基于ARM7半自动生化分析仪的研究和设计硕士学位毕业论文Word格式文档下载.docx

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指导教师签名：

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独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过后作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

日期：

年月

摘要

生化分析仪是一种集光、机、电和医于一体的医疗临床诊断设备，主要用于临床检验人体血液和其他体液中的各种生化指标。

当人体组织发生病变时,病人体液中的生化指标将会发生变化,准确而快速的检测出这些生化指标,可以为医生诊断和确定病人病情提供科学的依据。

随着科学技术和人类社会的不断发展，检测快速、操作简单直观、低成本、高性能小型生化分析仪是近年来一个重要的发展方向。

本文通过了解生化分析仪原理和生化测试基础，根据生化分析仪所要达到的性能指标，设计半自动化生化分析仪控制系统的总体结构，对硬件和软件功能做出明确和合理的分配。

以嵌入式技术为核心，选用当前32位的ARM7处理器LPC2124，研究了ARM的体系结构，搭建了智能型半自动生化分析仪的硬件平台，详细的介绍了生化分析仪的各个功能模块的控制方法；

并根据系统的各模块特点，阐述了系统的PCB的设计和制作的原则，使该硬件平台具有一定的抗干扰能力。

在半自动生化分析软件设计方面，本文详细的介绍了ADS1.2调试环境，以及仿真调试工具H-JTAG；

按照系统功能要求和模块化程序思想，设计了显示模块、键盘处理、A/D转换模块、实时时钟和温度控制模块等。

同时本文还论述了程序调试的一般方法，在软件设计和调试过程中的问题，总结了一些的解决方案。

最后对整个系统相关功能模块进行实验测试，并对测试结果进行了误差分析。

上述研发成果通过试验室仿真调试证实了有效性和实用价值，为本生化分析仪最终完成以及以后的研究开发打下了良好的基础，其中系统的任务调度方法和生化分析方法，具有一定的应用和推广价值。

关键词：

生化分析仪；

LPC2124；

嵌入式；

ADS；

生化测试；

抗干扰

ABSTRACT

Thebiochemicalanalyzerisaninstrumentincludingoptics,mechanics，electronicsandmedicinaltechnology.Itisusedinthedetectionofvariousbiochemicalindexesofbloodandtheotherbodyfluid.Whenthebodytissuelesions,thepatient’sbodyfluidsofbiochemicalparameterswillbechanging.Detectingthesebiochemicalparametersaccuratelyandrapidlycanprovidescientificbasisfordoctorstodiagnosisanddeterminethepatient’scondition.Alongwiththedevelopmentofscienceandtechnology,thesmallbiochemicalanalyzerwithfastdetection,easyoperationandlowcosthavebecomeanimportantdirectionofdevelopmentinrecentyears.

Studyingthoughtheprinciplesofbiochemicalanalysisandthebasisofbiochemicaltest,andaccordingtotheperformanceindicatorsofthebiochemicalanalyzertobeachieved,thearchitecturesofcontrolsystemofthebiochemicalanalyzerisdesigned,andaclearandreasonabledistributionforthehardwareandsoftwarefunctionsismade.

Basedonembeddedtechnologyasthecore,thoroughlystudiedtheARMsystemstructure,anintelligentsemiautomaticclinicalchemistryanalyzerisdesignedbyusingLPC2124ARM7EMPU.Thecontrolmethodsofvariousfunctionalmodulesofbiochemicalanalyzerarealsointroducedindetailed.Inaccordancewiththecharacteristicsofsystemmodulesonthesystem,theprincipleofdesignandproductionofPCBisexpounded,sothatthehardwareplatformhascertainanti-interferencecapacity.

Concerningsoftwaredevelopmentofsemiautomaticclinicalchemistryanalyzer,thedebuggingenvironmentADSandsimulationtoolH-JTAGareintroducedatlength.Accordingthefunctionalrequirementsofthesystemandmodularizationmethodofprogramming,thedisplaymodule,keyboardhandling,A/Dconvertermodule,real-timeclock,temperaturecontrolmoduleandtheothermodulearedesigned.Atthesametime,thispaperalsodiscussesthegeneralmethodofdebugginginthesoftwaredesignanddebugandsumsupanumberofsolutions.

