基于虛擬儀器全自動(dòng)生化分析儀的研究

1、I / 33 文檔可自由編輯打印基于虛擬儀器全自動(dòng)生化分析儀的研究基于虛擬儀器全自動(dòng)生化分析儀的研究The research of full automatic biochemistry analyzer basedon Labview I / 33 文檔可自由編輯打印摘摘 要要全自動(dòng)生化分析儀是典型的光、機(jī)、電、算結(jié)合的精密儀器，涉及的學(xué)科門類多、技術(shù)復(fù)雜，其中的分光光度計(jì)是該儀器的核心部分之一，它的優(yōu)劣直接影響儀器的精度指標(biāo)。本論文首先闡述了生化分析儀國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，介紹了生化分析儀的工作原理；依據(jù)全自動(dòng)生化分析儀的控制任務(wù)情況，以一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)為上位機(jī)、以 8051 單片機(jī)構(gòu)成下位機(jī)系統(tǒng)，

2、完成了控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì);依據(jù)全自動(dòng)生化分析儀的功能要求，完成了軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)主控軟件采用具有強(qiáng)大功能的圖形化編程語言 Labview、下位機(jī)采用匯編語言完成;最后將數(shù)據(jù)在上位機(jī)顯示，結(jié)果表明本控制系統(tǒng)可以滿足全自動(dòng)生化分析儀的控制要求。關(guān)鍵詞：生化分析儀關(guān)鍵詞：生化分析儀 光度計(jì)光度計(jì) 虛擬儀器虛擬儀器 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 單片機(jī)。單片機(jī)。II / 33 文檔可自由編輯打印AbstractFull automatic biochemistry analyzer is a kind of typical Fine Instruments which is composed of Optic

3、, Mechanic, and Electric. It contains lots of academics and the skills are complex. The spectrophotometer is a crucial component. Its performance will affect the performance of entire system. Firstly, the national and international development of automatic analyzer is introduced in this paper. The p

4、rinciple of the automatic analyzer is introduced. According to the multitask need of mechanical movement, a multi-CPU control system consisted of one PC computer and 8051 single-chips is designed. According to the need of operation, a software system with good interface and strong function is comple

5、ted .The PC program is based on LABVIEW language and the program in 8051 is based on assemble language. The reliability of this control system is also discussed in this article. At last the result is displayed on the PC program. The results indicate that the control system fit the bill of the analyz

6、er.Key words: automatic analyzer, photometer, Labview, control system, single-chipsI / 33 文檔可自由編輯打印目目 錄錄第一章第一章 引引 言言.11. 1 生化分析儀 .11. 2 分光光度計(jì) .21. 3 生化分析儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .41.3. 1 國外發(fā)展?fàn)顩r.41.3. 2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及市場需求.51. 4 本論文研究的內(nèi)容、意義.6第二章第二章 全自動(dòng)生化分析儀介紹全自動(dòng)生化分析儀介紹.82. 1 生化分析過程簡介 .82. 2 全自動(dòng)生化分析儀的整體結(jié)構(gòu) .92. 3 全自動(dòng)生化分析儀的工作

7、過程.11第三章第三章 全自動(dòng)生化分析儀電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)全自動(dòng)生化分析儀電子學(xué)硬件設(shè)計(jì).133. 1 本論文的原理框圖 .133. 2 系統(tǒng)元件的介紹 .143. 2. 1 光耦.143. 2. 2 CPLD.153. 2. 3 電機(jī).16第四章第四章 虛擬儀器（虛擬儀器（LABVIEW）簡介）簡介.184. 1 基干 PC 的測控技術(shù)的發(fā)展及虛擬儀器 .184. 2 虛擬儀器的概念 .194. 2. 1 虛擬儀器的構(gòu)成及其分類.194. 2. 2 虛擬儀器的軟件.204. 3 圖形化開發(fā)平臺(tái) LABVIEW 及 G 語言.214. 3. 1 LabVIEW 的起源及發(fā)展.214. 3. 2 G

8、 語言與虛擬儀器.224. 3. 3 LabVIEW 應(yīng)用解決方案.24第五章第五章 基于虛擬儀器的全自動(dòng)生化分析儀調(diào)試基于虛擬儀器的全自動(dòng)生化分析儀調(diào)試.25結(jié)結(jié) 論論.27參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).28致致 謝謝.291 / 33 文檔可自由編輯打印第一章 引 言1. 1 生化分析儀 生化分析儀是醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行臨床診斷所必需的儀器之一，主要用于測定人體體液中的各種生化指標(biāo)，如臨床檢驗(yàn)血常規(guī)、心肌酶譜、血糖血脂、肝功、腎功、免疫球蛋白等常規(guī)生化指標(biāo)。自動(dòng)生化分析儀，就是把生化分析中的取樣、加試劑、去干擾、混合、保溫反應(yīng)、檢測、清洗以及結(jié)果計(jì)算、顯示和打印等步驟自動(dòng)化的儀器。它完1全模仿并代替了手工操作

9、，不僅提高了工作效率，而且減少了主觀誤差，穩(wěn)定了檢驗(yàn)質(zhì)量。由于這類儀器一般都具有靈敏、準(zhǔn)確、快速、節(jié)省和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，使得自動(dòng)生化分析儀在臨床生化分析中得到了廣泛應(yīng)用。 生化分析儀是屬于光學(xué)式分析儀器，它是基于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收原理，即分光光度分析法，其測量原理如圖 1.1 所示：圖 1.1 分光光度法測量原理分光光度分析是絕大多數(shù)生化分析儀所采用的一類檢測方法，它是基于不同分子結(jié)構(gòu)的物質(zhì)對(duì)電磁輻射的選擇性吸收而建立起來的方法，屬于分子吸收光譜分析。它以分子吸收某一波長的光為基礎(chǔ)，表現(xiàn)為分子的吸光度值 (A) 為波長 ()的函數(shù)關(guān)系。分光光度分析的依據(jù)是朗伯比爾定律，它以被測物質(zhì)分子吸收某一

10、波長的單色光為基礎(chǔ)，其原理是：單色器將光源發(fā)出的復(fù)色光分成單色光，特定波長的單色光通過盛有樣品溶液的比色皿，樣品的吸光度與樣品溶液濃度和光通過的距離 (光徑) 成正比，光電轉(zhuǎn)換器將透射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)處理得到樣品溶液的濃度。當(dāng)光通過溶液時(shí)，被吸收的強(qiáng)度單色器比色池光電轉(zhuǎn)換器光源2 / 33 文檔可自由編輯打印與溶質(zhì)濃度和光通過的距離有一定的關(guān)系，布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后在 1729 年和 1760 年闡明了光輻射強(qiáng)度和吸收層厚度的關(guān)系，1852 年比爾(Beer)又提出光輻射強(qiáng)度和吸收物濃度也具有類似的關(guān)系;布格朗伯比爾定律的數(shù)學(xué)表示式為： A= (1.

