CN107561300A - 一种全自动过敏原检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动过敏原检测仪，采用三层结构，包括管理与监督控制级、实时控制级和现场设备级；管理与监督控制级包括PC机及其应用软件，实时控制级包括PLC及其应用软件，现场设备级包括吸针运动子系统、光电测量子系统、清洗子系统以及注射泵子系统；PC机与PLC采用工业以太网通信，PLC与光电测量子系统和注射泵子系统采用RS485总线连接，PLC与吸针移动子系统和清洗子系统采用I/O连接。本发明能够实现整个过敏原测量工序的全自动控制。

Description

一种全自动过敏原检测仪

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种全自动过敏原检测仪。

背景技术

我国目前过敏性疾病的发病率超过36％，居众多疾病谱之首。单就食物过敏而言，约7％－10％的儿童、3％－5％的成人患病，严重时直接危及生命。同时，吸烟难控、空气污染严重，吸入物过敏与食物过敏交互作用，患病人群不断扩大，10年来仅过敏性哮喘患儿就增加64.8％。因此，发明过敏检测仪具有非常重要的意义。

在过敏反应测试中，需要先培养过敏原测量试剂，并与不同类型的过敏原进行反应，通过检测生成物中组胺的含量来确定过敏反应的程度。在组胺测试过程中，通过吸针把含组胺的测试液吸入测试管，在测试管中通过荧光反应测量其含量；在测试完成之后，把测试液从测试管中排出，并对吸针及检测管道进行清洗，从而完成一种过敏原的过敏反应测量。如果有多种过敏原需要测量，则按照上述时序一个接一个地测量，并逐个在计算机上显示或者用打印机打印出来。目前，国内尚无成熟的过敏反应检测仪器，国外也只有REFLAB公司研制的半自动组胺检测仪Hisreader-501；该仪器没有清洗环节，且无人工干预环节，严重影响测量精度和操作的灵活性，大大降低了过敏检测的精度和效率。

因此，需要设计一种全自动的过敏反应测试仪器，实现包括自动清洗在内的整个过敏原测量工序的全自动控制，且测量过程可以人工干预，采用更高效的并行处理算法，实现整个过敏原测量的全自动控制和管理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全自动过敏原检测仪，能够实现整个过敏原测量工序的全自动控制。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种全自动过敏原检测仪，采用三层结构，包括管理与监督控制级、实时控制级和现场设备级；管理与监督控制级包括PC机及其应用软件，实时控制级包括PLC及其应用软件，现场设备级包括吸针运动子系统、光电测量子系统、清洗子系统以及注射泵子系统；PC机与PLC采用工业以太网通信，PLC与光电测量子系统和注射泵子系统采用RS485总线连接，PLC与吸针移动子系统和清洗子系统采用I/O连接。

具体的，PLC的CPU模块采用西门子S7-1200 1214C DC/DC/DC，该CPU模块具有RJ45以太网接口，无需外接以太网模块；PLC通过RS485扩展模块CM 1241实现与光电测量子系统、注射泵子系统的RS485通信。

优选的，PLC与注射泵、光电测量子系统的通信协议采用独立设计的兼容已有注射泵通信协议的扩展通信协议；把兼容原有的注射泵通信协议部分用于与注射泵子系统通信，把扩展的部分协议用于与光电测量子系统的通信；原有通信协议部分和扩展协议部分具有相同的包同步、起始、结束及校验码，增加命令类型和数据语义用于定义光电测量子系统的工作参数包括紫外光强度、PMT工作电压、电放大倍数，以及实时工作状态和测量数据。

具体的，RS485通信的应用层采用兼容注射泵的数据包格式，与注射泵的RS485协议具有相同的包结构，增加命令类型和数据语义的定义，针对光电测量子系统扩展部分，RS485通信上层协议的扩展部分如下：