Finally,somefunctionmodulesrelatedtothewholesystemhavebeenexperimentedandtested.Atthesametimecarriedontheerroranalysistothetestresult.Theaforesaidresearchandresearchanddevelopachievement’svalidityandpraticalvaluehavebeenprovedbylaboratorysimulation.Thishaslaidagoodfoundationforfinalcompletionofthesemiautomaticbiochemicalanalyzerandthefuturedevelopmentandstudy,amongthese,Systemtaskschedulingmethodandbiochemicalanalyticalmethodshavecertainpopularizationusingvalue.

Keyword:

Biochemicalanalyzer;

LPC2124;

Embededsystem;

ADS;

Biochemicaltest;

Anti-disturbing

第一章绪论

1.1引言

生化检验是医生确定病人病情的重要手段之一,通过对人体体液（血液、尿液等）的检验可以测定其中的各项生化指标,如转氨酶：

血糖血脂、尿素氮、淀粉酶、免疫球蛋白等。

当人体某些肌体组织发生病变时,病人体液中的生化指标将会出现变化；

因此，常规生化指标的分析成为当前医疗检测的重要手段，对于肝、肾、心血管疾病及糖尿病的诊断尤为重要。

生化分析仪就是用于测定人体体液的各种生化指标的分析仪器，它可以准确、快速地为医生和化学检验人员提供检验数据，在临床诊断和化学检验中具有重要作用[1-5]。

1.2国内外的分类以及研究现状与趋势

世界上第一台用于临床生化检验的自动分析仪是美国泰克尼康（Technicon）公司于1957年设计生产的，仪器名为AutoAnalyzer，它是一台单通道、连续流动式自动分析仪，最初只用于血葡萄糖、尿素氮测定，报告的结果是光密度（O.D.）值，此后世界上许多著名的公司都相继研制成功了自己的全自动生化分析仪，如美国的贝尔曼公司、日本的日立、岛津、德国的拜尔公司等等[6]，这些公司的各种自动生化分析仪产品都已经经历了几代的更新，在分析精度和检验速度方面都得到了不断的提高。

近几十年来，随着科学技术尤其是医学技术的发展，各种生化分析仪器也取得了飞速的发展，可以从不同的角度进行分类。

按照结构形式来分，可分为连续式、离心式、分立式和干片式三种[7]。

按自动化程度来分，生化分析仪可以分为全自动和半自动两种。

按仪器同时测定的项目分，可分为单通道和多通道两种。

单通道型的生化分析仪，每次进样只能测定一个项目，多通道的一次进样可以同时测量多个项目。

按仪器复杂程度来分，可以分为大型、中型和小型三种[8]。

半自动生化分析仪是指在分析过程中的部分操作（如血清分离、加样、添加试剂等步骤）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[9]，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个功能，因此系统误差也较小，给使用者带来很大的便利[10]。

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执行任务时使用。

目前国内外诊断技术趋于两极化发展[11]，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，研究的就是一种开发操作方便、功能较强、性价比高、操作方便,反映快小型半自动生化分析仪，极大提高了仪器的一体化程度，尤其适合中小型检测单位或医院作为日常生化检测得主要仪器，也可适用作急诊生化检测。

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。

1.3本文研究的意义和主要内容

生化分析仪自20世纪50年代末面世以来，发展十分迅速。

它可用于药品、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、转氨酶、葡萄糖、淀粉酶、尿素氮、白蛋白、无机磷、尿酸、钙等进行分析。

由于生化分析仪可以给医生提供受检者的综合性信息，近些年来，生化分析仪成为临床分析最重要的检验仪器之一[12]。

近些年来，临床实验室迅速发展，临床检验技术将迅速达到敏感，特异，准确，快速，安全的水平。

检验仪器的自动化，检验方法和标准化和实验室管理的科学化进程越来越快。

随着临床检验仪器向着机械化、自动化、精密化和简单化的方向发展，一些高灵敏度、多功能、高智能化的检测仪器不断涌现并被广泛应用。

生物技术和IT技术在未来将融合得更加紧密。

自动生化分析仪的开发且完全模仿并代替了手工操作。

不仅提高了工作效率，而且减少了主观误差，稳定了检验质量。

由于这类仪器一般都具有灵敏、准确、快速、节省和标准化等优点，使得生化分析仪在临床生化分析中得到了广泛应用也具有重要的研究意义。

生化分析仪是医院临床分析的不可或缺的一种检验仪器。

但由于我国医疗器械产品总体水平落后，国内只有为数不多的几家半自动生化分析仪厂家，全自动生化分析仪目前仍处于技术不全面状态。

国内生化分析仪的市场基本上由国外大公司所独占，国内生化实验室采用的基本上是进口的产品。

开展自动生化分析仪的研究，对于提高我国分析仪器的研究、设计和生产水平具有重大的作用和意义[13]。

本课题侧重从系统总体设计、硬件设计、软件设计及性能测试与改善四个

面对仪器进行了分析、设计、调试和改进。

本文完成的工作如下：

1、分析生化分析原理，生化测试基础，讨论生化分析仪的控制系统方案，根据生化分析仪所要达到的性能指标，设计生化分析仪控制系统的总体结构，对硬件和软件功能做了合理的分配。

