件结构的总线选型，从而决定了子模块和控制模块的处理器选型，进一步关系到系统的性能和功能需求能否得到满足。
目前可选择的优秀总线种类很多，例如：
232总线，485总线，基金会现场总线、LonWorks、Profibus、Hart、CAN等【1】
由于生化分析仪所处的环境是非常良好的，都是在室内进行检测，外界干扰几乎没有，同时上位机和下位机之间通信速率的要求也不是很高，这样232总线由于其使用简单、价格低廉成为了本系统的首选。
2.2系统方案选择
所谓多单片机控制就是指根据全自动生化分析仪的具体工作要求，把复杂的时序任务成很多部分，由多个单片机（下位机）分别来执行，再由一台计算机（上位机）协调各个单片机的工作，系统的功能由子系统分别来完成。
虽然整个系统运行时序非常复杂，但经过分析可以发现，所有的工作都是围绕着4个盘和6个臂的运动进行展开的，并且所有的盘和臂的动作都是为反应盘工作的。
各个盘和臂都有着相近的运行规律，这就为多单片机控制系统提供了前提条件。
把复杂的任务分成几个顺序执行的动作交给几个单片机分别来处理，每个单片机只处理与之相关的任务，图2.1给出了多单片机的控制方案。
图2.1多单片机控制方案
各个子系统之间是通过RS232总线和PC机进行通信。
采用多单片机控制方案，虽然整机行时序非常复杂，但所有的控制时序都具有相似性，这样只需要分别对每个子系统的动作编写控制程序，降低了开发难度、缩短了研发周期。
由于整个系统是由六个子系统组成，整个硬件系统显得非常庞大，调试起来非常不方便，从而降低了系统的可靠性。
2.2.1一个单片机+逻辑控制器
为了简化硬件系统，提高系统的可靠性，可以用一个性能非常优越的单片机来取代多个单片机，同时加上一个逻辑控制芯片，弱化单片机在实时控制中的角色，把所有的步进电机驱动工作交给逻辑控制芯片来处理，单片机只是负责和PC机（上位机）进行数据传输，采集光电数据和各种状态以及和逻辑控制芯片进行数据交换。
在这个方案的基础上又可以衍生出两种步进电机的控制方式：
（1）恒压驱动
恒压驱动的方式有很多种，一般用得最多的就是单极性双电压驱动方式。
这里讲一种类似于LED点亮方式的步进电机串行恒压驱动。
LED灯的驱动方式非常的直观，我们可以随意点亮任意盏灯。
这种控制思想也可以用于控制步进电机，这样每个步进电机就像一盏LED灯。
所有的步进电机驱动信号是来自于逻辑控制芯片，并且都是串接在一起的，通过74HC595可以把串行信号转换成并行信号（一个74HC595对应一个步进电机）。
当需要哪个步进电机运动的时候就可以使能与步进电机对应的74HC595。
整个硬件系统很简单，但是由于所有步进电机的驱动信号都是串接在一起，从整体上就限制了系统的运行速度，这种方式只适合600速以下的生化仪，超过600速，整个硬件系统就不能运行。
（2）恒流驱动
恒流驱动方式可以保证电机在运行的过程，步进电机绕组的电流是恒定的。
这样可是避免转矩脉动，使电机平稳运行。
一般的情况下恒流的方式是靠电机驱动芯片来实现的，一款驱动芯片对应一个步进电机。
这种方式使用灵活，并且驱动芯片自带保护装置，可以防止MOS管的瞬间短路或者过热而造成损坏。
这种驱动方式也是本系统所采用的，根据负载的不同灵活选用不同的电机驱动芯片，最大程度上减少了资源的浪费。
2.3系统的总体设计
4个USART、2个TWI、1个SPI、1个PWM定时器、3个通用定时器、1个RTC、1个12位ADC和1个10位ADC。
SAM3U体系结构专为高速数据传输而设计，其内含一个多层总线矩阵，多个SDRAM块（banks）、PDC和DMA可并行工作以实现最大数据吞吐量。
可使用的I/O口最多可以达到96个。
AD7715是16位模/数转换器。
