CN108844934B - 一种适用于过敏反应测试仪的荧光检测系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适合过敏反应检测仪的荧光检测系统及其测量方法，其荧光检测系统包括光学子系统及电学子系统，其电学子系统包括电源电路及光电测量子系统，其光电测量子系统包括紫外激发光强度调节模块、光电流放大模块、MCU电路以及RS485通信模块，其中其光电流放大模块包括电流电压转换与信号放大电路、高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路，过敏反应后的荧光信号经电流电压转换与信号放大电路放大后分出两路信号，一路进入所述低通滤波器与ADC电路，另一路进入所述高通滤波器与比较器电路，从而实现荧光的大范围连续测量。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种适用于过敏反应测试仪的荧光检测系统及其测量方法。
背景技术
过敏性疾病是一类影响面最广的临床免疫性疾病，被WHO列为21世纪4大非感染性疾病(心脑血管、肿瘤、肥胖、过敏)之一，过敏还是哮喘等重大疾病的重要致病根源。因此加强过敏性疾病的诊疗仪器具有非常重要的意义。
在过敏反应测试中，需要抽取被测试人的血液样本来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。在组胺含量测量过程中，通过化学反应机理对测试液进行处理，使其中含有与组胺浓度成正比的强荧光反应物。充分了解其激发光谱和发射光谱后，利用荧光反应机理，将所产生的荧光反应的光强精确测出。将数据发送给上位机，上位机通过特定的算法对患者是否对此疑似过敏原过敏做出判断，得到过敏反应定量数据。就过敏反应检测仪器而言，荧光检测子系统是它的核心部分。目前，国内尚无成熟的过敏反应检测仪器，发明一种适合全自动过敏反应测试仪的荧光检测系统，在测量过程中，产生一定光强激发光、检测发射光强、大范围测量的数据转换，并根据一定的通信协议与上位机进行数据传输和接收上位机的命令与参数配置，为了保证测量精度，除了需要有抗干扰的总体方案外，还需要精心设计测量电路和电源电路。
发明内容
本发明的目的在于针对目前现有技术的不足，至少提供如下技术方案：
一种适用于过敏反应测试仪的荧光检测系统，其包括：光学子系统及电学子系统，其特征在于，所述电学子系统包括电源电路及光电测量子系统，所述光电测量子系统包括紫外激发光强度调节模块、光电流放大模块、MCU电路以及RS485通信模块，所述紫外激发光强度调节模块输出端与紫外激光光源连接，其输入端与所述MCU电路连接，所述光电流放大模块与所述MCU电路以及光电倍增管连接，所述RS485通信模块与所述MCU电路连接，所述电源电路为整个系统供电；
其中，所述光电流放大模块包括电流电压转换与信号放大电路、高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路、脉冲隔离电路、ADC接口及其隔离电路，过敏反应后的荧光信号经电流电压转换与信号放大电路放大后分出两路信号，一路进入所述低通滤波器与ADC电路，另一路进入所述高通滤波器与比较器电路，设置低通滤波器的截止频率fL大于高通滤波器的截止频率fH，从而实现荧光的大范围连续测量，高通滤波器与比较电路与脉冲隔离电路连接，低通滤波器与ADC电路与ADC接口及隔离电路连接，脉冲隔离电路、ADC接口及隔离电路分别与MCU电路连接。
进一步的，所述紫外激发光强度调节模块包括紫外DAC及其隔离电路、可调电流源电路，所述紫外DAC及其隔离电路与所述MCU电路连接，所述紫外DAC的输出端与所述可调电流源电路连接，所述可调电流源电路与所述紫外激光光源连接。
