基于STM32处理器的网络化生化分析仪的设计

夏云成，孙宁，肖广兵

1.如皋市人民医院 设备科，江苏 南通226000；2.南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037

0 前言

生化分析仪主要用于对人体体液中的各种生化指标进行检测，并根据生化指标的差异，为医生确定患者病情提供科学依据[1-2]。针对当前部分基层医疗单位所使用的生化分析仪性能良莠不齐、一致性较差，以及缺乏有效网络化数据管理的现状，设计了基于STM32的网络化生化分析仪。

1 系统设计与工作原理

生化分析仪的基本工作原理基于朗伯-比尔的光电比色定律，见式(1)。

式中A为吸光度，I0为入射光辐射强度，It为透设光辐射强度，b为吸收层厚度（cm），c为吸收物的摩尔浓度（M），ε为摩尔吸光系数（L·mol-1·cm-1）。

从(1)式看出，当吸收层厚度一定时，溶液的吸光度与其摩尔浓度成正比。在同波长、同物质、同温度以及同厚度的情况下，只要测出待测溶液的吸光度，与已知浓度的标准溶液吸光度进行比较，就可以得到当前溶液的浓度。

基于STM32的网络化生化分析仪由以下几个部分组成：液路模块、温控模块、吸光度采集模块、STM32F103VB主处理器、CAN通信模块、触摸屏显示终端和在线打印模块等，其基本结构，见图1。

图1 基于STM32的生化分析仪系统结构图

该系统可同时适用于动力学检测法、两点检测法以及终点检测法。其微量流动比色池，可以减少每次检测所需的反应液；温度控制器采用帕尔帖直接控制比色池中液体的温度。在控制过程中，温度传感器反馈当前比色池中溶液的温度，出于精度的要求，温度传感器采用高灵敏度的AD590，它是一种接触式的感温电流源，非线性误差在±0.3℃以内。

为实现生化分析数据的统一管理，系统还集成了分析报表在线打印和远程数据库管理模块。CAN通信网络将组包后的生化分析数据上传到远程主机的中央数据库中，配合相应的业务软件（中央数据库）完成对人体体液各种生化指标的分析，并对数据进行统一管理，实现病情追踪与在线查询。

2 硬件电路设计

2.1 STM32F103VB主处理器

STM32F103VB是一款高性能、低功耗的32位ARM处理器，芯片集成了丰富的片上资源，支持1μs的双12位AD转换器、4 MB/s的USART，以及18 MB/s的SPI等。此外，处理器还在系统架构上进行了改进，支持单周期乘法、硬件除法和高效的Thumb2指令集。STM32F103VB时钟频率最高可达72 MHz，每秒可完成200万次的乘加运算。系统功耗较低，在待机模式下，消耗电流仅为2μA。STM32F103VB主处理器及外围接口电路，见图2。存储电路采用芯片24C128，用于保存用户设置参数和历史分析数据等。时钟芯片DS1302产生时间和日期，外接32.768 kHz的晶振用于提供精确的秒中断以实现对检测信号进行计算和校正。

图2 STM32F103VB处理器及外围电路

2.2 CAN通信模块

系统为了实现样本的分布式测试和数据网络化管理，集成了CAN通信模块。

CAN由德国BOSCH公司开发，是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于各种在线医疗计算机控制系统。CAN通信模块结构，见图3。

图3 CAN通信模块结构图

在网络化生化分析仪中，CAN通信模块主要用于对各个分析终端的数据管理。各分析终端将测试结果以CAN通信的方式发送到数据分析中心，作进一步数据分析和集中管理。CAN采用串口通信方式与上位机进行数据交换[3]。

2.3 吸光采集电路

系统采用30 W/12 V卤钨灯作为白色光发光源。测量时，白色光通过特定的滤光片后即可变为所需要的单色光进入比色池。测量的单色光波长均在0.34～0.67μm，为此系统选用日本滨松（HAMAMATSU）公司的硒光电池S1133作为光敏元件，以获得最佳的灵敏度。硒光电池输出的微弱电流信号经过由运算放大器构成的电流-电压变换放大器，使得输出的电压与光照强度成正比，其吸光采集电路，见图4。

图4 吸光采集电路

硒光电池S1133输出的电流信号经过三级放大和一级对数运算后，最终传送至主处理器STM32F103VB的A/D模块。前两级放大电路分别通过低功耗精密放大器AD822实现。放大后的信号输入到对数运算电路的输入端，最终送至第三级程控放大器MAX328。通过选择不同的放大倍数，可以将输出电压钳位在2.5～5 V，以减小ADC非线性造成的测量误差。每一级放大电路都外接了一阶低通滤波器；接地芯片也都外接了去耦电容，以进一步提高生化分析仪的检测精度。