该生化分析仪采用前分光方式，稳定的卤素灯光源经透镜聚光，滤光片分光后透过微量流动式比色池，由专业的高性能硅光电池接收，光电池接收信号经过电流-电压转换后电压范围为0～1.5V。
8种不同波长光的电信号的放大倍数，在产品调试时通过调节模拟开关4051上对应的电位器来设定。
对应0～45℃，温度传感器输出的电压范围为0～450mV，信号放大由AD7715内部可编程增益放大器完成。
模拟开关4052用来选择是对光强度信号还是对温度信号进行A/D转换。
2.3.1生化分析仪的测量原理与方法
朗伯－比尔定律[3]认为：
log（I0/I）=εbC
（1）
式中Io、I分别为入射光和通过溶液后的透射光的光强，log（Io/I）称为吸光度，C为溶液浓度，b为光程，ε为光被吸收的比例系数，它与溶液的性质及入射光的波长有关。
依据不同溶液对不同波长光的选择性吸收，通过测定样品及试剂的吸光度及其变化率来测定样品的浓度。
对于某一种溶液，两个试剂的浓度分别为C样、C水，根据式
（1）有
C样-C水=-klog（I样/I水），
式中k=1/εb。
由于空白试剂水的浓度C水=0，则样本试剂浓度
C样=-klog（I样/I水）
（2）
因此，只要首先测出入射光通过空白试剂水的光强I水，然后以一个已知浓度的标准试剂测出式
（2）中的比例因子k，那么以后就可以依据式
（2）来测量计算样本试剂的浓度。
本测量方法避免了采用模拟对数放大与运算，而是将对数运算由软件来完成。
这对于高精度的生化检测分析，具有重要的意义[4]。
2.4C8051F单片机配置端口IO交叉开关
如图2.3所示，交叉开关是一个多路选择器，它用于为器件内部的硬件外设分配I/O端口。
例如，它可以决定UART的RXD和TXD连到哪一个端口引脚。
交叉开关负责SMBus、SPI、UAR、定时器捕捉模块、外部PCA输入、比较器输出、定时器外部输入、/SYSCLK以及A/D转换启动输入的引脚分配。
必须在访问这些外设的I/O之前配置和允许交叉开关。
未指定的端口引脚作为通用I/O。
交叉开关提供了两个关键的系统特性：
1.在端口0、端口1和端口2上的所有未分配的通用I/O口引脚都被连续组合在一起。
2.对于引脚数量少的器件，它提供了外设选择的灵活性。
外设选择只受限于可用的端口引脚数，而不受限于哪一个引脚是可用的。
这就允许系统设计者在使用引脚数少的器件时能选择将哪些数字外设分配到器件上的数字I/O引脚。
为了使用端口0、端口1或端口2的任何一个引脚作为输出，交叉开关必须被允许。
交叉开关译码器必须在任何一个数字外设被允许前配置。
交叉开关通常在复位时被配置一次，在复位处理过程的最开始处，以后不再进行配置。
交叉开关的设置改变器件的引脚分配。
每一种交叉开关设置导致唯一的器件引脚分配，如果你在交叉开关中允许或禁止外设，引脚分配将发生变化。
对于输出端口引脚，其输出方式（漏极开路或推挽）必须被显式设置，即使那些由交叉开关分配的端口引脚也是如此。
例外情况是SMBus上的SDA和SCL及UART的RXD引脚，这些引脚被自动配置为漏极开路。
交叉开关分配的输入引脚（例如NSS或/INT0）是漏极开路或推挽并不重要。
这些引脚被配置为输入，而与相应端口配置寄存器的设置无关。
为了将一个通用I/O引脚配置为输入，与这一引脚相关的端口配置寄存器位必须被清0，这样即可选择该引脚为漏极开路输出方式。
另外，与该引脚相关的端口位必须被置1，这样使该引脚处于高阻态，或在XBR2中的WEAKPUD被清0时弱上拉为高电平，这是端口引脚的复位配置。
在任意时刻可以通过读取相应端口SFR得到端口引脚的电平值，而不管交叉开关寄存器的设置如何或引脚被配置为输入还是输出。
交叉开关寄存器中的允许位是独立的。
与数字外设本身的允许位是分开的。
