一个电压跟随器，私和R9组成的参考电阻两端分压与基准电压恒定不变，输出电流保持 恒定；恒流源主要用于NTC热敏电阻传感器提供电源；高精度温度测量电路如图5所示，由 NTC热敏电阻传感器、放在电路、24位模数转换芯片LTC2400和光电隔离电路构成，恒流源 和取样电阻R为A/D转换LTC2400提供参考电压匕|，与所测热敏电阻两端电压构成比值测 量系统；由于A/D转换LTC2400采用24位高精度模数转换分辨率，可使该探测温度精度达 到0. 01°C ;恒温控制电路包括光电隔离电路、驱动电路、可控硅、制冷器和加热。温度控制方 法采用Fuzzy-智能PID复合控制算法，其原理图如图6所示。为了提高控制精度，合理施加 控制量、缩短控制时间，减小滞后等因素的影响，附加了温度变化预测。温度预测式如公式 (1)所示，是在考虑温度为连续缓变量、大的阶跃控制量也不会使温度发生突变的假设基础 上，利用在^时刻点对温度随时间变量r(i)进行泰勒展开计算获得，A为温度控制周期数； 经matlab仿真结果展示温度预测可获得更优的控制结果。
[0036] Fuzzy-智能PID复合温度控制算法是基于Fuzzy模糊控制理论和智能PID控制 策略，找出控制参数比例控制因子），尤(积分控制因子），《（微分控制因子）与输入 量e(目标温度与实测温度之间的偏差）、4(6?偏差的变化率）之间的关系，实现三个控制 参数的实时修正。首先由输入量的Fuzzy模糊控制器提供基本的PID参量，根据基本参量、 微分控制项以及当前状态进行状态分析，结合分析结果对PID参量进行智能修正；基本控 制算法公式如（2)式所示，式中^ 分别为当前及上一个周期的偏差，4为控制周期， 心为不完全微分时间，7?? Λ ,分别为当前周期和上一个周期由微分算法获得的温度控制 量。
[0038] 光路控制模块8由光学分度系统(包括光源、前置光学系统、比色杯、后置光学系 统、单色器)、光电探测器、线性放大电路、模拟开关、对数运算电路、A/D转换电路构成；其 原理框图如图7所示；生化分析仪电子控制系统主要对光电探测器、线性放大电路、模拟开 关、对数运算电路、A/D转换电路进行监控；光电探测器采用硅光电二极管阵列探测器，光 电探测器输出的是弱电流信号，由线性放大电路将其放大并转换成电压信号，去除暗电流 的影响；ARM控制芯片对模拟开关进行监控；对数运算电路将光电探测信号转换成样品的 吸收光度值；经过A/D转换电路向ARM控制芯片输送数字信号。
[0039] 液路控制模块9,包括转盘控制部分、搅拌臂控制部分、采样和清洗控制部分；其 框图如图8所示；转盘控制部分由一个零位定位光耦确定吸样盘位置、另两个定位光耦分 别确定内外圈孔位置，由霍尔传感器确定取样盘号，将获得的这些信息送于AMR控制芯片， 并驱动步进电机转动吸样盘；搅拌臂控制部分的定位光耦是臂摆动零位和臂升降零位，液 位传感器感知样品液面高度，撞针保护用于保护针与臂不发生碰撞，步进电机用于操控搅 拌臂的运动；采样和清洗控制部分，定位光耦用于确定注射器的零和加样针的零位，冲洗阈 用于针管内外壁的清洗工作，当电磁阈开关打开时，高压冲流水流冲洗针管，步进电机用于 控制注射器活塞运动。
[0040] 实施例：
[0041] 本申请实施例提供了一种生化分析仪电子控制系统，是采用ARM控制芯片，搭配 可实现实时多任务管理的嵌入式操作系统对生化分析仪的电子控制系统进行操控和管理； 包括对生化分析仪中液路控制系统、光路控制系统、恒温控制系统和步进电机的监控和管 理。
[0042] 在生化分析仪电子控制系统中搭配了 UCLinux嵌入式操作系统，利用底层模块和 控制系统驱动程序的协助下完成系统的控制、硬件间功能和动作的协调应用，具体软件设 计是将移植好的操作系统代码和底层模块和控制系统驱动程序任务一起编译，编译好的目 标代码通过JTAG接口下载到目标板上运行调试；根据生化分析仪的工作原理和功能控制， 将控制系统分成键盘任务、显示任务、液路控制任务(包括取样任务、比色杯反应盘任务、冲 洗任务)、光路控制任务、恒温控制任务、步进电机控制任务；自动分析仪在ARM控制芯片的 自动控制下运行，系统上电后，各功能模块首先初始化，完成自检；操作人员在上位机操作 界面界面输入测试参数，装好样本，电子控制系统指导液路控制系统清洗比色杯，加注试剂 和样本、驱动步进电机搅拌混合液体，驱动恒温控制系统和光路控制系统运行，完成光学测 量，同时对光路控制系统输出的信息进行滤波、除噪等信号处理，并将得到的数据上传给上 位机进行分析处理。