通信数据包由包同步、起始、站地址、序列、数据、结束、校验码组成；采用ASCII编码，包同步为02，起始为02，站地址为57，结束为03，校验码为zz；采用Query Commands进行测量数据和状态读取；采用Action Commands和Motor Control Commands配置工作参数，包括紫外光强度、PMT电压和电放大倍数；

数据与序列共同组成带有含义的读写命令，数据中以ASCII字符’L’开头的对应紫外光强度，以ASCII字符’V’开头的对应PMT电压，以ASCII字符’U’开头的对应电放大倍数，数据中ASCII字符后的参数与序列为对应参数的设置值；数据为ASCII字符’？51’对应读状态，数据为ASCII字符’？52’对应读光强。

优选的，吸针运动子系统包括机械结构：三台步进电机及丝杆，配合系统完成检测所需要的机械移动；其中X轴与Z轴两台电机带动吸针在工作平面完成检测需要的移动，Y轴带动试剂盒托盘前后移动从而实现样品的Y轴移动，最终实现吸针移动完成全部样品的检测；PLC通过高速脉冲指令PTO发送方向及脉冲信号控制X、Y、Z三轴电机，X、Y、Z三轴的零点由接近开关从断开到闭合时的位置确定，吸针运动块离接近开关一定距离时，接近开关准确快速输出开关信号，此时即为该轴的零点位置。

具体的，当接近开关从断开到闭合时发生I/O事件中断，立即停止该轴的驱动脉冲输出，并把该位置设置为原点；采用定时器周期中断实现PTO的驱动脉冲输出，定时器中断周期设为1毫秒，在每次1毫秒周期中断修改PTO中的输出脉冲数据，从而改变运动速度，脉冲当量设置为0.03175毫米；

下面以X轴的运动控制的PTO脉冲数更新来给出详细算法，首先求出吸针离运动两端的最短距离：

d＝min(|x_start-x|,|x-x_end|) (1)

式(1)中，x_start和x_end分别为需要吸针移动的起点和终点，x为指针当前位置，在起点与终点之间，暂停后需要重新确定起点和终点的坐标，d表示离起点和终点的最小距离，离起点较近则需要加速，离终点较近则需要减速；

式(2)中，N为需要在1毫秒中断输出的脉冲个数，当吸针到达终点时，停止输出脉冲，即停止移动；当从起点开始移动时，输出最少的脉冲数，然后慢慢加速，d％10表示d除以10的整数部分，当接近终点时，慢慢减速；当d较大，级吸针离起点和终点都比较远时，全速移动，以每毫秒10个脉冲当量速度移动。

具体的，接近开关通过I/O口与PLC的输入端口连接；一维接近开关分别安装在X、Y、Z三轴线的一端，作为三轴的坐标原点；采用U型机械结构安装接近开关，接近开关嵌入安装在非磁性不锈钢材料的U型结构凹槽内部，并不突出在U型凹槽外，离U型凹槽开口顶端一定距离，确保即使发生机械结构碰撞，也不损害接近开关。

具体的，吸针运动块采用磁性不锈钢材料。

具体的，吸针运动子系统的运动驱动执行部件采用步进电机与驱动一体化装置。

优选的，注射泵子系统包括注射泵、针头、导管、阀。

优选的，清洗子系统包括清洗液桶、蠕动泵、电机驱动板、清洗池、废液桶和导管；PLC通过其I/O输出口经电机驱动板控制蠕动泵转速；蠕动泵把清洗液从桶中抽出，通过导管在清洗池喷出，清洗池采用泉涌式清洗池，清洗液从入水口喷涌出进入清洗池，从低洼处的出水口排出到废液桶。