11、1)bcTII1lglg10其中：A光同通過戒指被介質(zhì)吸收的吸光度T透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比即透光率0/ II入射光強(qiáng)度0I透射光強(qiáng)度1I介質(zhì)摩爾吸光系數(shù)（ml molcm）11c吸收物的摩爾濃度（mol/mol）b吸收層厚度(cm)上式表明，當(dāng)特定波長的單色光通過溶液時(shí)，樣品的吸光度與溶液中吸收物濃度和光通過的距離成正比。 21. 2 分光光度計(jì) 光學(xué)分析方法由于其靈敏度高、選擇性好、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，在分析化學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。利用分光光度法進(jìn)行定性和定量分析工作，具有分析精度高、測量范圍廣、分析速度快、分析試樣用量少及不破壞，也不改變?cè)嚇拥奈锢砗突瘜W(xué)特征等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)這種分

12、析方法的儀器為分光光度計(jì)。分光光度計(jì)主要由光源、前置光學(xué)系統(tǒng)、樣品室、單色器、檢測器及信號(hào)放大處理等電子學(xué)系統(tǒng)組成，如圖 1.2 所示。圖 1.2 分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖光源發(fā)出的輻射經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)照射到樣品同時(shí)聚焦到單色器的樣品室單色器探測器信號(hào)放大與測量前 置光學(xué)系統(tǒng)光源3 / 33 文檔可自由編輯打印入射狹縫，再經(jīng)單色器分光后由光電探測器探測，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后經(jīng)放大器放大后由電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行處理。 根據(jù)工作波段的不同，分光光度計(jì)可分為真空紫外分光光度計(jì)、可見分光光度計(jì)，紫外可見分光光度計(jì)和紫外可見近紅外分光光度計(jì)，其工作波段分別為0.1nm200nm、350nm700nm、185n

13、m900nm 和 185nm2500nm。 3真空紫外 (遠(yuǎn)紫外) 分光光度計(jì)在儀器制造上還有一些問題，目前還沒有成熟的商品儀器，因此，真空紫外分光光度計(jì)還沒有成為分析化學(xué)的重要工具。生化分析儀所需的波長范圍是從 340nm 到 800nm，屬于紫外可見分光光度計(jì)?，F(xiàn)以紫外可見分光光度計(jì)為例介紹分光光度計(jì)的組成。 典型的紫外可見分光光度計(jì)是由光源、單色器、樣品室、檢測器、信號(hào)處理系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)特征是六個(gè)部分按直線排列方式組合。按光路結(jié)構(gòu)的不同可分為前分光和后分光類型，圖 1.3 采用的是前分光，既分光后再入射到吸收池。圖 1.4 采用的是后分光，即從光源發(fā)射的復(fù)合光先通過吸收池后再經(jīng)單色器分

14、光。對(duì)于前分光式的分光光度計(jì)，由于通過吸收池的是單色光，所以沒有其它波長單色光的干擾。但是它不能同時(shí)完成多波長測試，而且測試速度慢。對(duì)于后分光式的分光光度計(jì)，由于光先通過吸收池再由單色器分光，所以可采用面陣CCD、光電二極管陣列等光電探測器同時(shí)對(duì)幾個(gè)波長進(jìn)行測試，速度快。生化分析過程中，測試一個(gè)波長而其它波長的影響可忽略不計(jì)時(shí)采用后分光式可實(shí)現(xiàn)快速測試。圖 1.3 （前分光）圖 1.4 (后分光) 4光源吸收池單色器檢測器信號(hào)處理系統(tǒng)光源單色器吸收池檢測器信號(hào)處理系統(tǒng)4 / 33 文檔可自由編輯打印 從 1941 年世界上第一臺(tái)分光光度計(jì)問世到現(xiàn)在，幾十年來，隨著光學(xué)電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上述幾個(gè)

15、組件在不斷更新和發(fā)展，使儀器的測量精度、功能和自動(dòng)化程度不斷提高，但其結(jié)構(gòu)排列方式仍基本不變。1. 3 生化分析儀的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.3.1 國外發(fā)展?fàn)顩r 國外臨床生化分析儀發(fā)展從 50 年代開始，至今己經(jīng)有了長足的進(jìn)步，各公司推出了種類繁多、性能優(yōu)良的生化分析儀。美國在 60 年代生產(chǎn)了流動(dòng)式 SMA 系統(tǒng)自動(dòng)生化分析儀，由于連續(xù)流動(dòng)式的造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樣品產(chǎn)生交叉污染的可能大等原因，70 年代發(fā)展了離心式及分立式的分析儀，并且分立式的自動(dòng)生化分析儀目前已成為主流。 世界上首臺(tái)實(shí)用的自動(dòng)生化分析儀是美國 Technicon 公司在 1957年推出的 Auto Analyzer，此后世界上許

16、多家公司都紛紛推出自己的產(chǎn)品，如美國貝克曼、日本日立、島津、德國拜爾等都相繼研制成功全自動(dòng)生化分析儀，并且己發(fā)展了幾代，在分析精度、檢驗(yàn)速度方面不斷提高?？v觀世界全自動(dòng)生化分析儀的發(fā)展現(xiàn)狀，有以下兩種具有代表性的產(chǎn)品：美國 Beckman CX9 和日本 HITACHI7600 全自動(dòng)生化分析儀。 美國 Beckman CX9 全自動(dòng)生化分析儀是美國貝克曼公司的最新產(chǎn)品，如圖 1.5 所示。5 / 33 文檔可自由編輯打印圖 1.5 美國 Beckman CX9 型全自動(dòng)生化分析儀CX9 的檢測速度每小時(shí)可達(dá) 900 次，最多時(shí)可同時(shí)測 33 項(xiàng)，提供從340nm 到 700nm 范圍內(nèi) 10

