生化分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李新，楊勇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 遼寧 沈陽110870）

生化分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李新，楊勇

（沈陽工業(yè)大學(xué) 遼寧 沈陽110870）

針對(duì)生化分析儀數(shù)據(jù)采集電路龐雜與計(jì)算繁瑣等問題，提出了多路自動(dòng)增益控制光電轉(zhuǎn)化電路，并給出具體的分析與計(jì)算。在此系統(tǒng)中可變?cè)鲆婊?dǎo)放大器在光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍，利用多路復(fù)用開關(guān)精簡(jiǎn)電路結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)12路信號(hào)統(tǒng)一濾波和放大。經(jīng)過濾波和放大的電壓信號(hào)通過集成高精度ADC的高性能處理器進(jìn)行處理和傳輸，提高的采集系統(tǒng)的集成度與穩(wěn)定性。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和分析，光度計(jì)的吸光度線性范圍，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與重復(fù)性滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

生化分析儀；光電比色計(jì)；互導(dǎo)放大器；自動(dòng)增益控制

光電比色計(jì)是生化分析儀當(dāng)中的核心裝置，其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行。在以往的光度計(jì)中通常將光電轉(zhuǎn)化器件與電流電壓轉(zhuǎn)化器做在金屬屏蔽層之內(nèi)，將放大器轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)直接輸出給生化分析儀的核心控制部分。由于分析儀體積較大，電壓信號(hào)需要傳輸很長(zhǎng)的距離，在傳輸過程容易受到電機(jī)運(yùn)行等強(qiáng)電流高電壓的部分的干擾。此外，光度計(jì)的供電與系統(tǒng)的核心控制部分電壓不同而需要額外的電壓轉(zhuǎn)換才能工作，增加了供電系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的種類和性能不斷提升，文中采用現(xiàn)今性價(jià)比更高的芯片將整個(gè)采集系統(tǒng)集成到光度計(jì)的金屬屏蔽層之內(nèi)，數(shù)據(jù)最終以數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸提高抗干擾能力。將光柵、光電二極管陣列、電流電壓轉(zhuǎn)化器、多路選擇器、濾波與增益調(diào)整電路、模數(shù)轉(zhuǎn)化與數(shù)據(jù)發(fā)送等部分統(tǒng)一集成到金屬屏蔽層之內(nèi)［1］。整個(gè)系統(tǒng)的供電電壓為正負(fù)5 V，與生化儀核心控制部分的電壓相同，從而簡(jiǎn)化儀器供電系統(tǒng)。

1 光電轉(zhuǎn)化電路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

為符合生化檢測(cè)的要求光電二極管陣列采用濱松S4114-46Q［2］，共有46個(gè)檢測(cè)單元，每個(gè)單元面積為3.96mm2，有效波長(zhǎng)輸入范圍為190～1 000 nm，峰值波長(zhǎng)800 nm。

圖1 光電二極管的等效電路

如圖1所示，IL為入射光產(chǎn)生的電流，Cj為結(jié)電容，Rsh為分流電阻，Ci為輸入電容。虛線框內(nèi)為光電二極管的等效電路，后面的I/V轉(zhuǎn)換器將電流轉(zhuǎn)化成電壓。若放大器為理想的放大器則有［3］：

式中：VO為運(yùn)算放大器的輸出電壓；IR為光電器件的輸入電流；Rf為反饋電阻。等式（1）成立的條件是放大器的偏置電流為0，但由于放大器的不是理想的其偏置電流只能是接近于0，所以要選擇輸入偏置電流極低的放大器，輸入偏置電流應(yīng)遠(yuǎn)小于光電器件產(chǎn)生的電流。這里放大器選擇 AD549，其偏置電流為 fA級(jí)，而光電器件產(chǎn)生的電流為 nA級(jí)滿足系統(tǒng)需求。由于光電比色計(jì)的光柵產(chǎn)生的單色光波長(zhǎng)是不同的，意味著光的能量不同導(dǎo)致產(chǎn)生電流的能力不同，所以應(yīng)該針對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的單色光都應(yīng)有相應(yīng)的Rf，最終使輸出電壓的值都在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

光電二極管的直流源并非理想的直流源而是夾雜著直流噪聲。這樣由于光電二極管結(jié)電容，放大器共模與差分電容以及其他板上寄生電容的存在，可與反饋電阻Rf在放大器的傳遞函數(shù)中產(chǎn)生極點(diǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在反饋電路引入一個(gè)電容，它會(huì)在傳遞函數(shù)中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，補(bǔ)償上述極點(diǎn)的影響。隨著電容的增加放大器的閉環(huán)反饋會(huì)隨之減弱，實(shí)現(xiàn)大約45°的相位裕量使系統(tǒng)穩(wěn)定。Cf的值可由下式計(jì)算：