具体的，PLC输出的电机使能、脉冲和方向信号经过光电隔离芯片实现信号隔离和逻辑电平转换后接入电机驱动板芯片。

具体的，PLC通过调节其输出的脉冲频率来调节蠕动泵的转速，从而调节清洗液流量的大小。

具体的，自动清洗过程为：PLC控制吸针针头移动至清洗液导管喷出的喷涌口、PLC控制喷水，完成吸针外部清洗，停留一段时间后，PLC控制注射泵使吸针吸入清洗液，又停留一段时间后，PLC控制吸针移动到清洗池低洼处吐出內洗后的废液，完成吸针内部清洗；外部清洗与内部清洗的清洗液流量、停留完成时间与清洗次数可以通过PC机界面设定并保存在PLC中，PLC自动按照所设定的参数完成整个清洗过程。

优选的，全自动测量时，PLC通过用户指定的第一个待测样品所在坐标位置开始，将对试剂盒中的多个试剂样品逐个进行检测；

在一次测量中，PLC控制吸针运动子系统，将吸针针头移动至待测试剂对应的试管中，并通过RS485端口与注射泵子系统通信，发送吸取试剂指令，注射泵配合吸取待测样品至光电检测子系统的检测管道中；PLC通知光电检测子系统完成信号检测，PLC接收到检测数据后，将检测数据写入存储器，通过调用以太网发送指令发送检测结果，同时PLC控制吸针运动子系统，将洗针针头移动至清洗池，排出检测液，进行洗针管道外部喷洗与内部吸洗；清洗完成后，根据试剂试管中心的横纵间隔差计算下一检测试剂中心位置，控制吸针运动子系统，将吸针针头移动至下一待测样品对应位置的上方，至此完成一个样品的测量；

当试剂盒中所有试剂检测完成后，PLC控制吸针运动子系统复位，检测完成。

优选的，测量过程中的各种状态和测量数据实时显示在PC机上，当测量过程中出现意外，需要人工干预时，可以在PC上暂停测量过程，人工干预完成后，还可恢复原来的自动测量过程：PLC无论在自动测量过程中还是在人工干预过程中，PLC都计算实时运动坐标，同时保持断点坐标和断点工作状态；人工干预之后，可以选择从原来人工干预时的断点或者从干预后的最新实时运动坐标和工作状态来恢复自动测量过程，从而实现在自动测量过程中的暂停、人工干预和恢复自动测量。

优选的，PLC的活动流程如下：

Step1，系统上电，PLC的CPU上电复位，读取掉电保护工作区的工作参数；

Step2，PLC对以太网通信和各子系统进行初始化，初始化过程是并行进行；

Step3，PLC判断工作模式，若为手动工作模式，则根据PC命令来分别完成更改控制模式、更改工作参数或者执行手动命令；若为自动工作模式，则根据PC命令分别完成暂停、自动检测、更改控制模式；更改工作参数只能在手动工作模式中进行；

Step4，PLC向PC上传实时过程数据、4个子系统分别按照工作状态表的时序分段运行，并更新工作状态表，这5个模块是并行运行，通过工作状态表相互交换数据和相互协作完成自动测量，工作状态表含有每个子系统的工作状态；

Step5，判断是否测量完毕，若还有工序未测量或者还有样品未测量，则重新回到Step3；若已经测量完毕，则更新工作状态表，表示测量完毕，将工作模式自动转为手动状态，并提醒用户测量完毕。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本全自动过敏原检测仪分为三层结构，管理与监督控制级采用广泛应用的PC机，具有良好的人机界面；实时控制级采用工业自动化领域的先进PLC和工业以太网技术；现场设备级采用两种类型的现场设备，分别为直接I/O连接和RS485通信连接。采用工业控制技术中的三层结构简化了医学仪器的系统组成，降低了系统实现成本、提高了仪器扩展的灵活性、可靠性和维修性。

(2)在过敏原检测过程中具有自动清洗工序，无需人工清洗，在实现全自动化检测的同时，提高了检测精度；通过PC机可以配置清洗时间、次数和流量等工作参数，提高了仪器对不同测试样品的适应能力。

(3)采用埋入式接近开关安装方法，避免运动部件对限位传感器的机械碰撞，同时，PLC软件综合应用I/O中断、定时器周期中断检测和运动变速的方法避免机械碰撞和位移误差，提高了运动控制的精度和降低了仪器的机械疲劳。