17、 個(gè)波長。它的最大特征就是能直接連接樣品分選和輸送系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全程自動(dòng)化以及其完善的融培訓(xùn)、保養(yǎng)和故障自檢為一體的多媒體軟件 (RxPert)?？梢哉f CX9 是生化分析儀是和現(xiàn)今高科技結(jié)合最完美的一類，是極佳的測定系統(tǒng)。 日立 HITACHI7600 全自動(dòng)生化分析儀，也是一套小型的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化系統(tǒng)，它采用先進(jìn)的控制技術(shù)、模塊化結(jié)構(gòu)開發(fā)的大型組合式分析儀，如圖 1.6 所示。圖 1.6 日立 HITACHI7600 型全自動(dòng)生化分析儀它具有高度的靈活性和擴(kuò)展性，用戶根據(jù)需要自由組合，同時(shí)配上樣品投入部，樣品架輸入部，復(fù)查等待樣品架緩沖部和分析完樣品收納部，由中央計(jì)算機(jī)與各單元 CPU

18、 構(gòu)成 windows NT Ethernet 網(wǎng)控制，6 / 33 文檔可自由編輯打印能隨時(shí)隨意增減單元部。整個(gè)工作流程由中央計(jì)算機(jī)智能多線程控制，合理分配，實(shí)現(xiàn)高速、高效的測定。通過定時(shí)器設(shè)定，可進(jìn)行無人狀態(tài)一體化程序控制檢測、自動(dòng)清洗、保養(yǎng)和關(guān)機(jī)。智能檢查各模塊，在正常測試的同時(shí)，對(duì)異常模塊進(jìn)行維護(hù)，其分擔(dān)任務(wù)自動(dòng)轉(zhuǎn)移測定。它實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室全程自動(dòng)化。 1.3. 2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及市場需求 目前國內(nèi)自研生產(chǎn)的生化分析儀均是半自動(dòng)型，例如中科院長春光機(jī)所的 CA958 型半自動(dòng)生化分析儀，它由 PC 機(jī)控制或單機(jī)使用，在具有臨床生化檢驗(yàn)測量功能的同時(shí)，還可作吸光度時(shí)間掃描測量和連續(xù)光譜掃描測

19、量。再如杭州美迪公司生產(chǎn)的 YK100 型半自動(dòng)生化分析儀，儀器配有大屏幕計(jì)算機(jī)，中文界面，采用先進(jìn)的操作卡 (IC 卡)技術(shù)，操作卡可存貯檢驗(yàn)項(xiàng)目參數(shù)，病人結(jié)果及圖表曲線，每一操作卡能存貯 70 種生化測試，操作簡單，等等。國內(nèi)還沒有自主生產(chǎn)的全自動(dòng)生化分析儀，這主要是因?yàn)樗婕肮狻C(jī)、電、算、液路、溫控、生化分析等多方面的綜合技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制時(shí)序要求嚴(yán)格、運(yùn)行可靠性和精度要求高等，至今國內(nèi)還沒有研制成功的案例，因此醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求 100%依靠進(jìn)口。近來隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，我國醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)生化分析儀的要求越來越迫切。隨著國內(nèi)醫(yī)院要求診斷指標(biāo)的增多，測試工作量不斷增大，半自動(dòng)生化分析儀已

20、遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，對(duì)全自動(dòng)生化分析儀的要求日益增大，而國內(nèi)生化分析儀生產(chǎn)的型號(hào)種類很少，又均為一般性的儀器，專門化和大而全的通用儀器幾乎沒有，儀器自動(dòng)化程度和微機(jī)化水平低，因此全自動(dòng)生化分析儀的研制和開發(fā)將有著重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1. 4本論文研究的內(nèi)容、意義 自從 Technicon 于 1957 年首次推出第一臺(tái)生化分析儀以來至今短短 40 余年，生化分析儀已得到迅速發(fā)展，市場上已有成百種機(jī)型。隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使得生化分析儀在自動(dòng)化程7 / 33 文檔可自由編輯打印度、檢側(cè)速度、檢測精度和保養(yǎng)維護(hù)等方面獲得極大的進(jìn)步。生化分析儀是醫(yī)療機(jī)構(gòu)必備的常規(guī)檢驗(yàn)設(shè)備，特別

21、是全自動(dòng)生化分析儀，現(xiàn)在我國的各大醫(yī)院使用的全自動(dòng)生化分析儀幾乎全部是依靠進(jìn)口設(shè)備?，F(xiàn)有的國產(chǎn)生化分析儀電學(xué)系統(tǒng)落后，很難滿足國內(nèi)市場需求。本項(xiàng)目在國產(chǎn)生化儀器基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代電子技術(shù)及先進(jìn)軟件平臺(tái)，研制新型全自動(dòng)生化分析儀。使其性能指標(biāo)趕超世界先進(jìn)水平并進(jìn)一步推進(jìn)醫(yī)療儀器網(wǎng)絡(luò)化。如上所述，對(duì)于全自動(dòng)生化分析儀來說，要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)地完成樣品加注、試劑加注、反應(yīng)溶液的混合、保溫、顯色、比色、數(shù)據(jù)處理和報(bào)告打印等功能，除具有機(jī)械硬件之外，電子學(xué)控制系統(tǒng)的研究是其能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵，具有很重要的意義。本論文的主要內(nèi)容如下： 1網(wǎng)絡(luò)化生化分析儀中單片機(jī)的應(yīng)用。由于采用了單片機(jī)系統(tǒng)，使儀器功能得到大幅度的

22、提高。 2多元并行控制邏輯設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代 CPLD 作為多元并行控制邏輯設(shè)計(jì)保證了全自動(dòng)生化分析儀多運(yùn)動(dòng)部件并行操作的難題，在電路結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。3虛擬儀器軟件平臺(tái)在生化分析儀中的應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高高端生化分析系統(tǒng)軟件的可擴(kuò)展性，新型全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化生化分析儀充分運(yùn)用現(xiàn)代虛擬儀器概念，位于網(wǎng)絡(luò)終端的中心上位機(jī)系統(tǒng)軟件采用圖形化編程環(huán)境，實(shí)時(shí)采集測量數(shù)據(jù)。8 / 33 文檔可自由編輯打印第二章 全自動(dòng)生化分析儀介紹 全自動(dòng)生化分析儀，從加樣至出結(jié)果的全過程完全由儀器自動(dòng)完成。操作者只需把樣品放在分析儀的特定位置上，選用程序開動(dòng)儀器即可等取檢驗(yàn)報(bào)告。由于分析中沒有手工操作步驟，故主觀誤差很少，