进一步的，所述光电流放大模块还包括倍增器DAC及其隔离电路、可调光电倍增管高压电源电路，所述倍增器DAC及其隔离电路与所述MCU电路连接，所述倍增器DAC及其隔离电路的输出端与所述可调光电倍增管高压电源电路连接，所述可调光电倍增管高压电源电路输出端与所述光电倍增管连接，所述光电倍增管输出端与所述电流电压转换与信号放大电路连接，所述电流电压转换与信号放大电路分别与所述高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路连接。
进一步的，所述荧光检测系统还包括RS485通信协议，所述RS485通信协议兼容现有RS485应用层协议的数据包格式和与荧光检测系统通信的具体功能数据包，所述数据包格式为同步、起始、站地址、序列、数据、结束及校验码。
进一步的，所述电源电路包括隔离降压变压器、整流滤波、DC/DC转换以及LDO，以为整个系统提供电能。采用隔离变压器为每个区域提供电源，供电区域相互不共地。
进一步的，所述电源电路分为4个隔离电源区，光电倍增器供电和光电信号测量为模拟电源区1、紫外电路部分为模拟电源区2、MCU电路为数字电源区1、RS485通信电路为数字电源区2。
模拟电源区1由隔离降压变压器输出、整流滤波、DC/DC转换器(LMZ14201H)、负电源电荷泵DC/DC芯片TC7662B和LDO(LP38798和TPS7A30)电路组成，获得+12V、+4V和-4V电压；模拟电源区2由隔离降压变压器输出、整流滤波、DC/DC转换器(LMZ14201H)和LDO(LP38798)电路组成，获得+12V和+4V电压；数字电源区1由隔离降压变压器输出、整流滤波、DC/DC转换器(LMZ14201H)和LDO(SPX1117)电路组成，获得+3.3V电压；数字电源区2与数字电源1共用隔离降压变压器输出、整流滤波和DC/DC转换器(LMZ14201H)，在此基础上再采用DC/DC(DCV010505P)实现+5V电压隔离输出。
荧光检测系统的电学子系统的RS485通信接口及其隔离电路采用RS485通信芯片SP485和数字隔离器件ADuM1301，实现与上位机(如PLC)的通信。MCU采用低功耗芯片STM32L433RCT6，MCU通过其片上外设USART实现RS485通信，通过多个片上外设SPI接口设置紫外激光器工作电流、设置光电倍增管高压工作电压、读取荧光电流放大电路中的ADC输出值；MCU通过脉冲隔离电路获得光子脉冲输入，通过其片上32-bit计数器进行计数，实现光子计数器功能。
MCU通过紫外DAC及其隔离电路、可调电流源电路给过敏反应测量设置紫外光强。过敏反应后的荧光信号通过光电倍增管进行第1级放大后，经过电流电压转换与信号放大电路进行第2级放大后，电流电压转换器采用高输入阻抗、高带宽、低噪声和低偏置放大器OPA659，信号放大器采用高带宽放大器OPA2690。当被测荧光强度较大时，信号为幅值较大而波动较小的直流信号，光强与幅值成正比；当被测荧光强度较小时，光子稀疏地通过光电倍增管，信号为分离的各个脉冲。第2级放大后分出两路信号，一路进入适合强过敏反应的低通滤波器与ADC电路，实现信号的电平测量，另一路进入适合弱过敏反应的高通滤波器与比较器电路，配置MCU内部32-bit计算器实现信号的脉冲计数测量，从而实现大范围过敏反应的荧光检测。配置低通滤波器的截止频率fL大于高通滤波器的截止频率fH使得光子计数荧光检测方法和荧光电平检测方法有较大的同时适用的交叉区域从而实现大范围连续测量。采用ADC测量无荧光反应时的背景噪声水平，正式荧光测试时减去该背景噪声来提高测量精度，同时通过设置比较电路的参考电压为背景噪声水平的2倍，采用与噪声成比例的动态参考电压提高了脉冲计数的精度和适应能力。
所述ADC电路采用24位ADS1246，内含按照2倍递增从1至128倍的8级可编程放大器PGA，可实现强过敏反应的宽范围测量。比较器采用高速比较器ADCMP601，可以实现10MHz脉冲处理。
所述荧光检测系统的RS485通信协议兼容现有的过敏原检测仪其它RS485通信协议，使得整个过敏原检测仪内部只需要一个RS485网络，新RS485协议在应用层上兼容现有RS485应用层协议。