(4)设计了兼容现有注射泵的RS485通信的应用层协议，该协议用于光电测量子系统的RS485通信，使得注射泵RS485和光电测量子系统可以采用不同的地址而共用PLC的RS485通信模块，不需要单独为注射泵和光电测量子系统分别配置不同的RS485模块，降低了成本和减少了仪器的体积和功耗。

(5)自动测量过程可以暂停、人工干预和恢复自动测量，提高了测试过程的灵活性。

附图说明

图1是实施例全自动过敏原检测仪结构图；

图2是实施例一维接近开关传感器工作示意图；

图3是清洗子系统示意图；

图4是实施例全自动过敏原检测仪的PLC活动图；

图5是实施例全自动过敏原检测仪的PLC数据流图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种全自动过敏原检测仪，结构图如图1所示。采用三层结构，包括管理与监督控制级、实时控制级和现场设备级。管理与监督控制级由PC机及其应用软件组成，实时控制级由PLC及其应用软件组成，现场设备级由吸针运动子系统、光电测量子系统、清洗子系统以及注射泵子系统构成。PC机与PLC采用工业以太网通信，PLC与光电测量子系统和注射泵子系统采用RS485总线连接，PLC与吸针移动子系统和清洗子系统采用I/O连接。

本过敏原检测仪的PLC的CPU模块采用西门子S7-1200 1214C DC/DC/DC，该CPU模块具有RJ45以太网接口，无需外接以太网模块；PLC通过RS485扩展模块CM 1241实现与光电测量子系统、注射泵子系统的RS485通信。注射泵子系统包括注射泵、针头、导管、阀等，其中注射泵采用Hamilton PSD/4SYRINGE，PLC与注射泵、光电测量子系统的通信协议采用独立设计的兼容已有注射泵通信协议的扩展通信协议。

吸针运动子系统由三台步进电机及丝杆等机械结构组成，配合系统完成检测所需要的机械移动。吸针运动子系统的运动驱动执行部件采用步进电机与驱动一体化装置Schneider MDrive 17系列驱动一体步进电机，其中X轴(水平左右移动)与Z轴(垂直上下移动)两台电机带动吸针在工作平面完成检测需要的移动，Y轴带动试剂盒托盘前后移动从而实现样品的Y轴移动，最终实现吸针移动完成全部样品的检测。PLC通过高速脉冲指令PTO发送方向及脉冲信号控制X、Y、Z三轴电机，X、Y、Z三轴的零点由接近开关从断开到闭合时的位置确定，接近开关采用Omron E2B-S08KS01-WP-B1，接近开关通过I/O口与PLC的输入端口连接。一维接近开关分别安装在X、Y、Z三轴线的一端，作为三轴的坐标原点。如图2所示，采用U型机械结构安装接近开关，接近开关嵌入安装在非磁性不锈钢材料的U型结构凹槽内部，并不突出在U型凹槽外，离U型凹槽开口顶端约0.5毫米，确保即使发生机械结构碰撞，也不损害接近开关。U型安装结构采用非磁性不锈钢，既能防止材料导磁对精度的影响，又能保证安装体的强度，减小机械碰撞带来的损害；吸针运动块采用磁性不锈钢材料，磁性不锈钢可以提高接近开关传感器的灵敏度，保证运动的磁性不锈钢离接近开关约1.5毫米时，接近开关准确快速输出开关信号，此时即为该轴的零点位置。