23、且該類儀器一般都具有自動(dòng)報(bào)告異常情況，自動(dòng)校正自身工作狀態(tài)的功能，因此系統(tǒng)誤差也較小，給使用者帶來很大的便利。全自動(dòng)生化分析儀在工作時(shí)，醫(yī)務(wù)人員只需通過簡單的參數(shù)輸入工作，通過計(jì)算機(jī)發(fā)送控制指令，整個(gè)檢驗(yàn)分析過程全部用機(jī)械裝置來取代人工操作，機(jī)械裝置由電子學(xué)控制系統(tǒng)操縱運(yùn)動(dòng)，并最后獨(dú)立地得出數(shù)據(jù)結(jié)果返回給醫(yī)生。不論是何種類型的生化分析儀，它進(jìn)行生化分析的過程都是一樣的。2. 1 生化分析過程簡介 生化分析過程一般包括樣品的識(shí)別、處理和存儲(chǔ)，樣本和試劑的存儲(chǔ)、傳送，化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)的檢測，信號(hào)處理、數(shù)據(jù)報(bào)告和結(jié)果分9 / 33 文檔可自由編輯打印析等步驟。樣品 (specimen) 是從測試對(duì)象采

24、取的血液、尿液等，在放入分析儀開始分析前需要對(duì)其加以標(biāo)記、處理，樣品經(jīng)過處理后進(jìn)入生化分析儀后稱為樣本 (ample) 。 樣品的識(shí)別、處理和存儲(chǔ)。樣品的識(shí)別開始在采樣品處，將所取得樣品用標(biāo)記將其和受試者聯(lián)系起來，這部分工作主要由護(hù)士完成。目前絕大多數(shù)生化分析液不以全血，而是以血清 (漿) 為測定對(duì)象，血清由檢驗(yàn)人員從全血中分離出來轉(zhuǎn)放到另一個(gè)儀器再放入分析儀。在存儲(chǔ)時(shí)為防止樣品由于體積減少而濃縮，一些分析儀在樣品放置部分加蓋并可控制在低溫環(huán)境中。 5 樣本和試劑的存儲(chǔ)、傳送。樣本和試劑的采取、運(yùn)送可分為流式和分立式。流式是將樣品引入一個(gè)連續(xù)流動(dòng)的液體管道中，流式儀器中廣泛使用分配泵，根據(jù)管道

25、口徑粗細(xì)不同決定了標(biāo)本和試劑的相對(duì)比例，其加注樣本的絕對(duì)量的控制不如分立式那樣可靠。而分立式中樣本進(jìn)入獨(dú)立的反應(yīng)杯中，加入試劑后混勻進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。分立式多采用注射器裝置進(jìn)行標(biāo)本和試劑的吸取并加入反應(yīng)杯中。一般分析儀中使用液體試劑，存儲(chǔ)在適合不同分析儀要求的各種塑料試劑瓶中，放在 515冷室中保存，需要在不開主機(jī)或待命狀態(tài)下可維持此溫度。 化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)的檢測。反應(yīng)容器使用比色杯，即是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生處又是光度測量處。在反應(yīng)容器中加入反應(yīng)液 (標(biāo)本和試劑)，并對(duì)其進(jìn)行充分混勻，在不同時(shí)間分別測定其吸光度，反應(yīng)容器存放在恒溫水浴中，保證整個(gè)反應(yīng)在一定的恒溫 (30或 37) 下進(jìn)行。信號(hào)處理、數(shù)據(jù)報(bào)告

26、和結(jié)果分析。計(jì)算機(jī)作為生化分析儀的控制核心，對(duì)整個(gè)分析儀工作進(jìn)行調(diào)控。計(jì)算機(jī)能夠?qū)ο到y(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并自動(dòng)糾正或通知操作人員。在進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)安排測定步驟和程序。接收并存儲(chǔ)測量結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，得出檢驗(yàn)結(jié)果。2. 2 全自動(dòng)生化分析儀的整體結(jié)構(gòu) 根據(jù)上面介紹的生化分析過程，全自動(dòng)生化分析儀的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有10 / 33 文檔可自由編輯打印以下組成部分：機(jī)械操作系統(tǒng)、微量注射器系統(tǒng)、恒溫水浴控制系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、供水排水系統(tǒng)、測光系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子學(xué)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，其中機(jī)械操作系統(tǒng)包括樣品盤、試劑盤和反應(yīng)盤及其各自的取樣機(jī)構(gòu)、攪拌機(jī)構(gòu)、

27、微量注射器等。其整體結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。其中，四個(gè)轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)用于承載并運(yùn)送樣本和試劑，分別是反應(yīng)盤、樣品盤、試劑一盤和試劑二盤，反應(yīng)盤用于安放反應(yīng)杯，反應(yīng)杯固定在反應(yīng)盤上并隨盤子轉(zhuǎn)動(dòng)，并使反應(yīng)杯保持在37恒溫水浴中，反應(yīng)杯的作用是承載并運(yùn)送反應(yīng)液，同時(shí)也是進(jìn)行化學(xué)分析反應(yīng)和檢測的場所；樣品盤用來放置樣本和標(biāo)準(zhǔn)液及質(zhì)控液;兩個(gè)試劑盤則是分別用來放置試劑 1 和試劑 2 的，試劑盤外加冷水套對(duì)試劑空間制冷，使試劑存放在 515冷藏室內(nèi)，溫度傳感器探測冷藏室的溫度并反饋給控制系統(tǒng)。這四個(gè)轉(zhuǎn)盤都是由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪帶動(dòng)，由碼盤和位置傳感器在單片機(jī)控制下確定其孔的停靠位置。圖 2.1 全自動(dòng)生化分析儀整

28、體結(jié)構(gòu)圖 取樣機(jī)構(gòu)包括一個(gè)取樣品機(jī)構(gòu)和兩個(gè)取試劑機(jī)構(gòu)。取樣品機(jī)構(gòu)用于從樣品杯中汲取待測樣品，并運(yùn)送、注入到反應(yīng)杯，取試劑機(jī)構(gòu)用11 / 33 文檔可自由編輯打印于從各自的試劑盒中汲取試劑并運(yùn)送、注射到反應(yīng)杯中。樣品和試劑的汲取和加注是由注射器實(shí)現(xiàn)的，液體微量注射器的結(jié)構(gòu)原理如圖 2.2所示：圖 2.2 結(jié)構(gòu)原理圖它的工作原理是通過微小地改變?nèi)萜鲀?nèi)的體積來得到定量液體的變化量，它由液體容器瓶和可在容器瓶內(nèi)左右運(yùn)動(dòng)的活塞組成，當(dāng)活塞相對(duì)容器左右移動(dòng)時(shí)，容器內(nèi) V 的容積相應(yīng)地發(fā)生變化，這時(shí)，其中的液體量也就發(fā)生改變：向左移動(dòng)時(shí) V 容積增加、容器 V 內(nèi)的液體量增加， ，活塞向右移動(dòng)時(shí) V 容積減

