基于ATmega128的多通道生化分析仪测控系统

　　1 引言

　　生化分析仪是根据物质在紫外、可见光区产生的特征吸收光谱和朗伯- 比尔(Lambert- Beer)定律和原理, 用未知浓度的样品与已知浓度标准物质比较或根据摩尔吸光系数方法进行定量分析的仪器。生化分析仪属于光学式分析仪器, 它基于物质对光的选择性吸收, 即分光光度法, 分光光度法是在朗伯比尔定律基础上建立起来的一种常用的分析方法。其原理是:特定波长的单色光通过溶液, 其吸收强度与溶质浓度和光通过的距离(即光径)成正比。数学表达式为:A=Lg(I0/It)= εbc 式中, A 为吸光度, I0为入射辐射强度, It为通过辐射强度, ε为摩尔吸光系数(L·mol-1·cm-1), b 为液层厚度(cm), c 为吸收物的摩尔浓度(M)。本文所述的生化分析仪采用平像场分光光度计, 用全息凹面光栅作为分光元件, 以硅光电二极管阵列(PDA)为探测器。光度测试采用后分光技术, 从光源辐射的复合光先经样品溶液吸收后再由全息凹面光栅分光, 阵列探测器同时接受8 路光谱信号(340nm, 405nm, 450nm, 505nm, 546nm, 570nm, 620nm, 660nm),多个光谱信号同时检测, 实现多通道快速测量。其工作过程:样品经进样电机吸入到比色池, 光电转换器将通过盛有样品溶液的比色池的单色光转换为电信号后送入信号处理系统进行分析, 分析后的数据可以同时在显示屏显示、微型打印机打印结果和保存在 FLASH 存储器中。

　　2 系统的总体设计

　　系统以ATmega128 芯片为核心, 外围电路由对数放大器、FLASH 存储器、USB 接口、CPLD 等组成。系统的整体方案如图1 所示。

　　2.1 硬件部分

　　2.1.1 信号放大电路

　　信号放大电路主要由 AD549 和 LOG112 组成。LOG112 是TI公司生产的片上电压参考为 2.5V 的精密对数和对数比放大器, 具有高精度(0.02% FSO Over 5 Decades), 宽的输入动态范围(7.5 Decades, 100pA～3.5mA), 低静态电流(1.75mA), 输出比例放大, 简单易用的功能。在本电路的应用如图2 所示:D 为阵列探测器的一路光电接收器, I1为D 经过 AD549 放大后的输出电流, 范围在100pA 到500uA 之间(KEITHLEY6517A Electrometer 实测D的电流值得到);VREF 由精密微功耗并联型电压基准源LM4040A-25 提供, I2是由LM4040A-25 和精密电阻提供的基准电流, CC 为频率补偿电容由I1与I2的取值范围决定; VLOGOUT=(0.5V)LOG(I1/I2),输出电压V03=-(R2/R1)VLOGOUT, 由硬件实现了吸光率值的测量。A/D 采用ATmega128 自带的10 位逐次逼近型ADC, 其具有 8 路复用的单端输入通道, 7 路差分输入通道, 连续转换或单次转换的功能。选择片内的2.56V 做为ADC 的参考电压, 且在AREF 引脚上加一个20pF 的电容解藕, 以更好地抑制噪声。ADC 还包括一个采样保持电路, 以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。