移液器數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸處理系統(tǒng)

徐擎 黃莉 梁曉雄 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

移液器作為量出式量器，可分為分定量式移液器和可調(diào)移液器兩大類，廣泛用于醫(yī)院、衛(wèi)生防疫站、輸血站、生化實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、制藥實(shí)驗(yàn)室的精密微量取樣。移液器檢定周期為一年，一個(gè)移液器大多數(shù)情況下需要檢定三個(gè)點(diǎn)，一個(gè)點(diǎn)需要檢定六次，每個(gè)點(diǎn)都需要計(jì)算平均值、誤差、重復(fù)性等數(shù)據(jù)，此過程耗時(shí)且繁瑣，工作強(qiáng)度很大，為解決上述問題，筆者研發(fā)了一套實(shí)用高效的移液器數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩個(gè)模塊構(gòu)成，如圖1所示。

藍(lán)牙模塊，其功能包括電源管理、藍(lán)牙通信、實(shí)時(shí)時(shí)鐘與閃存。數(shù)據(jù)處理模塊，其功能包括藍(lán)牙通信管理、數(shù)據(jù)解析、相關(guān)信息輸入、原始記錄生成與證書生成。除需要人工輸入移液器相關(guān)信息外，所有模塊都能自動(dòng)完成相應(yīng)操作。

圖1 系統(tǒng)方案模塊

2 處理系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

對于提供物理接口的電子天平可以直接與電腦連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；對于不支持的電子天平主要有兩種辦法。

1）圖像識別：使用攝像頭，將液晶屏上的數(shù)字轉(zhuǎn)換成文字輸入；

2）藍(lán)牙數(shù)據(jù)輸出：將藍(lán)牙通信模塊與液晶屏輸入并聯(lián)，將所有的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)诫娔X。

方法一成本較高，使用環(huán)境受限，本文不展開論述。方法二需要一個(gè)藍(lán)牙模塊，使用板載供電，借助接一分二信號線將藍(lán)牙模塊輸入與液晶屏并聯(lián)，將所有輸入數(shù)據(jù)同步輸出到電腦。整個(gè)模塊和一元硬幣大小相近，可以很好地放入電子天平內(nèi)，且不影響讀數(shù)。

2.1.1 藍(lán)牙通信芯片

藍(lán)牙通信芯片采用nRF51822芯片，具有體積小、功耗低、可獨(dú)立編程等優(yōu)點(diǎn)。具體接線方式見圖2。

2.1.2 電源管理

對于提供板載3 V或液晶屏使用3 V電壓的電子天平可直接供電，對于不提供的天平，使用AMS1117芯片降壓之后再為藍(lán)牙芯片供電，如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)解析

不同天平的液晶屏結(jié)構(gòu)不同，使用的編碼方式也不同，藍(lán)牙輸出到電腦的數(shù)據(jù)無法直接讀取。在此設(shè)計(jì)了一套自校準(zhǔn)程序，在質(zhì)量不發(fā)生變化的情況下，藍(lán)牙輸出的是一段重復(fù)的字符串。在天平內(nèi)放入盛有水且表面較大的容器，靜置。期間水蒸發(fā)，讀數(shù)緩慢下降，百分位、千分位、萬分位發(fā)生變化且速率不同，字符串中對應(yīng)的位置也會(huì)由此變化。然后清零，再緩慢加入1 mL多的水，十分位發(fā)生了10次變化，個(gè)位從0變?yōu)?，由此確定個(gè)位與十分位，并可以獲得該顯示屏的編碼方式。自校準(zhǔn)程序生成配置文件，至此，電腦能將藍(lán)牙輸出的亂碼有效地轉(zhuǎn)化成質(zhì)量示值。此過程大約持續(xù)5～15 min。具體流程見圖4。

圖2 nRF51822芯片接線方式

圖3 3 V穩(wěn)壓電路

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)處理是基于MATLAB程序，模塊化設(shè)計(jì)，方便之后的修改與升級。數(shù)據(jù)處理由兩個(gè)子程序構(gòu)成，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖5所示。數(shù)據(jù)記錄程序提供數(shù)據(jù)預(yù)覽，在軟件數(shù)據(jù)查錯(cuò)后再提供人工檢查的機(jī)會(huì)，最大程度的避免錯(cuò)誤的發(fā)生。具體流程圖見圖5。