29、小、器 V 內(nèi)的液體量減少，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微量液體的抽取和加注。 清洗機(jī)構(gòu)用來清洗反應(yīng)杯，當(dāng)反應(yīng)杯使用前和使用后都需要清洗機(jī)構(gòu)對(duì)其清洗，清洗機(jī)構(gòu)由清洗針和液體管路系統(tǒng)等組成，清洗針由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪上下移動(dòng)導(dǎo)軌，由位置傳感器定位。攪拌機(jī)構(gòu)用 6于將反應(yīng)杯中的液體攪拌均勻，當(dāng)每次將試劑注入到已加入樣本的反應(yīng)杯后，攪拌機(jī)構(gòu)將攪拌棒移動(dòng)到反應(yīng)杯位置并轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌棒使反應(yīng)混合溶液充分混勻，由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪帶動(dòng)齒條控制攪拌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 試劑制冷系統(tǒng)由水冷套、冷藏箱和致冷水循環(huán)系統(tǒng)組成。通過冷藏箱內(nèi)的溫度傳感器探測溫度，當(dāng)溫度高于 10時(shí)，磁力泵注入冷水箱內(nèi)冷卻水直到溫度達(dá)到 5150。恒溫控制水循環(huán)系統(tǒng)的功能是使

30、反應(yīng)杯中的反應(yīng)液保持在恒溫下 (37) ，使用溫度傳感器探測水箱溫度，當(dāng)溫度低于恒定溫度時(shí)，計(jì)算機(jī)控制加熱器接通或斷開;冷卻管路用于防止恒溫水槽溫度上升。 全自動(dòng)生化分析儀的光度測量采用后分光技術(shù)，即復(fù)合光通過待測樣品后，再經(jīng)單色器分光測試。全自動(dòng)生化分析儀的光度計(jì)由光源、聚光鏡、入縫、凹面光柵和光二極管陣列組成。光源經(jīng)準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生平12 / 33 文檔可自由編輯打印行光，經(jīng)恒溫水和反應(yīng)杯，再由另一聚光鏡將光聚焦在入逢上，進(jìn)入單色器，經(jīng)凹面光柵分光聚焦在陣列探測器上，當(dāng)反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就可以測各個(gè)反應(yīng)杯的吸收值。全自動(dòng)生化分析儀由于檢驗(yàn)項(xiàng)目多、速度快，需要同時(shí)完成多個(gè)波長值的測量，因此，采用全息凹面

31、平象場光柵作為分光元件，硅光電二極管陣列作為光電探測器的分光光度計(jì)。2. 3全自動(dòng)生化分析儀的工作過程 全自動(dòng)生化分析儀的整個(gè)檢驗(yàn)過程全部由微處理器自動(dòng)控制運(yùn)行。開機(jī)后首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化動(dòng)作，醫(yī)務(wù)人員人工將裝有樣本的樣品杯安放在樣品盤上，在試劑盤上裝好試劑盒，向微機(jī)輸入檢驗(yàn)參數(shù)后，就可以開始檢驗(yàn)，微處理器根據(jù)每次檢驗(yàn)時(shí)醫(yī)務(wù)人員輸入的各種參數(shù)控制儀器運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)完成反應(yīng)杯的清洗、樣品的加注、兩種試劑的加注、反應(yīng)杯中混合溶液的攪拌均勻以及光度的測量等工作。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程由圖 2.3 所示的測量時(shí)序圖給出。圖 2.3 測量時(shí)序圖反應(yīng)盤每轉(zhuǎn)一圈測量一次光度值。反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將要測量的反應(yīng)杯轉(zhuǎn)到清洗位置，

32、清洗機(jī)構(gòu)對(duì)反應(yīng)杯進(jìn)行清洗，待清洗過程結(jié)束后，反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將反應(yīng)杯轉(zhuǎn)到加樣位置處，同時(shí)，樣品盤轉(zhuǎn)動(dòng)將待測樣本杯轉(zhuǎn)到取樣位置處，取樣臂轉(zhuǎn)到樣品盤取樣位置，取樣針落入待測樣本溶液中并汲取樣本后轉(zhuǎn)動(dòng)到反應(yīng)盤放樣位置向清洗完的反應(yīng)杯中注入樣本；13 / 33 文檔可自由編輯打印反應(yīng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)到加試劑一位置，同時(shí)取試劑一機(jī)構(gòu)試劑一加入到反應(yīng)杯中，反應(yīng)杯轉(zhuǎn)到攪拌位置，攪拌機(jī)構(gòu)將反應(yīng)杯中混合溶液攪拌均勻，然后反應(yīng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，加入試劑二，反應(yīng)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到測量結(jié)束。第三章 全自動(dòng)生化分析儀電子學(xué)硬件設(shè)計(jì)從以上對(duì)全自動(dòng)生化分析儀的結(jié)構(gòu)和功能介紹可以看出，全自動(dòng)生化分析儀是一個(gè)集光、機(jī)、電于一體的大型生化檢驗(yàn)設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)復(fù)

33、雜，執(zhí)行部件多，在同一時(shí)刻要有多個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)完成動(dòng)作，并且有較嚴(yán)格的時(shí)序要求。因此，全自動(dòng)生化分析儀的控制系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，下面首先介紹電子學(xué)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。31 本論文的原理框圖圖 3-1 此原理框圖表示通過單片機(jī)和 CPLD 共同來控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)；而單片機(jī)還通過 MAX232 串口與上位機(jī)通信，進(jìn)而與 Labview 相連接，實(shí)現(xiàn)其功能。此系統(tǒng)中單片機(jī)作為下位機(jī)對(duì)系統(tǒng)中的各部件進(jìn)行控制，并通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。 714 / 33 文檔可自由編輯打印圖 3.1 基于虛擬儀器的原理框圖3. 2 系統(tǒng)元件的介紹3. 2. 1 光耦光電耦合器在這主要起并行操作功能，并且有隔離作用，下面簡