本发明还提供一种用于适合过敏反应检测仪的荧光检测系统的测量方法，其包括以下步骤：
MCU上电复位，程序开始执行；
将按照缺省值设置倍增器DAC、紫外DAC输出，完成ADC的偏移校准和增益校准以及脉冲计数定时器的配置，并配置好RS485通信参数；
等待RS485接收指令；
接收到所述指令后，将对应执行相应程序分支，执行完成所述程序分支的指令后，继续所述等待RS485接收指令；
其中，所述将对应执行相应程序分支中，当接收到配置工作参数指令时，MCU执行配置工作参数，所述工作参数包括，光源光强、光电倍增管工作电压以及PGA放大倍数。
进一步的，所述将对应执行相应程序分支中，具体的，当接收到上位机执行测量指令，MCU执行一次测量，测量过程中，将实时监控信号电平大小来调整光源的光强和光电倍增管工作电压以及ADC的PGA放大倍数，以应对弱信号或过强信号的测量。
进一步的，所述MCU执行一次测量中，荧光测量采用光子计数法和幅值测量法相结合的方式。
进一步的，所述幅值测量法的低通滤波器的截止频率fL大于光子计数法的高通滤波器的截止频率fH实现大范围荧光强度的连续测量，所述光子计数法中的脉冲比较器的参考电压采用幅值测量法的背景噪声的两倍。
进一步的，所述荧光强度计算方法如式(1)：
其中，yp是光子计数法测量的荧光强度，ya是幅值测量法测量的荧光强度，y是最终测量值；yamin是幅值测量法的最小值，ypmax是光子计数法测量的最大值，yamin小于ypmax；ωp＝|yp-ypmax|,ωa＝|ya-yamin|分别为光子计数法测量和幅值测量法测量的权重。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
(1)本发明荧光检测系统的光电流放大模块包括电流电压转换与信号放大电路、高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路，过敏反应后的荧光信号经电流电压转换与信号放大电路放大后分出两路信号，一路进入所述低通滤波器与ADC电路，另一路进入所述高通滤波器与比较器电路，从而实现荧光的大范围连续测量。
(2)本发明的荧光检测系统采用隔离降压、开关和线性变换电路相结合以及电源分区供电方式来减少干扰和提高电源效率；采用强度可调的紫外激发光和光电倍增管的工作电压可调来提高荧光检测范围；采用光子计数法和幅值测量法相结合来实现荧光大范围连续测量，并通过背景噪声来调整光子计数法的比较电压，提高了测量准确性，实现荧光的大范围一次测量即可得到准确数值。
(3)本发明的所述荧光检测系统的电源电路分成4个不同区域，包括“隔离降压变压器+整流滤波+DC/DC转换+LDO”，既保证了良好扰动抑制能力，又减少了体积和功耗。
(4)本发明的所述荧光检测系统的测量过程中，可以调节激发紫外光强度和光电倍增管的放大倍数，扩大对弱信号的测量范围，同时可以根据被测信号的强弱自动调节ADC中PGA的大小，实现最佳测量，最终实现了过敏反应生成物浓度的大范围一次测量，现有测量方法往往粗测和细测两次测量来实现，需要准备2个相同样品，增加了成本且降低了效率。
(5)本发明的荧光测量采用了光子计数法和幅值测量法相结合的方式，并且幅值测量法的低通滤波器的截止频率fL大于光子计数法的高通滤波器的截止频率fH实现大范围荧光强度的连续测量，同时，光子计数法中的比较器的参考电压采用幅值测量法的背景噪声的两倍来给定，提高了测量的精度和适应能力。
(6)本发明设计了荧光检测系统的RS485通信协议，使其向下兼容过敏原测量仪的注射泵等其它RS485通信协议，使得注射泵和该荧光检测系统在同一RS485网络中通过配置不同地址与同一上位机通信，上位机中只需一个RS485接口即可，降低了成本、体积和功耗。
附图说明
图1：本发明的适用于过敏反应检测仪的荧光检测系统结构示意图。
图2：本发明的电源电路结构示意图。