2、医学检验仪器多属于精密仪器，为改善低浓度试剂信号的信噪比，提高信号采集的准确性，设计自动增益信号调理电路，提高生化分析仪的分析精度。

以LPC2124为核心，实现生化分析仪的硬件设计，完成硬件平台，接口模块，信号调理模块的开发和设计，并使硬件平台具有一定的抗干扰能力。

3、完成生化分析仪控制系统的软件设计。

选用C语言进行软件程序的编写，选用ADS1.2开发调试环境进行开发。

在设计中采用模块化程序设计技术，根据系统的功能，将软件分成若干个独立的模块，包括显示模块、键盘模块、数据存储模块、时钟显示模块、A/D转换模块、数据处理模块、温度控制模块等。

各个程序模块分别进行设计，编程和调试。

最后把各个调试好的程序模块连成一个完整的程序。

4、生化分析过程分为两步进行处理，第一步，求取各个生化反应的反应吸光度。

第二步，综合各个反应吸光度信息进行浓度的分析，对生化进行校准，则是由各标准液的反应吸光度通过多点校准，修正工作曲线,对生化测试是把反应吸光度代入曲线中计算待测指标的浓度。

5、对调试遇到的问题进行总结，在前面的基础上，讨论生化分析仪的以后需要改善的地方。

1.4本章小结

本章介绍了生化分析仪的国内外的发展现状和发展趋势，讨论了生化分析仪的研究意义和价值，明确了生化分析仪系统的研究目标和主要研究的内容。

第二章生化分析仪的原理和结构

2.1引言

在本章中,我们通过对生化测试一般原理的分析,总结了生化分析仪的原理,同时比较几种常见的生化分析方法,并通过对生化分析仪结构的分析,阐述了各部分的功能。

2.2生化测试基础

2.2.1生化分析原理

生化分析仪是属于光学式分析仪器，它是基于物质对光的选择性吸收原理，即分光光度分析法。

分光光度法是绝大多数生化分析仪所采用的一种检测方法，它是基于不同分子结构的物质对电磁辐射的选择性吸收而建立起来的方法，属于分子吸收光谱分析法。

它以分子吸收某一波长的光为基础，表现为分子的吸光度值（Α）为波长（λ）的函数关系，分光光度分析法的依据是朗伯—比尔定律[14]，它以被测物质分子吸收某一波长的单色光为基础。

其测量原理如图2.1所示。

分光光度法的原理是：

单色器将光源发出的复色光分成单色光，特定波长的单色光通过盛有样品溶液的比色池，样品的吸光度与样品溶液浓度和光通过的距离（即光径）成正比。

光电转换器将透射光转换为电信号，此后经信号处理系统处理，可得到样品溶液的浓度。

当光通过盛有样品溶液的比色杯时，吸收的强度与溶质浓度和光通过的距离有一定的关系。

图2.1分光光度法的原理图

布格（Bouguer）和朗伯（Lambert）在1729年和1760年阐明了光辐射强度和吸收层厚度的关系，1852年比尔（Beer）又提出光辐射强度和吸收物浓度也具有类似的关系，布格—朗伯—比尔定律的数学表达式为[14]：

（2.1）

其中:

A——光通过介质被介质吸收的吸光度

T——透射光强与入射光强之比即透光率

——入射光强度

——透射光强度

ε——介质摩尔吸光系数（

）

c——吸收物的摩尔浓度（ml/mol）

b——吸收层厚度（cm）

上式表明，当特定波长的单色光通过溶液时，样品的吸光度与溶液中吸收物浓度和光通过的距离成正比。

半自动生化分析仪就是通过检测样品对某种单色光的吸收程度，以及反应过程中吸光度的变化来计算样品中待测成份的含量。

但上式是以下列条件为前提：

（1）吸收过程中各物质无相互作用，但各物质的吸光度具有加合性；

（2）辐射与物质的作用仅限于吸收过程，没有荧光、散射和光化学现象；

（3）吸收物是一种均匀分布的连续体系。

2.2.2生化分析的步骤

生化测试是在生化样品中加入分析试剂进行反应，连续监测反应过程中吸光度的变化，通过分析吸光度变化情况进行生化分析，求取待测生化指标浓度。

一个完整的数据分析过程,要经过两个步骤：

首先，监测生化反应过程的吸光度变化，获取生化反应曲线,取得反应吸光度；

第二步,由反应吸光度求取生化指标的值[15]。

2.2.3生化分析的方法

在不同的生化反应中，反应吸光度的求取方法也不同。

根据不同的反应曲线特点即形成复合物的速度特点，一般把测定的方法分为终点法、速率法、双波长法和两点法[16-18]。

1）终点法是使用一种或两种试剂，当样品和试剂混合后，待测样品与试剂的物理化学反应到达终点时，测一次吸光度，来计算待测样品的浓度。

在利用终点法进行定量分析时分别需要对空白、标准和待测样品三个试样进行测量，得到三个吸光度值，分别为：

、

和

；

然后按照式2.2计算得到待测样品浓度。

＝

（

-

）/（

）（2.2）

其中

：

n毫升蒸馏水加入到m毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。

n毫升标准液加入到m毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。

n毫升待测样品液加入到m毫升试剂中，在恒温环境中反应一定时间后，反应液的吸光度。

试剂盒中标准液的给定浓度。

n，m的数值由试剂盒给定，或者根据试剂盒按比例确定。

反应温度和反应时间也由试剂盒给定。

不难看出,终点分析法中,血清中待测物质的含量和反应液的最终吸光度成正比,而与反应过程无关。

它属于分析化学中的标准对照法。

在应用时应注意试剂空白的测量，一般当参比溶液选择蒸馏水时，如果采用上式进行计算，要先计算试剂空白的吸光度，然后再从标准和待测样品反应液吸光度中扣除。

也可以直接采用试剂空白作为参比溶液，检测吸光度，即可认定

为0。

2）速率法是和终点法相对应的，适用于酶活性和代谢物检测，多有酶的参与。

通过测定单位时间内样品和试剂的吸光度变化来测定酶的反应速率。

原理是在酶反应的最佳条件下，用物理、化学或酶促反应的分析方法，在反应速度恒定期（零级反应期）来连续观察和记录一定反应时间内底物或产物量的变化，以单位时间酶反应初速度计算出酶活力的大小和代谢物的浓度，计算方法为：

（2.3）

式中，

―待测样品的浓度；

―待测样品的吸光度变化率，由线性回归得到；

―常数，由用户所选择的试剂给出（因素值）或由仪器测量标准样品得到：

（2.4）

式中：

―标准样品的浓度值；

―标准样品的吸光度变化率。

3）双波长测定方法，其原理是检测待测样品的吸光度时，同时用两个波长检测，用主波长的吸光度减去副波长的吸光度，并与标准样品比较，计算待测样品的浓度，即：

（2.5）

―待测样品在副波长下的吸光度；

―待测样品在主波长下的吸光度；

（2.6）

―标准样品在副波长下的吸光度；

―标准样品在主波长下的吸光度双波长法不仅可以有效地校准样本的混浊、溶血、黄疸等，还可对电源波动有补偿效果。

与单波长法不同,双波长法具有排除来自样品内部干扰和降低吸收池误差的优点。

正是因为双波长法有着单波长法无可比拟的优点,在许多临床生化检验试剂盒中,都同时给出了单波长法和双波长法两种检验参考波长。

4）两点法也称固定时间法，其主要针对某些代谢物（而不是酶）的测定，包括有工具酶参与的动力学反应，以及少数具有典型动力学特征的化学反应。

其测定方式是监测比色池内反应溶液在前后两次时间间隔内的吸光度变化值。

在测量时间内不需要作线性监测，也不需要计算每分钟吸光度变化率。

这种方法的优点是可以消除样品、试剂的颜色、浊度以及一些干扰物质对测定的干扰。

在样品与试剂混合后，延迟一定的时间读取

（某一时刻的吸光度值），隔一定时间后读取

（另一时刻的吸光度值），计算：

，然后与标准样品比较，求得待测物的浓度，即：

（2.7）

―待测样品的第一点吸光度；

―待测样品的第二点吸光度；

（2.8）

―标准样品的第一点吸光度；

―标准样品的