其中fu為放大器的單位增益帶寬。較小的Cf值可以獲得較小的相位裕量和較高的帶寬，但這會(huì)導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。系統(tǒng)必須在最壞的情況下保持穩(wěn)定，由于輸入信號(hào)頻率較低，接近于直流，因此選擇的反饋電容10 pF，此時(shí)系統(tǒng)能夠工作的實(shí)際帶寬可由下式計(jì)算：

滿足此光學(xué)系統(tǒng)的頻率需求。12路波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的Rf、Cf的值如表1所示。

表1 波長(zhǎng)與Rf、Cf的對(duì)應(yīng)關(guān)系

光電信號(hào)放大器主要噪聲來源：運(yùn)放的輸入電壓噪聲、自身輸入電流噪聲、反饋電阻的約翰遜噪聲［4］。反饋電阻的約翰遜噪聲：

自身輸入電流噪聲：

輸入電壓噪聲：

其中en為AD549的電壓噪聲密度，GBP為增益帶寬積，Ccm、Cdiff分別為共模與差分電容。

放大器的噪聲帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)的帶寬，增加帶寬不會(huì)起到任何好處反而增加的噪聲，所以我們可以在輸出端額外增加 16 kHz低通濾波器使電壓噪聲從 78μVrms降低到11μVrms?？傠妷涸肼暱山档偷?2μVrms。

2 程序控制增益電路設(shè)計(jì)

由于需要轉(zhuǎn)換的光電信號(hào)有12路之多，如果為每一路信號(hào)分別進(jìn)行放大處理，雖說可以提高A/D速度，但機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)速度的瓶頸是機(jī)械系統(tǒng)以及生化反應(yīng)的響應(yīng)速度。這里使用多路選擇器來實(shí)現(xiàn)每一路信號(hào)的依次轉(zhuǎn)換來簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如圖2所示，12路電壓信號(hào)經(jīng)過多路選擇器ADG706選擇后，通過低通濾波器作為放大器OP07的輸入。放大電路采用雙數(shù)字電位計(jì)AD5144A，A1、W1與A2、W2為兩個(gè)可編程電阻，通過處理器I2C接口控制兩個(gè)數(shù)字電位計(jì)阻值的比值來實(shí)現(xiàn)對(duì)每一路光電信號(hào)的自動(dòng)增益控制。

在本系統(tǒng)中，由于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求吸光度的分辨力達(dá)到0.000 1，即要求的數(shù)字量能夠反應(yīng)出吸光度的最小值為0.000 1根據(jù)吸光度計(jì)算公式

式中：I0為入射光強(qiáng)度；I為出射光強(qiáng)度。

將入射光強(qiáng)度與最小吸光度出射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成ADC的數(shù)字量則有

解得n＞=13，則ADC的分辨率至少為13位。如圖3所示，ADUCM360處理器片上集成4kSPS、24位ADC用于模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)需求［5-6］。通信接口UART將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，I2C接口用于電位計(jì)阻值的控制，5個(gè)普通I/O用于多路選擇器的控制，SBW接口用于系統(tǒng)的調(diào)試與仿真。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件流程

由于12路光電轉(zhuǎn)化電路所產(chǎn)生的電壓幅值有所區(qū)別，對(duì)不同通道的光電信號(hào)的放大應(yīng)該采用不同的放大倍數(shù)。通過處理器對(duì)電位計(jì)的調(diào)整使得每一路的電壓幅值正好達(dá)到ADC輸入的最大動(dòng)態(tài)范圍。其程序控制過程如圖4所示。

首先，微處理器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括ADC，電位計(jì)與多路選擇器。通過控制多路選擇器的控制選擇我們需要轉(zhuǎn)換的波長(zhǎng)，測(cè)量在光強(qiáng)最大時(shí)刻ADC的輸入電壓判斷是否達(dá)到ADC的輸入的最大動(dòng)態(tài)范圍。如果不是，繼續(xù)調(diào)整電位計(jì)改變電壓增益使輸入電壓滿足要求。其次，處理器對(duì)信號(hào)的電壓進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的采集，將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)等待發(fā)送。最后，所有的需要采集的數(shù)據(jù)全部送入緩沖區(qū)后將數(shù)據(jù)通過串口進(jìn)行發(fā)送。

圖2 多路選擇器、濾波與增益調(diào)整電路

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)發(fā)送電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

4.1 吸光度線性范圍測(cè)定

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求［7］：相對(duì)偏倚在±5%的范圍內(nèi)的最大吸光度應(yīng)不小于2.0。

檢測(cè)以分析儀483 nm波長(zhǎng)，橘紅G色素原液進(jìn)行線性范圍測(cè)定［8］，色素原液的吸光度應(yīng)比分析儀規(guī)定的吸光度的上限高5%左右。