2.2.2 原始記錄與證書生成

檢定人員在相關(guān)信息界面，輸入檢定規(guī)程中規(guī)定的外觀檢查、密合性檢查、溫度、廠家編號、容量等項(xiàng)目，原始記錄與證書生成程序就能直接生成原始記錄、檢定證書、檢定結(jié)果通知書或者校準(zhǔn)證書。具體流程見圖6。

圖4 數(shù)據(jù)解析的流程

圖5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?/p>

圖6 原始記錄與證書生成的流程

3 程序

3.1 MATLAB生成Excel表格并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目使用MATLAB程序直接生成Excel文件并進(jìn)行編輯，其好處是能夠完成更復(fù)雜的操作，不受模板限制，能夠完成加點(diǎn)、自動(dòng)分頁等操作。其實(shí)現(xiàn)生成編輯Excel示例代碼如下：

if exist(filespec_user，'file')；

Workbook = Excel.Workbooks.Open(filespec_user)；

else

Workbook = Excel.Workbooks.Add；

Workbook.SaveAs(filespec_user)；

end

Sheets = Excel.ActiveWorkbook.Sheets；

Sheet1 = Sheets.Item(1)；

Sheet1.Activate；

3.2 MATLAB計(jì)算重復(fù)性與不確定度的程序編寫

對移液器進(jìn)行檢定，需要給出相對誤差與重復(fù)性，相對誤差與重復(fù)性具體評定過程參考JJG 646-2006《移液器》。A1～A6為數(shù)據(jù)，B1為檢定點(diǎn)量值

EA=（A1+A2+A3+A4+A5+A6）/6；①

EA=roundn(EA，-4)；②

①EA為六次測量的平均值，

②將平均值保留四位小數(shù)。

E=[A1;A2;A3;A4;A5;A6;B1]* Kt；%Kt=1.002 858 ③

③根據(jù)六次質(zhì)量值求出實(shí)際容量值。

XD=(B1-EA)/EA*100；④

XD=roundn(XD，-1)；%% ⑤

④XD為移液器容量相對誤差，

⑤將相對誤差保留一位小數(shù)。

CF=std([A1;A2;A3;A4;A5;A6]，1)；⑥

CF=roundn(CF*100，-1)；%% ⑦

⑥CF為移液器容量重復(fù)性，

⑦將重復(fù)性保留一位小數(shù)。

3.3 生成原始記錄與證書程序編寫

Sheet1.Range('A1:H1').MergeCells = 1；% 合并單元格

Sheet1.Range('A4:H14').Borders.Weight = 3；% 設(shè)置單元格的邊框

Sheet1.Range('A1:H9').HorizontalAlignment = 3；%設(shè)置單元格對齊方式

Sheet1.Range('A1').Value = '被測試點(diǎn) /μL'；% 寫入單元格內(nèi)容

使用以上四個(gè)基本語句進(jìn)行循環(huán)嵌套，就可以自動(dòng)繪制合適的Excel表格，完美適配單一量程，可調(diào)量程，與額外加點(diǎn)移液器。

4 實(shí)際預(yù)覽

表1、表2為程序自動(dòng)生成的原始記錄與檢定證書預(yù)覽。

表1 程序自動(dòng)生成的原始記錄預(yù)覽

表2 程序自動(dòng)生成的檢定證書預(yù)覽

5 結(jié)語

移液器藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，不影響測量結(jié)果；基于藍(lán)牙通信與MATLAB軟件對數(shù)據(jù)傳輸記錄，具有自動(dòng)分析解碼等齊全的功能。產(chǎn)品的實(shí)用性強(qiáng)，能夠適配市場上大多數(shù)電子天平。基于MATLAB的數(shù)據(jù)處理程序能夠快速準(zhǔn)確地完成數(shù)據(jù)的后期處理、電子原始記錄與證書生成，大大減輕了檢定人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，工作效率極大提高，并填補(bǔ)了國內(nèi)容量微量計(jì)量自動(dòng)化方面的空白。