34、單介紹一下一一 結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)單片機(jī)CPLD光耦功放電機(jī)MAX232PC機(jī)Labview12 個(gè)12 個(gè)15 / 33 文檔可自由編輯打印圖 3.2 光電耦合器的結(jié)構(gòu)光電耦合器是將 LED 和光敏三極管緊密的組裝在一起，密封在一個(gè)對(duì)外隔光的封裝之內(nèi)，這樣 LED 的光線能夠落到光敏三極管的表面上，可避免其他雜散光的干擾。光電耦合器的一個(gè)重要特性是其輸入端相連接的電路可以和其輸出端的電路完全隔開，并且在這兩個(gè)電路之間，可以安全的存在成百上千伏的電位差而不會(huì)對(duì)光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響。這種隔離特性是這類光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響。這種隔離特性是這類光電耦合器的主要誘人之處。所以，通常把

35、這類光電器件叫做光電隔離器。它可以應(yīng)用于低壓到高壓信號(hào)的耦合，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)與外部電子電路或電動(dòng)機(jī)等的接口，以“地”為基準(zhǔn)的低壓電路和用于主干線交流電源等直接供電的浮置高壓電路之間的接口，還可以替代低功率的繼電器和脈沖變壓器。光電耦合器的另一個(gè)重要特性是用 IF 控制 I，這同三極管中用IB 控制 IC 一樣，但信號(hào)的傳遞是單向的，輸出端即使有很強(qiáng)的干擾和噪聲，也不會(huì)影響反饋到輸入端。二二 光電耦合器的應(yīng)用光電耦合器的應(yīng)用1、用于電平轉(zhuǎn)換2、用于邏輯門電路16 / 33 文檔可自由編輯打印3、起隔離作用，有時(shí)為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號(hào)分開，可采用光電耦合器。圖 3.3 用邏輯電路的

36、信號(hào)來觸發(fā)可控硅SCR，可控硅的負(fù)載為電感性的開關(guān)電路，采用光電耦合器后，負(fù)載所產(chǎn)生的尖峰噪聲不會(huì)反饋到邏輯電路。圖 3.3 光電隔離作用3. 2. 2 CPLDCPLD 是 Complex PLD 的簡稱，顧名思義，其是一種較 PLD 更為復(fù)雜的邏輯組件。CPLD 是一種整合性較高的邏輯組件。由于具有高整合性的特點(diǎn)，故其有性能提升，可靠度增加，PCB 面積減少及成本下降等優(yōu)點(diǎn)。CPLD 組件，基本上是由許多個(gè)邏輯方塊(Logic Blocks)所組合而成的。而各個(gè)邏輯方塊均相似于一個(gè)簡單的 PLD 組件(如22V10)。邏輯方塊間的相互關(guān)系則由可編程的連線架框，將整個(gè)邏輯電路合成而成。CPL

37、D 的架框方塊圖，如上圖所示。常見的 CPLD 組件有 Altera 公司的 Max 5000 及 Max 7000 系列。 8LogicBlockLogicBlock輸出或輸入可編程連線架構(gòu)LogicBlockLogicBlockLogicBlockLogicBlock輸出或輸17 / 33 文檔可自由編輯打印圖 3.4 CPLD 的框架框圖在本設(shè)計(jì)中使用 CPLD 作為單片機(jī)的外圍接口部件取代了 8155及 8255，由于 CPLD 的軟件可編程性，可定制使系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來靈活，修改又方便，其并發(fā)執(zhí)行的特點(diǎn)使數(shù)據(jù)處理的速度快，不浪費(fèi) CPU 更多的時(shí)間。3. 2. 3 電機(jī)電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)

38、換的電磁裝置，可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，也可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在本生化分析儀中采用兩相四拍制步進(jìn)電機(jī)，用來控制濾光片的轉(zhuǎn)換及控吸液量的多少，是一個(gè)重要的部件。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制,并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的控制驅(qū)動(dòng)裝置。由于步進(jìn)電機(jī)是受脈沖信號(hào)控制的，因此適合于作為數(shù)字控制系統(tǒng)的伺服元件。步進(jìn)電機(jī)的線圈中每輸入一個(gè)脈沖,轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角,它的速度和控制脈沖嚴(yán)格同步,通過改變脈沖頻率的高低就可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于步進(jìn)電機(jī)具有精度高、控制靈活、定位準(zhǔn)確、工作可靠,能直接接受交換數(shù)字信號(hào)等特點(diǎn),因此廣泛地應(yīng)用在計(jì)量測試儀器中。它具有以下基本特點(diǎn) 91

39、8 / 33 文檔可自由編輯打印1.步進(jìn)電機(jī)受脈沖信號(hào)控制，每輸入一個(gè)脈沖就變換一次繞組的通電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)就相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)一步。因此，角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格的比例關(guān)系。2.一旦停止送入控制脈沖中，只要維持控制繞組電流不變，電動(dòng)機(jī)可以保持在其固定的位置上，不需要機(jī)械制動(dòng)裝置。3.輸出轉(zhuǎn)角精度高，雖然有相鄰齒距誤差，但無累積誤差。4.改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之而改變。5.步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向狀態(tài)的改變?cè)絹碓娇?，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度就越快，即通電狀態(tài)的變化越快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快。對(duì)步進(jìn)電機(jī)，若有表示步距角，則： （3.1）mzk0360式中 m步進(jìn)電機(jī)相數(shù) z轉(zhuǎn)子齒

40、數(shù) k由步進(jìn)電機(jī)控制方式確定的拍數(shù)和相數(shù)的比例系數(shù)，如三相三拍制時(shí) k=1，三相六拍制時(shí) k=2第四章虛擬儀器（LabVIEW）簡介全自動(dòng)生化分析儀軟件的功能是完成控制儀器的各個(gè)部件運(yùn)轉(zhuǎn)，保證儀器測量的工作狀態(tài)，對(duì)光度計(jì)測量返回的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、校準(zhǔn)和分析，最后得出檢驗(yàn)結(jié)果，打印出檢驗(yàn)報(bào)告等。由于硬件設(shè)計(jì)采用了分布式多 CPU 控制并由一臺(tái) PC 機(jī)協(xié)調(diào)各 CPU 時(shí)序的方案，因此軟件系統(tǒng)也由兩部分組成:下位機(jī)匯編軟件和上位機(jī)的主控軟件。下19 / 33 文檔可自由編輯打印位機(jī)匯編軟件直接通過電子學(xué)系統(tǒng)對(duì)生化儀的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制;上位機(jī)主控軟件一方面保證用戶能與上位機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，另一方面