[0043] 步进电机模块6驱动电路的实现是采用A3977SED细分步进电机驱动芯片，输入由 "DIR"（方向）和"STEP"（步进）双线实现，输出由H桥电路实现，电机电流有固定OFF时 间PffM(脉冲宽度调制）控制电路调整，通过改变电机线圈中的电流相位关系，可以改变电 机转动方向；当驱动芯片检测到ARM控制芯片送来的时钟信号（CLK)和方向信号（DIR)时， 驱动控制器将其转化为A相和B相驱动器的电流和方向，从而实现微步驱动；
[0044] 恒温控制模块7包括高精度温度测量电路和恒温控制电路；控制程序流程图如图 9所示；初始化主要是对各设备以及变量进行初始化，系统各部分准备就绪；由键盘输入设 定温度值（或由上位PC机给定）和上下限温度（如：37±0.05°C);启动温度测量电路进行 温度采集；判定温度是否等于预想温度；如若等于预想温度启动显示模块3进行温度显示， 如若不等于预想温度，启动Fuzzy-智能PID复合算法控制器，输出PffM波形调控后端执行 电路、利用可控硅对温度进行调控，调控后延迟l〇ms，再次进行温度采集，直到温度等于预 想温度，并进行显示。
[0045] 光路控制模块8,光电探测器用于探测光学分度系统输出的光信号，并根据探测的 光信号输出电流，由放大电路对光电控制器输出的电流信号进行放大，并将电流信号转换 成电压信号；由ARM控制芯片控制模拟开关；对数运算电路接收光电探测器输出信号，并对 其进行对数运算转换成样品的吸收光度值；由A/D转换电路将吸收光度值转换为ARM控制 芯片可识别的数字信号，并输入ARM控制芯片。
[0046] 本实用新型提供的一种生化分析仪电子控制系统，本申请虽然已经给出了本实用 新型的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本实用新型精神的情况下， 可以对本申请的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本申请的实施例作为 本实用新型权利范围的限定。
【主权项】
1. 一种生化分析仪电子控制系统，其特征在于，包含ARM控制芯片、显示模块、键盘模 块、步进电机模块、恒温控制模块、液路控制模块、光路控制模块、I 2C总线和电源； 所述ARM控制芯片采用ARM+DSP结构的ARM芯片，用于对步进电机模块、恒温控制模 块、光路控制模块、液路控制模块进行控制，同时完成生化分析仪的数据采集和上位计算机 的通信； 所述步进电机模块主要由驱动电路和步进电机构成，驱动电路采用A3977SED细分步 进电机驱动芯片，接收ARM芯片指令，调控液路系统中各控制部分的电机运动； 所述恒温控制模块包括高精度温度测量电路和恒温控制电路，用于对比色杯中温度的 监测和控制。2. 如权利要求1所述的生化分析仪电子控制系统，其特征在于，高精度温度测量电路 由恒流源、NTC热敏电阻传感器、放大电路、LTC2400A/D转换芯片以及光电隔离电路构成； 所述恒流源主要用于NTC热敏电阻传感器提供恒流电源； 所述NTC热敏电阻传感器用于探测比色杯中温度； 所述LTC2400A/D转换芯片用于模拟信号向数字信号的转换。
【专利摘要】本实用新型公开了一种体积小、简单易操作、分析速度快的生化分析仪电子控制系统，包含ARM控制芯片、显示模块、键盘模块、步进电机模块、恒温控制模块、液路控制模块、光路控制模块、I2C总线和电源。ARM控制芯片作为系统中央控制单元，搭配嵌入式操作系统对控制系统进行操控和管理；步进电机模块由ARM发出的指令经过A3977SED细分步进电机驱动芯片调控液路控制模块中的电机运动；恒温控制模块是利用NTC热敏电阻传感器对比色杯进行温度测量，搭配Fuzzy-智能PID复合控制算法高精度控制样品的反应温度；液路控制模块用于控制转盘、搅拌臂、生化反应混合液采样和相关器皿的清洗；光路控制模块用于测控光学分度系统和生化反应输出信号采集。
【IPC分类】G05D23/24, G05B19/042
【公开号】CN204883431
【申请号】CN201520608693
【发明人】张光富, 吴思远, 鲁娉
【申请人】湖南城市学院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月13日