基于C8051F350的干式生化分析系统的硬件设计

摘要：人体体液的生化指标是临床的重要参考资料，在疾病诊断和治疗上有着非常重要的意义。本文介绍了以单片机C8051F350为核心设计的干式生化分析的硬件系统。系统集信号采样、信号调理、光源选择、条码扫描、自动温控等功能于一身，能够准确、快速、方便的完成对多项生化指标的检测。经过样机实验证明，使用方便、快捷．具有较高的使用潜力和价值。
关键词：C8051F350；微弱信号；条码扫描；自动温控

    生化分析仪是用来对人体的血液、尿液等体液中各种生化成分进行定量检测和分析的仪器，能够检验如肝功能、肾功能、血脂、心功能，它同时还能测量激素及微量蛋白。人体体液的生化指标在临床疾病诊断和治疗上具有重要的参考价值。是临床的重要参考资料。
    临床检验中的干式生化分析实际上是相对于经典的湿式生化分析而言，干式生化分析主要是指将液体样品(如血清、血浆、全血、尿液等)直接加到固定在干载体的干试剂上，并且以样品中的水分作为溶剂，是样品中的待测成分与试剂进行化学反应，从而进行分析的一种检验方法，是集当代化学、光学、酶学、化学计量和计算机技术于一体的多学科分析技术。由于这种检验方法的快速性，干式生化分析仪在各医院检验科得到了大幅的推广，关于干式生化分析仪的研究也越来越多。

1 系统概述
    本系统以Silicon Labs公司的单片机C8051F350为核心进行系统硬件的搭建。C8051F350是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有高速的、流水线结构8051兼容的CIP51内核，对于学习或使用过51内核单片机的技术人员来说，易于开展研发工作。C8051F350器件具有片内C2接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在线系统调试，方便调试，缩短设计流程。

    该系统的构成框图如图1所示。系统的工作流程为：将干片置于载物台上，距离检测器感应到干片已经到位，释放信号进行条码扫描，将扫描到的信息送到单片机内存储备用。然后控制机械结构将载物台运送到进样位，将样品滴到干片上，继而将干片引至恒温的检测位进行检测。检测过程主要是首先单片发出信号选定所需波长的光源，照射到载有样品的干片上，光经过反射至系统的检测部分，继而将光信号转换为电信号，经过放大滤波电路的调理之后，送至单片机进行运算处理。单片机处理之后，通过RS232接口与ARM进行通信，并将信息传送至ARM进行后续处理和显示。

2 硬件设计
    本系统的硬件部分主要可以分为以下几个部分：电源部分、条码扫描米快、温度测控制模块、LED光源模块、信号测量与处理模块以及与ARM等通讯的RS232接口模块。电源模块为单片机提供工作电流，同时为光源和温控部分提供电流。条码扫描模块读取干片的条码信息。温度测控模块使孵育和检测温度保持在恒温下，减小温度对测量结果的影响，提高测量的精度。LED光源模块提供检测用光，并且实现不同波长光源的切换。信号测量与处理模块，采样光路中返回的光信号转换为电压信号，对含有各种噪声的信号进行放大滤波等调制处理，后送至单片机内进行数据处理与传递。
2．1 条码扫描模块
    条码扫描模块包括干片感测和条码扫描，该部分的作用是通过近距检测器检测到干片已经被放置在载片台上，将控制信号发至条码扫描仪，条码扫描仪扫描干片上的条码信息发送至单片机，从而实现被检验者信息的自动输入和识别。其中U1为近距检测器(HSDL-9100)，当干片接近该近距检测器时，经过干片反射回来的光强度增加，流过Rt的电流增大，运算放大器U2的同相输入端电压升高。经过U2的放大之后，输入到比较器U3的反向输入端与基准电压进行比较，将数字信号输出到条码扫描仪，通知扫描仪进行条码扫描。其中，通过R8能够设置合理的阈值，防止控制信号振荡。条码扫描仪选用摩托罗拉的SE995。