41、對(duì)各下位機(jī)發(fā)送命令控制各單片機(jī)協(xié)調(diào)工作。4. 1 基干PC的測控技術(shù)的發(fā)展及虛擬儀器隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于PC的測試測量與控制技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，其主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面為數(shù)據(jù)采集和控制部件的進(jìn)步，另一方面是測控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步。從部件技術(shù)上，老式的測控系統(tǒng)中各主要部件如信號(hào)調(diào)理器、模擬開關(guān)、A/D及 D/A轉(zhuǎn)換器等多由分立元件或小規(guī)模集成電路組成。由于其集成度較低，致使系統(tǒng)體積龐大，穩(wěn)定性及可靠性也較差。90年代以后微電子技術(shù)迅猛發(fā)展，各種集成電路的集成度越來越高，性能越來越好，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的某一部分功能得以在一片集成電路中完成，其可靠性及其它技術(shù)性能也大大提高

42、。以 A/D 轉(zhuǎn)換芯片為例，目前的 A/D芯片分辨率最高可以達(dá)到 20-24bits；在轉(zhuǎn)換速度上，8位和12位的ADC轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每秒上百兆次，16位的目前也可達(dá)到每秒 1 兆次的速度水平。轉(zhuǎn)換速度的提高極大的拓展了測控技術(shù)的應(yīng)用范圍，如可以對(duì)更高頻的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。此外，由于電路的集成度越來越高，出現(xiàn)了將多個(gè)測控單元部件集成于一個(gè)芯片的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品.如將信號(hào)調(diào)理模塊、模擬開關(guān)、采樣保持器及A/D模塊集成在一塊板卡上的數(shù)據(jù)采集卡。這種產(chǎn)品的測量輸出己經(jīng)是數(shù)字信號(hào)，而模塊化的單元即為智能化數(shù)字傳感器。測控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，根本來源于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。作為測控系統(tǒng)基本功能單元的各種測

43、試儀器，其發(fā)展經(jīng)歷了模擬儀器、分立元件式儀器、數(shù)字化儀器直到智能儀器。由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、測量方法及儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，電子測量儀器的功能和作用已發(fā)生質(zhì)的變化，其中計(jì)算機(jī)處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個(gè)整體，導(dǎo)致儀器的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等也發(fā)生突破性的變化。在上述背景下，出現(xiàn)了新的儀器概念虛擬20 / 33 文檔可自由編輯打印儀器。而虛擬儀器的發(fā)展，已經(jīng)超越了狹義上的單純的功能部件“儀器” ，其正作為整體的系統(tǒng)解決方案逐漸成為行業(yè)的主流。4. 2 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念最早由美國N工公司于

44、1985年提出，其英文原稱為Virtual Instrument，簡稱vi。所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)測試系統(tǒng).虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果:利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理：利用 I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測量與調(diào)理，從而建立集各種測試功能為一體的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬面板，就如同使用一臺(tái)專用測量儀器一樣.4. 2. 1 虛擬儀器的構(gòu)成及其分類虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái) (簡稱硬件平

45、臺(tái)) 和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。 101.虛擬儀器的硬件平臺(tái)虛擬儀器的硬件平臺(tái)由兩部分組成:(1)計(jì)算機(jī)一般為一臺(tái)PC機(jī)或者工作站，其為硬件平臺(tái)的核心。(2) I/O 接口設(shè)備I/O 接口設(shè)備主要完成被測輸入信號(hào)的采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應(yīng)的 I/O 接口硬件設(shè)備，如利用PC機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集板卡、GPIB 總線、VXI 總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、串行總線儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有5種類型: PC-DAQ 系統(tǒng)PC-DAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路及計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)的 PCI 或 21 / 33 文檔可自由編輯打

46、印ISA 總線，數(shù)據(jù)采集卡直接插入計(jì)算機(jī)底板上的相應(yīng)總線插槽。 GPIB 系統(tǒng)GPIB 系統(tǒng)是以 GPIB 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 VXI 系統(tǒng)VXI系統(tǒng)是以 VXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 PXI系統(tǒng)PXI 系統(tǒng)是以 PXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 串口系統(tǒng)串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器平臺(tái)組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。4. 2. 2.虛擬儀器的軟件目前虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類: 文本式開發(fā)平臺(tái): 如 Visual C+、Visual Basic、LabWindow

47、s/CVI 等。 圖形化開發(fā)平臺(tái): 如 LabVIEW、 HP VEE 等。虛擬儀器軟件由兩部分組成，即應(yīng)用程序和 I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。應(yīng)用程序又包含實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序。I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。4. 3 圖形化開發(fā)平臺(tái)LabVIEW及G語言LabVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境 ( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的縮寫，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENTS,簡稱 NI)推出的基于 G 語言 ( Graphics

48、 Language,圖形化編程語言) 的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。全球發(fā)布僅22 / 33 文檔可自由編輯打印次于C/C+開發(fā)平臺(tái)。4. 3. 1 LabVIEW 的起源及發(fā)展數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動(dòng)測試是實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。在20世紀(jì)80年代初個(gè)人計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，幾乎所有擁有程控儀器的實(shí)驗(yàn)室都采用貴重的儀器控制器來控制測試系統(tǒng)。這些功能單一，價(jià)格昂貴的儀器控制器通過一個(gè)集成通訊口來控制 IEEE-488 總線儀器 (也稱為GPIB程控儀器)。后來，隨著 PC機(jī)的出現(xiàn)，通過性價(jià)比較高的通用 PC 機(jī)控

49、制臺(tái)式儀器逐漸成為行業(yè)主流，各種基于 PC 機(jī)的接口板卡產(chǎn)品也逐漸占據(jù)市場，NI 公司也應(yīng)運(yùn)而生。到1983年，其已成為世界范圍內(nèi) PC 機(jī) GPIB 接口卡最主要的供應(yīng)商。到1983年，GPIB 總線已經(jīng)成為連結(jié)儀器和計(jì)算機(jī)的通用標(biāo)準(zhǔn)接口。除了個(gè)別制造商對(duì) IEEE-488 標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)別解釋不同外，用戶在物理層面上配置儀器和儀器系統(tǒng)已基本沒有問題.但另一方面，儀器控制軟件的發(fā)展，卻相對(duì)滯后。當(dāng)時(shí)幾乎所有的儀器控制程序都是由 BASIC 語言編寫，雖然與可讀性差、編程專業(yè)性要求更高的機(jī)器語言和匯編語言相比，BASIC 語言已經(jīng)具有許多優(yōu)勢 (如簡單、可讀性強(qiáng)的命令集和交互能力)，但與其它所有基于