清洗子系统由清洗液桶、蠕动泵、电机驱动板、清洗池、废液桶和导管组成。图3给出了清洗子系统的示意图。PLC通过其I/O输出口经电机驱动板控制蠕动泵转速；蠕动泵把清洗液从桶中抽出，通过导管在清洗池喷出，清洗池采用泉涌式清洗池，清洗液从入水口喷涌出进入清洗池，从低洼处的出水口排出；PLC控制吸针针头移动至清洗液导管喷出的喷涌口、PLC控制喷水，完成吸针外部清洗，停留一段时间后，PLC控制注射泵使吸针吸入清洗液，又停留一段时间后，PLC控制吸针移动到清洗池低洼处吐出內洗后的废液，完成吸针内部清洗；外部清洗与内部清洗的清洗液流量、停留完成时间与清洗次数可以通过PC机界面设定并保存在PLC中，PLC自动按照所设定的参数完成整个清洗过程。蠕动泵采用KCS Plus-SL4S04A，为两相四线制六转子步进电机，电机驱动板采用A4985步进电机驱动芯片，PLC输出的电机使能、脉冲和方向信号经过光电隔离芯片TLP521实现信号隔离和逻辑电平转换后接入A4985驱动芯片，PLC通过调节其输出的脉冲频率来调节蠕动泵的转速，从而调节清洗液流量的大小。PLC的CPU模块，S7-1200的CPU 1214C DC/DC/DC可以直接支持四台电机的PTO输出，包括吸针运动子系统的X、Y、Z三轴电机和清洗子系统的蠕动泵步进电机共四台。

全自动测量时，PLC通过用户指定的第一个待测样品所在坐标位置开始，将对试剂盒中的8行12列共96个试剂样品逐个进行检测。在一次测量中，PLC控制吸针运动子系统，将吸针针头移动至待测试剂对应的试管中，并通过RS485端口与注射泵通信，发送吸取试剂指令，注射泵配合吸取待测样品至光电检测子系统的检测管道中；PLC通知光电检测子系统完成信号检测，光电检测子系统完成检测后，PLC接收到检测数据后，将检测数据写入存储器，通过调用以太网发送指令发送检测结果，同时PLC控制吸针运动子系统，将洗针针头移动至清洗池，排出检测液，进行洗针管道外部喷洗与内部吸洗；清洗完成后，根据试剂试管中心的横纵间隔差计算下一检测试剂中心位置，控制吸针运动子系统，将吸针针头移动至下一待测样品对应位置的上方，至此完成一个样品的测量。当试剂盒中所有试剂检测完成后，PLC控制吸针运动子系统复位，检测完成。整个过敏原测试过程由PLC进行全自动实时控制、由PC机完成监督控制和管理，PLC通过以太网与PC实时交换数据。测量过程中的各种状态和测量数据实时显示在PC机上，当测量过程中出现意外，需要人工干预时，可以在PC上暂停测量过程，人工干预完成后，还可恢复原来的自动测量过程。

图4是PLC的活动图，比一般的流程图增加了并行处理，按照流程来说明该活动图：

Step1，系统上电，PLC的CPU上电复位，读取掉电保护工作区的工作参数。

Step2，PLC对以太网通信和各子系统进行初始化，这个初始化过程是并行进行，加快了初始化速度。

Step3，PLC判断工作模式，若为手动工作模式，则根据PC命令来分别完成更改控制模式、更改工作参数或者执行手动命令；若为自动工作模式，则根据PC命令分别完成暂停、自动检测、更改控制模式；更改工作参数只能在手动工作模式中进行。

Step4，PLC向PC上传实时过程数据、4个子系统分别按照工作状态表的时序分段运行，并更新工作状态表，这5个模块是并行运行，通过工作状态表相互交换数据和相互协作完成自动测量，工作状态表含有每个子系统的工作状态。

Step5，判断是否测量完毕，若还有工序未测量或者还有样品未测量，则重新回到Step3；若已经测量完毕，则更新工作状态表，表示测量完毕，将工作模式自动转为手动状态，并提醒用户测量完毕。

