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(tǒng)。系統(tǒng)集信號采樣、信號調理、光源選擇、條碼掃描、自動溫控等功能于一身，能夠準確、快速、方便的完成對多項生化指標的檢測。經過樣機實驗證明，使用方便、快捷．具有較高的使用潛力和價值。
關鍵詞：C8051F350；微弱信號；條碼掃描；自動溫控

    生化分析儀是用來對人體的血液、尿液等體液中各種生化成分進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值。是臨床的重要參考資料。
    臨床檢驗中的干式生化分析實際上是相對于經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行化學反應，從而進行分析的一種檢驗方法，是集當代化學、光學、酶學、化學計量和計算機技術于一體的多學科分析技術。由于這種檢驗方法的快速性，干式生化分析儀在各醫(yī)院檢驗科得到了大幅的推廣，關于干式生化分析儀的研究也越來越多。

1 系統(tǒng)概述
    本系統(tǒng)以Silicon Labs公司的單片機C8051F350為核心進行系統(tǒng)硬件的搭建。C8051F350是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有高速的、流水線結構8051兼容的CIP51內核，對于學習或使用過51內核單片機的技術人員來說，易于開展研發(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(tǒng)中的產品器件進行非侵入式、全速的在線系統(tǒng)調試，方便調試，縮短設計流程。

    該系統(tǒng)的構成框圖如圖1所示。系統(tǒng)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到位，釋放信號進行條碼掃描，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樣位，將樣品滴到干片上，繼而將干片引至恒溫的檢測位進行檢測。檢測過程主要是首先單片發(fā)出信號選定所需波長的光源，照射到載有樣品的干片上，光經過反射至系統(tǒng)的檢測部分，繼而將光信號轉換為電信號，經過放大濾波電路的調理之后，送至單片機進行運算處理。單片機處理之后，通過RS232接口與ARM進行通信，并將信息傳送至ARM進行后續(xù)處理和顯示。

2 硬件設計
    本系統(tǒng)的硬件部分主要可以分為以下幾個部分：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，并且實現不同波長光源的切換。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行放大濾波等調制處理，后送至單片機內進行數據處理與傳遞。
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近距檢測器檢測到干片已經被放置在載片臺上，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，從而實現被檢驗者信息的自動輸入和識別。其中U1為近距檢測器(HSDL-9100)，當干片接近該近距檢測器時，經過干片反射回來的光強度增加，流過Rt的電流增大，運算放大器U2的同相輸入端電壓升高。經過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行比較，將數字信號輸出到條碼掃描儀，通知掃描儀進行條碼掃描。其中，通過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(tǒng)的硬件設計中，采用反饋法對反應溫度進行實時精確控制。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，熱敏電阻的阻值發(fā)生相應的變化。恒流源使電流通過熱敏電阻，將電阻的變化轉換為電壓的變化，后經過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行比較，并且經過單片機內部的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，經放大控制驅動芯片產生電流，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，說明溫度低于溫度標準值，單片機控制驅動芯片。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℃。

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2．3 LED光源模塊
    本干式生化分析系統(tǒng)能夠檢測多種生化指標，而不同的生化指標需要不同波長的光進行檢測，于是本系統(tǒng)設計了8波長光路的選擇電路?？梢酝ㄟ^單片機C8051F350的發(fā)出指令信號來選擇通所需波長的LED光源。由于單片機的引腳為TTL電路，高電平為3．3 V左右，因此無法滿足CD4051的電平要求，因此設計了如圖4所示的管夠轉換電路，將高電平電壓由3．3 V轉換為12 V左右，達到控制CD4051選通作用。另外，在某些特定的時候，要求所有的光源都處于不發(fā)光狀態(tài)，因此單片機的P1．0口信號連至CD4051的使能端，以方便的控制CD4051的工作狀態(tài)，輸出低電平時，CD4051所有通道都將截止。

2．4 信號測量與處理模塊
    信號測量與處理電路包括信號采樣電路、前置放大電路、濾波電路以及后置放大電路等，如圖5所示。

    圖6為信號測量與處理模塊的具體電路圖。光電二極管D1將光信號轉換為電流信號，該電流信號經過高精密運算放大器U5組成放大電路的放大作用，流經R13變?yōu)殡妷盒盘?。在此之后是以運算放大器U6A(即OPA2131)為核心的有源低通濾波電路，濾除信號內混雜的高頻噪聲。濾除高頻噪聲的信號經過濾波器芯片UAF42組成的工頻信號陷波電路，濾除50 Hz的工頻干擾，隨后經過U6B和U8(CD4051)組成的后置放大電路后送至單片機內。

    UAF42是一款德州儀器公司設計生產的通用濾波器芯片。該濾波器芯片具有設計方便、使用靈活的特點，通過改變UAF42的電路參數可以構成各種滿足工程實際需要的濾波器。德州儀器還為這款濾波器芯片設計了電路輔助設計軟件，即Filter42．exe，可以直接在TI網站下載并使用。另外，各種指標測量時，所用的LED光源不同，各種樣品對光的反射率也不同，因此信號的大小范圍也各有不同。于是，本系統(tǒng)的后置放大電路中設計了8個放大通道，以便為每個LED光源匹配合適的放大倍數。
2．5 RS232接口模塊
    RS232接口電路：C8051的管腳為LS-TTL電平，即邏輯1為高電平(>2．5 V)，邏輯0為低電平(<0．25 V)。PC或ARM的串口上的電平形式為RS232電平，即邏輯1(MARK)為-3～-15 V，邏輯0(space)為3～15 V。二者進行信息通訊的前提是電平類型一致，于是選用MAX3232電平轉換芯片來實現TTL至RS232的轉換。

3 結論
    本文設計的干式生化分析硬件系統(tǒng)能夠對微弱的光信號進行檢測與信號調理，同時具備自動光源選擇、自動條碼掃描、自動溫度控制等技術，通過與ARM開發(fā)板的連接，能夠完成對多種生化指標的準確檢測。在實際檢測過程中，除加樣以外其余工作均能實現自動化，檢測速度快且能保證測量精度，大大提高了儀器的自動化程度、快速性和可靠性。同時，使用方便快捷，具有較高的實用價值。