50、文本的高級(jí)語言一樣，其存在的根本問題是要求使用儀器的科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員具備專業(yè)程序員水平。這些用戶必須將他們關(guān)于儀器和應(yīng)用的知識(shí)轉(zhuǎn)換成一行行的程序代碼，以形成測試程序。該環(huán)節(jié)在工程實(shí)際中耗費(fèi)技術(shù)人 11員大量精力，成為儀器應(yīng)用發(fā)展中的瓶頸。NI公司有一支用 BASIC 語言開發(fā)儀器程控軟件的程序員專業(yè)隊(duì)伍，其十分敏銳地鋪?zhàn)降匠炭貎x器編程為科學(xué)家和工程師帶來的負(fù)擔(dān)，并意識(shí)到需要開發(fā)一個(gè)用于 程控儀器編程的軟件工具。1984 年，NI 公司投資啟動(dòng)該軟件工程項(xiàng)目.1986 年 5月，推出 LabVIEW Beta版，又經(jīng)過幾個(gè)月的反饋修改，于 1986 年 10 月正式發(fā)布了LabVIEW

51、1.0版。有效的內(nèi)存管理是使圖形化編程語言優(yōu)于普通解釋語言的關(guān)鍵。23 / 33 文檔可自由編輯打印由于數(shù)據(jù)流解釋需要大量分配內(nèi)存，因此，內(nèi)存重用對(duì)數(shù)據(jù)流圖編程效率至關(guān)重要，尋找內(nèi)存重用的有效算法成為提高 LabVIEW 性能的關(guān)鍵。LabVIEW 1. 1 版解決了算法問題,隨后的LabVIEW 1. 2版又大幅地提高了產(chǎn)品的可靠性和魯棒性。但由于內(nèi)在體系局限，其性能與 C 語言程序相比，仍然有較大差距。為了解決這個(gè)問題，1988年推出的 LabVIEW2.0 采用了最新的面向?qū)ο缶幊?(OOP) 技術(shù),程序的執(zhí)行速度和靈活性達(dá)到了一個(gè)新的高度。LabVIEW 2.0 以前的版本都是運(yùn)行在

52、Macintosh 平臺(tái)上，當(dāng) Window 3.0 操作系統(tǒng)出現(xiàn)，32位的 Windows應(yīng)用程序設(shè)計(jì)成為可能后 LabVIEW 實(shí)現(xiàn)了從 Macintosh 平臺(tái)到 Windows 平臺(tái)的移植。1992 年 8 月，跨平臺(tái)的 LabVIEW 2. 5 問世。1993年 1 月，增加了大量新特性的 LabVIEW 3. 0 正式發(fā)行，這些新特性包括全局與局部變量、屬性節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行動(dòng)畫等。從 LabVIEW 3.0 版本開始，LabVIEW 作為一個(gè)完整優(yōu)異的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的認(rèn)可，并迅速占領(lǐng)市場。2005年 10月 3日，NI 公司發(fā)布了迄今為止版本最新的 LabVIEW

53、 8.0 Express。4. 3. 2 G 語言與虛擬儀器從 LabVIEW 研制開發(fā)的過程可以看到，其是為了替代傳統(tǒng)的基于腳本的高級(jí)語言如C語言而設(shè)計(jì)的。LabVIEW 是編程語言而不僅僅是一個(gè)開發(fā)環(huán)境。其具有高級(jí)語言的所有特性，唯編程方式有所不同。因其采用數(shù)據(jù)流編程的開發(fā)方式，所以又稱之為 G 語言 (Graphic Language)。 12G語言是一種適合應(yīng)用于各種編程任務(wù)，具有擴(kuò)展函數(shù)庫的通用編程語言。和 C語言一樣，G 語言定義了數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)類型和模塊調(diào)用語法等編程語言的基本要素，在功能完整性和應(yīng)用靈活性上等同于任何高級(jí)語言。同時(shí) G 語言豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫為專業(yè)用戶在工程中實(shí)現(xiàn)

54、諸如數(shù)據(jù)采集、后續(xù)分析處理等通用功能帶來極大便利。應(yīng)用G語言編寫的程序稱為虛擬儀器 VI (Virtual Instruments)，在 LabVIEW 環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序都被冠以.vi 后綴，以表示虛擬儀器24 / 33 文檔可自由編輯打印的含義。一個(gè)VI由交互式用戶接口、數(shù)據(jù)流框圖和圖標(biāo)連接端口組成，其各部分功能如下:1. VI 的交互式用戶接口因?yàn)槠渑c真實(shí)的物理儀器面板相似，故又稱作前面板。前面板可以包括旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤和鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。2. VI 從數(shù)據(jù)流框圖接受指令。所謂數(shù)據(jù)流編程即程序執(zhí)行的實(shí)質(zhì)當(dāng)前程序節(jié)點(diǎn)必須能確保收到上一個(gè)程序節(jié)

55、點(diǎn)傳遞過來的有效數(shù)據(jù)，同時(shí)確保經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)處理后能順利傳達(dá)至下一個(gè)程序節(jié)點(diǎn)。只要節(jié)點(diǎn)存在數(shù)據(jù)，程序即執(zhí)行。一種解決編程問題的圖形化方法，實(shí)際上是VI的程序代碼。3. VI 模塊化特性。一個(gè)VI既可以作為上層獨(dú)立程序，也可以作為其他程序的子程序。當(dāng)一個(gè) VI 作為子程序時(shí)，稱作 SubVI 。 VI 圖標(biāo)和連接端口的功能就像一個(gè)圖形化的參數(shù)列表，可在 VI 和 SubVI 之間傳遞數(shù)據(jù)。正是基于 VI 的上述特性，G 語言最佳地實(shí)現(xiàn)了模塊化編程思想。用戶可以將一個(gè)應(yīng)用分解為一系列任務(wù)，再將每個(gè)任務(wù)細(xì)分，將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用分解為一系列簡單的子任務(wù)，為每個(gè)子任務(wù)建立一個(gè) VI，然后將這些VI組合在一起完成最終的應(yīng)用程序。因?yàn)槊總€(gè) SubVI 可以單獨(dú)執(zhí)行，所以調(diào)試相對(duì)容易。許多底層 SubVI 可以完成一些常用功能，因此用戶可以開發(fā)特定的 SubVI 庫，以適應(yīng)一般的應(yīng)用程序。4. 3. 3 LabVIEW 應(yīng)用解決方案LabVIEW 自 1986 年正式推出，至今已發(fā)展到以最新版本 LabVIEW 8.0 Express為核心