为了进一步对过敏反应检测仪的PLC内部运行情况进行说明，图5给出了其数据流图。图5共有以太网通信与数据包处理模块、主程序与复位模块、运动控制与原点检测模块、清洗控制模块、RS485通信与数据包处理模块共5个模块，模块之间交换数据主要通过共享数据区完成，分为工作参数、系统工作模式(手工工作模式或者自动工作模式)、实时过程数据与实时状态数据。整个系统在主程序和复位模块的管理下运行，主程序通过事件中断、时间中断、工作模式和工作命令调用其它模块。电机工作参数、运动轨迹设定值、清洗时序设定值、光电子系统工作参数和注射泵工作参数存储在PLC的掉电保护区。系统上电后，PLC进入主程序扫描，对各个程序模块进行变量初始化，并进行运动控制的原点校正，与上位机PC进行以太网通信，PLC根据PC下达的命令完成系统功能。此外，PLC无论在自动测量过程中还是在人工干预过程中(由上位PC机命令PLC暂停自动测量过程来实现)，PLC都计算实时运动坐标，同时保持断点坐标和断点工作状态。人工干预之后，可以选择从原来人工干预时的断点或者从干预后的最新实时运动坐标和工作状态来恢复自动测量过程，从而实现在自动测量过程中的暂停、人工干预和恢复自动测量，方便处理例外时间，提高了测试过程的灵活性。

以太网通信与数据包处理模块完成PLC与PC的应用层通信和应用层数据包的处理，应用层以下由PLC操作系统完成。以太网通信与数据包处理模块把现场设备的实时过程数据和状态从它们各自的数据区传给PC，从PLC到PC的数据传输过程由主程序调度完成；从PC到PLC的数据传输过程(PC端现场设备工作模式和工作参数)由以太网接收事件中断完成，校验后的工作模式和工作参数写入相应的数据区。PLC与注射泵子系统和光电子系统的RS485通信为主从通信方式，在主程序的周期调用过程中完成。清洗控制模块在主程序的周期调用和状态时序设定参数配置下完成。运动控制与原点检测模块综合采用了时间中断和事件中断实现，主程序通过控制时间中断的开关和设置运动轨迹实现对吸针运动坐标的控制。为了提高检测效率和保证系统运行的安全性，在运动控制综合应用了I/O中断、定时器周期中断检测和运动变速的方法避免机械碰撞和位移误差，同时提高了运动控制的精度和降低了仪器的机械疲劳。当接近开关从断开到闭合时发生I/O事件中断，立即停止该轴的驱动脉冲输出，并把该位置设置为原点。采用定时器周期中断实现PTO的驱动脉冲输出，定时器中断周期设为1毫秒，在每次1毫秒周期中断修改PTO中的输出脉冲数据，从而改变运动速度，脉冲当量设置为0.03175毫米。下面以X轴的运动控制的PTO脉冲数更新来给出详细算法，首先求出吸针离运动两端的最短距离：

d＝min(|x_start-x|,|x-x_end|) (1)

式(1)中，x_start和x_end分别为需要吸针移动的起点和终点，x为指针当前位置，在起点与终点之间，暂停后需要重新确定起点和终点的坐标，d表示离起点和终点的最小距离，离起点较近则需要加速，离终点较近则需要减速。

式(2)中，N为需要在1毫秒中断输出的脉冲个数，当吸针到达终点时，停止输出脉冲，即停止移动；当从起点开始移动时，输出最少的脉冲数，然后慢慢加速，(d％10)表示d除以10的整数部分，当接近终点时，慢慢减速；当d较大，级吸针离起点和终点都比较远时，全速移动，以每毫秒10个脉冲当量速度移动。采用式(1)和(2)的软件算法可以在没有昂贵的专用伺服模块情况下也可以实现良好的平滑加减速控制，减少了运动时间，提高了效率。

