微小型快速生化检测仪系统控制关键技术研究

李春杰

【摘要】本文主要分析微小型快速生化检测仪系统存在的相关问题，并针对这些问题提出了基于S3C2410A的集成控制系统方案，对系统控制的电路、结构、方法等进行了研究、改进，最后通过硬件电路调试，对核心板功能进行了验证，结果显示微小型快速生化检测仪控制系统能够满足实用化要求。

【关键词】微小型；生化检测仪；控制系统；关键技术

【中图分类号】R319【文献标识码】A【文章编号】1672-5085（2014）24-0083-02

在临床检验中，生化检验是必备的检验仪器，该仪器是通过检测人体体液、血液来获得各项生化指标的，其是为临床诊断、治疗提供科学依据的重要环节。以前使用的生化检测仪具有不方便携带、环境适应性差、响应速度慢等缺点，很难满足突发事件现场的生化检测需要，所以近年来关于微小型快速生化检测仪的研究也成为了一个热点问题。本文主要针对现有微小型快速生化检测仪控制系统存在的问题，提出了相应的优化方案，以满足微小型快速生化检测仪的实用性要求。

一、微小型快速生化检测仪存在的问题

目前，我国的微小型快速生化检测仪主要采用上位机、下位机配合方案进行系统控制，虽然该方案让仪器具有数据处理快速、功能多样的优点，但大部分的微小型生化检测仪都在系统控制电路、结构、方式等方面存在着不少问题。

原微小型生化检测仪采用上下位机联合控制方案，上位机指令传达到下位机后，实现光源、风扇、样品室温度、搅拌电机等模块控制，同时下位机也会将数据传给上位机，进行数据处理、数据显示和存储，见图1。在电路设计方面，主要存在以下问题：一是电路集成度较低，仪器功耗偏大；二是晶体管T2截止、T1导通时，帕尔贴将对样品室制冷；三是卤钨灯光源光强稳定性不佳。

图1微小型生化检测仪控制系统框图

在系统结构方面，主要存在样品室恒温系统、广谱扫描系统、光学系统等方面不足；在系统控制方法方面，主要存在上下位机通信信号不稳定，容易死机、数据易丢失等问题。

二、优化方案

为解决当前微小型生化检测仪普遍存在的问题，满足生化检验需要，本研究对原微小型生化检测仪控制系统进行了深入分析，制定了相应的优化方案。图2所示为优化后的微小型生化检测仪控制系统框图。优化后的生化检验仪，其样品检测系统由S3C2410A进行控制，由光纤将检测系统发射的光信号传送到光谱仪中，再经S3C2410A、USB通信采集数据。优化方案中，保留了原系统接口电路和人机交互模块，将ARM9S3C2410A作为控制核心，构建软硬件平台，最终实现模块的集成控制。为实现整体优化方案，本研究从控制电路、系统结构、控制方法几方面采取了相应的优化方法。

图2优化后的微小型生化检测仪控制系统框图

（一）控制方法优化

本研究改变了检测仪原来使用的上下位机配合控制方式，选用了S3C2410A集成系统，以实现系统各模块的集成控制。在通信方式方面，采用了基于USB接口的S3C2410A与微型光谱仪通信，这一优化思路很好地解决了原检测仪基于并口实现上位机与微型光谱仪通信，数据传输稳定性差，容易丢失数据的问题。

（二）控制电路优化

比较优化前后的微小型生化检测仪控制系统框图，可以看出在控制电路方面，并没有对LCD模块进行变动，这是因为原系统的LCD模块能对光谱曲线进行实时显示，同时也能方便地进行数据查询，人机交互功能良好，所以在优化方案中保留了此功能模块。对控制电路的优化，主要针对样品室恒温、电源管理、光谱扫描、电源供电、散热等模块。优化后的系统控制电路框图，如图3。

样品室恒温模块：本研究尝试使用ADN8830电路对MOSFET功率管H桥进行控制，以控制帕尔贴的制冷、加热动作。此控制电路的控制精度较高，理论上控制精度在-0.01℃~0.01℃之间。该电路采用了PWM开关和线性工作2种输出模式，能有效降低系统功耗的同时，提升工作效率。另外，该控制电路还能方便地进行目标温度、环境温度、PWM工作频率、帕尔贴电压设定。

电源管理模块：通过建立实验电路，计算得出优化后的仪器负载功耗：光源3W、电机4.8W、样品室恒温4.5W、LCD5W、风扇5W、其他2.85W，检测仪的总功耗在25W左右。与优化前的检验仪功耗相比，优化后的系统功耗降低了50%以上。根据仪器的负载功耗，可选用相应的电源适配器或者移动充电电池，进行电池供电即可满足系统功耗，这也很好地满足了微小型生化检测仪的低功耗、易携带的使用要求。

（三）系统结构优化

对系统结构的优化，主要是对光学、光谱扫描、样品室恒温3大系统结构的优化。

光学系统：为避免出现积分时间最小值情况下出现饱和光强，就需要对检测光程进行调整，同时还要对光源进行改进；由于对光源、检测光程、样品室尺寸进行了调整，所以也需重新选择比色杯；要遵循通光面积“比色杯小于透镜”的原则，进行透镜原则。

光谱扫描系统：一方面要使用与外部步进电机相配合的单导轨，以简化仪器安装流程，缩小仪器体积；另一方面，要求出步进电机的细分步数、动态电流的最优值，通过最优化设置来提升检测速度，减少系统功耗。图4所示为优化后的光谱扫描系统结构图。

图4优化后的光谱扫描系统结构图

样品室恒温系统：一是调整恒温方式。利用空气浴实现恒温，这样不仅很好地避免了侧壁光窗污染，同时也让该系统的结构更为简化；二是调整帕尔贴位置。在样品室底部均匀分布3块串联的帕尔贴，通过对帕尔贴布局进行优化，能更好地保证各样品室恒温。

三、系统调试

按照优化方案，对原生化检测仪的系统控制方法、系统结构、控制电路进行了优化、改进。对优化后的检验仪各功能模块进行硬件调试，并配合应用程序、驱动程序进行模块功能测试，测试结果显示各模块的运作均正常。对原检测仪和优化检测仪的主要性能进行测试发现，优化后的微小型快速生化检测仪控制系统能够很好地满足实用化要求。

参考文献

[1]余清华,温志渝,陈刚等.基于微型光谱仪的微小型快速生化检测仪设计与实验[J].光谱学与光谱分析,2012,32(3):854-857.

[2]黄晓.微小型快速生化检测仪系统控制关键技术研究[D].重庆大学,2013.

[3]温志渝,李恒毅,廖海洋等.快速救护微型生化检测仪的光学系统设计[J].半导体光电,2010,31(2):288-290,295.