2.4 液路控制电路

生化分析仪在进行项目检测前须用泵将待检试剂注入比色池中，系统选用金坛市四海电机电器厂生产的42BYGH101型步进电机对吸液泵进行控制。该电机采用12V工作电压供电，工作电流为0.4 A，步距角1.8°，静转矩4.2kg·cm，定位转矩为0.2 kg·cm。此电机能够以10～20 rpm的转速带动吸液泵工作，符合系统设计的要求。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，它可以接受标准TTL逻辑电平信号，用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。步进电机运行时，会对供电电源形成比较大的干扰，对此系统采用对步进电机驱动电路进行单独供电。同时在各个驱动功率芯片的供电端，增加滤波电路，目的就是将干扰尽可能地消灭在本模块之内，以减少对其他设备的干扰。液路驱动电路，见图5。

图5 液路驱动电路

2.5 温度控制电路

生化仪器在检测过程中，一般要求溶液试样在某一恒定的温度下进行检测，因此要求对温度进行控制。系统采用温度传感器和帕尔贴（TEC）构成一个独立的外部温度控制回路，将温度传感器测量到的温度数据作为反馈信号，经过模数转换后送入ARM处理器STM32F103VB，与预设的工作温度作比较并输出相应的控制信号驱动功率放大电路。通过电流驱动TEC模块，最终完成制冷或加热的任务。

TEC模块是一个可加热或制冷的元件，当输入端1为高电平、2为低电平时，TEC立即制冷；反之，开始加热。为了避免Q1、Q3（或Q2、Q4）场效应管同时饱和导通，在RC1和RC2后设计了逻辑门保护电路，保证其中一个场效应管饱和导通时，另外一个场效应管一定截至，防止电流从正极穿过两个场效应管直接回到负极，避免电流超过场效应管所能承受的最大电流导致永久性损坏。具体温度控制电路，见图6。

图6 温度控制电路

作为反馈量，系统采用集成温度传感器AD590对溶液温度进行测量。由于AD590输出的是随温度变化的电流，因此需要为其设计电压转换电路，见图7。

图7 AD590温度测量电路

由于R3为固定值，则可以根据Ia的大小来调节电阻R2的阻值，使输出电压U0控制在2.5～5 V，以减少模数转换的非线性误差、提高测量结果的准确性。

3 系统软件设计

基于STM32的网络化生化分析仪选用STM32F103VB作为处理器，因此在系统软件设计过程中，需要在Keil for ARM平台上对其进行编程[4-5]。

嵌入式Linux具有源码开放、系统稳定等优点被广泛地应用在各种嵌入式系统中。故生化分析仪选用移植uCLinux作为片上操作系统[6-8]。系统在上电或复位后，引导加载程序完成相应的初始化并将内核映像从FLASH中复制到SDRAM中，再将控制权交给系统内核，由内核控制应用程序。内核负责进程管理、内存管理、设备驱动以及文件系统管理等。设备驱动程序是系统内核与机器硬件之间的接口，系统各个模块的驱动程序都将被编译到uCLinux的内核中。系统AD转换的基本流程，见图8。

图8 系统ADC软件流程图

ARM主处理器除了负责生化分析过程中液路的控制、光电信号的采集、LCD数据显示外，还要负责与上位机之间的数据传输和在线打印等。

除此之外，CAN通信模块在整个系统中还负责分析数据的实时传送，并对网络中各个生化分析仪节点的分析数据进行采集、整理，并传送至上位机，再由上位机对其进行进一步地分析、存储和查询。系统基本工作流程，见图9。

图9 系统基本工作流程图

上位机显示界面采用Visual Basic 6.0软件开发设计，利用VB软件中的窗口控件实现界面主体的搭建。上位机与ARM主处理器之间的数据通信则通过MSComm控件来实现。上位机显示界面，见图10。

图10 上位机分析软件界面图

为验证测试系统结果的准确性，以谷-丙转氨酶ALT为分析对象，将网络化生化分析仪分别与托马氏I型分析仪进行测试对比。其中试剂选用美国贝克曼公司生产的ALT（GPT）reagent kit，血清为无溶血酶分析血清。网络化生化分析仪中的试剂和血清比为10:1，平衡反应时间为90 s, 检测反应时间为60 s，波长339 nm，温度30℃。托马氏I型分析仪的波长同样为339 nm，温度30℃。6个样品分别装在6个10 mm光径的方形光电比色池中，每个比色池装有25 mL血清和1mL试剂，最终测试结果比对，见表1。

表1 谷-丙转氨酶ALT对比测试结果

表1的测试结果显示，网络化生化分析仪的测试结果与托马氏I型分析仪的测试结果，相关性优于85%。

4 结论

结合人体体液透光度分析和ARM嵌入式技术，设计了基于STM32的网络化生化分析仪。系统采用STM32F103VB实现对体液样本的透光度分析，并采用CAN通信技术实现了生化分析数据的分布式采集和集中式管理。基于STM32的网络生化分析仪成本低，服务设施灵活，性能稳定，能满足样本一致性检测和远程数据分析的要求，可应用于基层医疗单位。

[1]盛占石,潘天红,庄东宁.AC880智能型半自动生化分析仪的研制[J].仪器仪表学报,2012,23(8):51-54.

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[5]唐慧强,咸爱国.基于无线传感器网络的手持式校准器[J].电子技术应用,2012,38(8):50-52.

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[7]王楚华.基于ARM7半自动生化分析仪的研究和设计[D].镇江:江苏大学,2009.

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