注射泵的控制指令由PLC通过RS485端口发送，由于光电检测子系统也通过RS485与PLC完成光电检测命令和测量数据传输，为了减少PLC的RS485模块数量，采用同一个RS485模块的不同地址分配实现注射泵子系统和光电测量子系统的通信。由于注射泵具有其自身专用协议，PLC与其通信需要按照该协议发送控制指令和接收数据，因此PLC在与光电测量子系统通信时的协议需要兼容注射泵RS485通信协议。本实施例扩展了注射泵通信协议，把兼容原有的注射泵通信协议部分用于与注射泵子系统通信，把扩展的部分协议用于与光电测量子系统的通信。原有通信协议部分和扩展协议部分具有相同的包同步、起始、结束及校验码，增加命令类型和数据语义用于定义包括紫外光强度、PMT工作电压、电放大倍数等光电测量子系统的工作参数以及实时工作状态和测量数据。

PLC调用RS485通信子程序，分别与注射泵子系统和光电子系统通信，两者配置不同的RS485通信地址，波特率配置为38400，无奇偶校验，无握手，数据位8位。RS485通信的应用层采用兼容注射泵PSD/4的数据包格式，与PSD/4的RS485协议具有相同的包结构，增加命令类型和数据语义的定义，针对光电测量子系统扩展部分，RS485通信上层协议的扩展部分如表1所示。

表1光电测量子系统RS485通信上层协议

表1中，通信数据包由包同步、起始、站地址、序列、数据、结束、校验码组成；采用ASCII编码，包同步为02，起始为02，站地址为57，结束为03，校验码为zz；采用QueryCommands进行测量数据和状态读取；采用Action Commands和Motor Control Commands配置工作参数，包括紫外光强度、PMT电压和电放大倍数。数据与序列共同组成带有含义的读写命令，数据中以ASCII字符’L’开头的对应紫外光强度，以ASCII字符’V’开头的对应PMT电压，以ASCII字符’U’开头的对应电放大倍数，数据中ASCII字符后的参数与序列为对应参数的设置值；数据为ASCII字符’？51’对应读状态，数据为ASCII字符’？52’对应读光强。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全自动过敏原检测仪，其特征在于，采用三层结构，包括管理与监督控制级、实时控制级和现场设备级；管理与监督控制级包括PC机及其应用软件，实时控制级包括PLC及其应用软件，现场设备级包括吸针运动子系统、光电测量子系统、清洗子系统以及注射泵子系统；PC机与PLC采用工业以太网通信，PLC与光电测量子系统和注射泵子系统采用RS485总线连接，PLC与吸针移动子系统和清洗子系统采用I/O连接。

2.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，PLC的CPU模块采用西门子S7-1200 1214C DC/DC/DC，该CPU模块具有RJ45以太网接口，无需外接以太网模块；PLC通过RS485扩展模块CM 1241实现与光电测量子系统、注射泵子系统的RS485通信。

3.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，PLC与注射泵、光电测量子系统的通信协议采用独立设计的兼容已有注射泵通信协议的扩展通信协议；把兼容原有的注射泵通信协议部分用于与注射泵子系统通信，把扩展的部分协议用于与光电测量子系统的通信；原有通信协议部分和扩展协议部分具有相同的包同步、起始、结束及校验码，增加命令类型和数据语义用于定义光电测量子系统的工作参数包括紫外光强度、PMT工作电压、电放大倍数，以及实时工作状态和测量数据。

4.根据权利要求3所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，RS485通信的应用层采用兼容注射泵的数据包格式，与注射泵的RS485协议具有相同的包结构，增加命令类型和数据语义的定义，针对光电测量子系统扩展部分，RS485通信上层协议的扩展部分如下：

通信数据包由包同步、起始、站地址、序列、数据、结束、校验码组成；采用ASCII编码，包同步为02，起始为02，站地址为57，结束为03，校验码为zz；采用Query Commands进行测量数据和状态读取；采用Action Commands和Motor Control Commands配置工作参数，包括紫外光强度、PMT电压和电放大倍数；