2．2 温度测控模块
    温度测控部分包括温度检测与温度控制。由于温度对化学反应的影响比较大，所以干式生化分析对于温度的要求较高。在系统的硬件设计中，采用反馈法对反应温度进行实时精确控制。如图3所示，热敏电阻对于温度有较高的灵敏度，当温度变化时，热敏电阻的阻值发生相应的变化。恒流源使电流通过热敏电阻，将电阻的变化转换为电压的变化，后经过运算放大器的放大将模拟信号直接送至单片机C8051F350内，在CPU内部与设定的标准值进行比较，并且经过单片机内部的PID算法作用，计算出模拟输出的量，控制帕尔贴加热或者制冷。例如，当输入电压小于标准值，说明温度高于温度标准值，单片机的模拟输出端输出模拟信号，经放大控制驱动芯片产生电流，使得帕尔贴转换为制冷，降低检测温度。反之，若输入电压高于标准值，说明温度低于温度标准值，单片机控制驱动芯片。使得帕尔贴转换为加热状态。在PID负反馈的作用下，能将检测温度控制在37±0．5℃。

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2．3 LED光源模块
    本干式生化分析系统能够检测多种生化指标，而不同的生化指标需要不同波长的光进行检测，于是本系统设计了8波长光路的选择电路。可以通过单片机C8051F350的发出指令信号来选择通所需波长的LED光源。由于单片机的引脚为TTL电路，高电平为3．3 V左右，因此无法满足CD4051的电平要求，因此设计了如图4所示的管够转换电路，将高电平电压由3．3 V转换为12 V左右，达到控制CD4051选通作用。另外，在某些特定的时候，要求所有的光源都处于不发光状态，因此单片机的P1．0口信号连至CD4051的使能端，以方便的控制CD4051的工作状态，输出低电平时，CD4051所有通道都将截止。

2．4 信号测量与处理模块
    信号测量与处理电路包括信号采样电路、前置放大电路、滤波电路以及后置放大电路等，如图5所示。

    图6为信号测量与处理模块的具体电路图。光电二极管D1将光信号转换为电流信号，该电流信号经过高精密运算放大器U5组成放大电路的放大作用，流经R13变为电压信号。在此之后是以运算放大器U6A(即OPA2131)为核心的有源低通滤波电路，滤除信号内混杂的高频噪声。滤除高频噪声的信号经过滤波器芯片UAF42组成的工频信号陷波电路，滤除50 Hz的工频干扰，随后经过U6B和U8(CD4051)组成的后置放大电路后送至单片机内。

    UAF42是一款德州仪器公司设计生产的通用滤波器芯片。该滤波器芯片具有设计方便、使用灵活的特点，通过改变UAF42的电路参数可以构成各种满足工程实际需要的滤波器。德州仪器还为这款滤波器芯片设计了电路辅助设计软件，即Filter42．exe，可以直接在TI网站下载并使用。另外，各种指标测量时，所用的LED光源不同，各种样品对光的反射率也不同，因此信号的大小范围也各有不同。于是，本系统的后置放大电路中设计了8个放大通道，以便为每个LED光源匹配合适的放大倍数。
2．5 RS232接口模块
    RS232接口电路：C8051的管脚为LS-TTL电平，即逻辑1为高电平(>2．5 V)，逻辑0为低电平(<0．25 V)。PC或ARM的串口上的电平形式为RS232电平，即逻辑1(MARK)为-3～-15 V，逻辑0(space)为3～15 V。二者进行信息通讯的前提是电平类型一致，于是选用MAX3232电平转换芯片来实现TTL至RS232的转换。

3 结论
    本文设计的干式生化分析硬件系统能够对微弱的光信号进行检测与信号调理，同时具备自动光源选择、自动条码扫描、自动温度控制等技术，通过与ARM开发板的连接，能够完成对多种生化指标的准确检测。在实际检测过程中，除加样以外其余工作均能实现自动化，检测速度快且能保证测量精度，大大提高了仪器的自动化程度、快速性和可靠性。同时，使用方便快捷，具有较高的实用价值。