外设部件在使用时不需要在交叉开关中被允许（例如，一个PCA模块即使在输出没有被接到引脚的情况下也能产生中断）。
那些在交叉开关中被允许但在它们自己的SFR中被禁止的外设，仍然控制端口引脚。
这就是说，端口引脚可以在任何时候被读取，但是输出被占用它的外设所控制，不能作为通用输出口来访问。
端口1上的四个外部中断（P1.[4..7]）是由引脚上的下降沿触发的，与下降沿触发源、交叉开关设置或端口引脚的输出方式无关。
与标准8051不同的是，C8051提供了真正的推挽输出。
如果需要8051的上拉功能，可以通过将相应的端口输出配置为“推挽”方式，然后再配置为“漏极开路”来进行软件仿真[7]。
使用优先权交叉开关译码表来决定器件的引脚分配，这种分配基于交叉开关寄存器中的外设选择，这些选择在表2-1到表2-3中列出。
为了确定引脚分配，首先根据所需要的外设来配置交叉开关寄存器，然后从优先权交叉开关译码表的顶部开始向下扫描，直到遇到第一个被允许的外设部件。
该设备将使用P0.0，如果需要多个引脚，就可以按顺序从P0.1向后分配，例如，如果SPI是第一个被允许的外设，则SCK、MISO、MOSI和NSS将分别被分配到P0.0、P0.1、P0.2、P0.3。
下一个被允许的外设将被分配到引脚P0.4。
所有未分配的引脚作为通用I/O。
表2-1端口I/O交叉开关寄存器0
CP0OEN
ECIE
PCA0ME
UARTEN
SPI0OEN
SMB0OEN
CP0OEN：
比较器0的输出允许位
0：
CP0不连到端口引脚。
1：
CP0连到端口引脚。
ECIE：
PCA0计数器输入允许位
0：
ECI不连到端口引脚。
1：
ECI连到端口引脚。
PCA0ME：
PCA模块I/O允许位
000：
所有的PCAI/O都不连到端口引脚。
001：
CEX0连到端口引脚。
010：
CEX0、CEX1连到两个端口引脚。
011：
CEX0、CEX1、CEX2连到三个端口引脚。
100：
CEX0、CEX1、CEX2、CEX3连到四个端口引脚。
101：
CEX0、CEX1、CEX2、CEX3、CEX4连到五个端口引脚。
110：
保留。
111：
保留。
UARTEN：
UARTI/O允许位
0：
UARTI/O不连到端口引脚。
1：
RXTX连到两个端口引脚。
SPI0OEN：
SPIBusI/O允许位
0：
SPII/O不连到端口引脚。
1：
MISO、MOSI、SCK和NSS连到四个端口引脚。
SMB0OEN：
SMBusBusI/O允许位
0：
SMBusI/O不连到P0.0、P0.1。
1：
SDA连到P0.0，SCL连到P0.1。
表2-2端口I/O交叉开关寄存器1
SYSCKE
T2EXE
T2E
INT1E
T1E
INT0E
T0E
CP1OE
SYSCKE：
SYSCLK输出允许位
0：
SYSCLK不连到端口引脚。
1：
SYSCLK输出连到端口引脚。
T2EXE：
T2EX允许位
0：
T2EX不连到端口引脚。
1：
T2EX连到端口引脚。
T2E：
T2允许位
0：
T2不连到端口引脚。
1：
T2连到端口引脚。
INT1E：
/INT1允许位
0：
/INT1不连到端口引脚。
1：
/INT1连到端口引脚。
T1E：
T1允许位
0：
T1不连到端口引脚。
1：
T1连到端口引脚。
INT0E：
/INT0允许位
0：
/INT0不连到端口引脚。
1：
/INT0连到端口引脚。
T0E：
T0允许位
0：
T0不连到端口引脚。
1：
T0连到引脚。
CP1OE：
比较器1输出允许位
0：
CP1不连到端口引脚。
1：
CP1连到端口引
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