数据与序列共同组成带有含义的读写命令，数据中以ASCII字符’L’开头的对应紫外光强度，以ASCII字符’V’开头的对应PMT电压，以ASCII字符’U’开头的对应电放大倍数，数据中ASCII字符后的参数与序列为对应参数的设置值；数据为ASCII字符’？51’对应读状态，数据为ASCII字符’？52’对应读光强。

5.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，吸针运动子系统包括机械结构：三台步进电机及丝杆，配合系统完成检测所需要的机械移动；其中X轴与Z轴两台电机带动吸针在工作平面完成检测需要的移动，Y轴带动试剂盒托盘前后移动从而实现样品的Y轴移动，最终实现吸针移动完成全部样品的检测；PLC通过高速脉冲指令PTO发送方向及脉冲信号控制X、Y、Z三轴电机，X、Y、Z三轴的零点由接近开关从断开到闭合时的位置确定，吸针运动块离接近开关一定距离时，接近开关准确快速输出开关信号，此时即为该轴的零点位置。

6.根据权利要求5所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，接近开关通过I/O口与PLC的输入端口连接；一维接近开关分别安装在X、Y、Z三轴线的一端，作为三轴的坐标原点；采用U型机械结构安装接近开关，接近开关嵌入安装在非磁性不锈钢材料的U型结构凹槽内部，并不突出在高出U型凹槽外，离U型凹槽开口顶端一定距离，确保即使发生机械结构碰撞，也不损害接近开关。

7.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，清洗子系统包括清洗液桶、蠕动泵、电机驱动板、清洗池、废液桶和导管；PLC通过其I/O输出口经电机驱动板控制蠕动泵转速；蠕动泵把清洗液从桶中抽出，通过导管在清洗池喷出，清洗池采用泉涌式清洗池，清洗液从入水口喷涌出进入清洗池，从低洼处的出水口排出到废液桶。

8.根据权利要求7所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，自动清洗过程为：PLC控制吸针针头移动至清洗液导管喷出的喷涌口、PLC控制喷水，完成吸针外部清洗，停留一段时间后，PLC控制注射泵使吸针吸入清洗液，又停留一段时间后，PLC控制吸针移动到清洗池低洼处吐出內洗后的废液，完成吸针内部清洗；外部清洗与内部清洗的清洗液流量、停留完成时间与清洗次数可以通过PC机界面设定并保存在PLC中，PLC自动按照所设定的参数完成整个清洗过程。

9.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，测量过程中的各种状态和测量数据实时显示在PC机上，当测量过程中出现意外，需要人工干预时，可以在PC上暂停测量过程，人工干预完成后，还可恢复原来的自动测量过程：PLC无论在自动测量过程中还是在人工干预过程中，PLC都计算实时运动坐标，同时保持断点坐标和断点工作状态；人工干预之后，可以选择从原来人工干预时的断点或者从干预后的最新实时运动坐标和工作状态来恢复自动测量过程，从而实现在自动测量过程中的暂停、人工干预和恢复自动测量。

10.根据权利要求1所述的全自动过敏原检测仪，其特征在于，PLC的活动流程如下：

Step1，系统上电，PLC的CPU上电复位，读取掉电保护工作区的工作参数；

Step2，PLC对以太网通信和各子系统进行初始化，初始化过程是并行进行；

Step3，PLC判断工作模式，若为手动工作模式，则根据PC命令来分别完成更改控制模式、更改工作参数或者执行手动命令；若为自动工作模式，则根据PC命令分别完成暂停、自动检测、更改控制模式；更改工作参数只能在手动工作模式中进行；

Step4，PLC向PC上传实时过程数据、4个子系统分别按照工作状态表的时序分段运行，并更新工作状态表，这5个模块是并行运行，通过工作状态表相互交换数据和相互协作完成自动测量，工作状态表含有每个子系统的工作状态；

Step5，判断是否测量完毕，若还有工序未测量或者还有样品未测量，则重新回到Step3；若已经测量完毕，则更新工作状态表，表示测量完毕，将工作模式自动转为手动状态，并提醒用户测量完毕。