圖4 程序控制流程

用相應(yīng)的稀釋液將色素原液按0/10，1/10，2/10，3/10，4/ 10，5/10，6/10，7/10，8/10，9/10，10/10的比例稀釋，共獲得11個(gè)濃度梯度。在分析儀上，測(cè)定上述溶液的吸光度，每個(gè)濃度測(cè)5次，計(jì)算平均值。以相對(duì)濃度為橫坐標(biāo)，吸光度平均值為縱坐標(biāo)，用最小二乘法對(duì)0/10，1/10，2/10，3/10這4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，按照式（10）計(jì)算后5-11點(diǎn)的相對(duì)偏倚Di。

式中：Ai為某濃度點(diǎn)實(shí)際測(cè)定的吸光度的平均值；a為線性擬合的截距；b為線性擬合的斜率；ci為相對(duì)濃度。

表2 波長(zhǎng)為483 nm時(shí)測(cè)量橘紅G的吸光度的結(jié)果

根據(jù)如表2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，光度計(jì)線性范圍符合要求。

4.2 準(zhǔn)確性測(cè)定

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求：吸光度為0.5時(shí)，允許誤差±0.025；吸光度為1.0時(shí)，允許誤差±0.07。

檢測(cè)以蒸餾水作參比，在分析儀上測(cè)定340 nm處吸光度分別約為0.5（以蒸餾水為空白，允許偏差為±5%）和1.0（以蒸餾水為空白，允許偏差為±5%）的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度［9］。重復(fù)測(cè)定3次，計(jì)算3次測(cè)量值的算術(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 吸光度準(zhǔn)確性檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)如表3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，光度計(jì)準(zhǔn)確性符合要求。

4.3 穩(wěn)定性測(cè)定

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求：吸光度的變化應(yīng)不大于0.01。

檢測(cè)方法是在儀器上檢測(cè)波長(zhǎng)在640 nm處吸光度為0.5的硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度［10］。每隔30 s讀取一次光強(qiáng)值，計(jì)算一次吸光度，總共的檢測(cè)時(shí)間為10分鐘，最后計(jì)算最大值與最小值的差值，差值應(yīng)不大于0.01。

表4 生化分析儀連續(xù)重復(fù)測(cè)量20次該溶液的吸光度的結(jié)果

如表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最大值0.487，最小值0.483。0.487-0.483=0.004＜0.01，光度計(jì)符合要求。

4.4 重復(fù)性測(cè)定

對(duì)分析儀的340 nm波長(zhǎng)進(jìn)行吸光度重復(fù)性測(cè)定。340 nm的測(cè)定溶液為吸光度為1.0的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，溶液的加入量為分析儀標(biāo)稱的最小反應(yīng)體積；30 s檢測(cè)一次，總共10分鐘20次。計(jì)算變異系數(shù)CV應(yīng)不大于1.5%。

變異系數(shù)計(jì)算公式

式中：Xi為每次的實(shí)測(cè)值；為1～20次的算數(shù)平均值；n為重復(fù)測(cè)定過的次數(shù)。

表5 生化分析儀連續(xù)重復(fù)測(cè)量20次該溶液的吸光度

將如表5所示的數(shù)據(jù)代入式（11）可得，CV=0.898 5%，光度計(jì)重復(fù)性符合要求。

5 結(jié) 論

為了解決生化分析儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路龐雜與計(jì)算繁瑣等問題，通過具體的分析與計(jì)算，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多路自動(dòng)增益控制光電轉(zhuǎn)化電路。利用帶有高精度［11］ADC的微控制器對(duì)轉(zhuǎn)化電路的電壓進(jìn)行采集和發(fā)送，簡(jiǎn)化采集系統(tǒng)的復(fù)雜度并增加其穩(wěn)定性。該采集系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到生化儀設(shè)備當(dāng)中，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試該系統(tǒng)的吸光度線性范圍［12］，準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與重復(fù)性可以達(dá)到行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

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Design of the biochem ical analyzer data acquisition system

LIXin，YANG Yong
（Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In view of the biochemical analyzer data acquisition circuit was so large and the calculation of the system was confused，the multiplex automatic gain control photoelectric conversion circuit was put forward，detailed analysis and calculation was given.In this system，programmable-gain transimpedance amplifiersmaximized dynamic range，multiplex switch was used to simplify circuit structure and realizese the unity of No.12 signal filtering and amplification.The voltage signal that was filtered and amplified was processed and transmited though high-performance processor integrated high precision ADC.Itwas to improve the acquisition system integrity and stability.Through the test data processing and analysis，the photometric absorbance linear range，accuracy，stability and repeatability aremeet industry standards.

biochemical analyzer；photoelectric colorimeter；transimpedance amplifier；automatic gain control

TN29

A

1674－6236（2016）20-0113-05

2015-10-14 稿件編號(hào)：201510084

李 新（1974—），男，遼寧鐵嶺人，博士，副教授。研究方向：半導(dǎo)體傳感器及其外圍線路設(shè)計(jì)。