图3：本发明的用于适用于过敏反应检测仪的荧光检测系统的测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施进行详细描述。本发明的适用于过敏反应检测仪的荧光检测系统结构如图1所示，所述荧光检测系统包括光学子系统及电学子系统。光学子系统包括依次相连的紫外激光光源、激发光滤光片、测量样品流通池、发射光滤光片以及光电倍增管。激发光源发出的紫外光会含有一定频带紫外波长成分，将其通过激发光滤光片后能减少紫外带宽；样品中成分繁杂，荧光反应后的发射光中也是混有多种杂质的光波，经过发射光滤光片后得到对于过敏反应的组胺特定波长可见光，最终进入光电倍增管，把光信号转变为电信号。
所述紫外激光光源可以是365nm紫外LED，365nm紫外LED采用LTPL-C034UVH365；激发光滤光片采用BP365-10K，拥有适合本系统检测的光源所需的窄带滤波效果。测量样品流通池选用流动石英比色皿，带有进出两个导管，容积100微升，测量前待测液由过敏源检测仪控制高精度注射泵进入流通池，测量完成后控制废液流出到废液池。发射光滤光片采用BP445-10K；光电倍增管采用R11558端窗型。把以上部件安装在所设计的密闭测量盒中，完成机械固定和防止各部件之间的相对移动，并隔绝外界光污染，提高测量精度。
电学子系统的电源电路如图2所示，采用隔离式降压变压器将220V交流电源转化成三路相互隔离的低压交流电输出；每路经过桥式整流及LC滤波后，得到三路直流电压输出。三路低压直流电源经过低压DC/DC转化为系统所需的各路模拟和数字电源，DC/DC采用电磁兼容特性好的输出可调的LMZ14201H。
其中，整流滤波输出后的第1路经过LMZ14201H后得到5V电压输出，再分成两路；一路经过低压差电压稳压器SPX1117后得到+3.3V输出，作为数字电源1，为MCU电路电源；另一路接入隔离电源芯片DC V010505P，得到隔离的+5V输出作为数字电源2，为RS485通信接口部分供电，实现通信电路与MCU电路的隔离。整流滤波输出后的第2路经过LMZ14201H后得到15V电源，该电压经过低压差线性稳压器LP38798得到+12V的模拟电源1，作为高压电源模块CC228-09Y的工作电源，其输出作为光电倍增管工作电压；同时15V电源经过LP38798得到+4V模拟电源2、经过TC7662B和TPS7A30得到-4V模拟电源3，其+4V模拟电源2和-4V模拟电源3作为供给光电信号测量部分的正负电源。整流滤波输出后的第3路经过LMZ14201H后得到6.5V电源，分成两路，一路经低压差线性稳压器(LDO)LM2941，得到较稳定的+6V的模拟电源4，为紫外LED可调电流源电路供电；另一路经LP38798得到+4V电压输出，作为紫外DAC的模拟电源，DAC的输出用于调节紫外LED输出电流。
电学子系统的MCU电路采用低功耗芯片STM32L433RCT6，主频为80MHz，能良好适应光子计数频率的要求。MCU通过其片上外设的SPI接口与紫外DAC及其隔离电路、倍增器DAC及其隔离电路、ADC接口及隔离电路相连，可设置紫外激光器工作电流、设置光电倍增管高压工作电压以及读取荧光电流放大电路中的ADC输出值。MCU通过其片上外设的USART接口与RS485通信及其隔离电路相连，实现RS485通信。脉冲隔离电路连接到MCU的片上32-bit计数器进行计数，实现光子计数器功能。
电学子系统的RS485通信接口及其隔离电路采用RS485通信芯片SP485和数字隔离器件ADuM1301，实现与上位机(如PLC)的通信。ADuM1301隔离器件的一侧VIA、VIB、VOC脚分别接入MCU的USART2_DE(采用GPIO引脚)、USART2_TX和USART2_RX引脚，另一侧VOA、VOB、VIC脚分别接入SP485的RS485_DE(RS485_DE与RERS485_RE相连)、RS485_DI、RS485_RO脚。
电学子系统的紫外DAC及其隔离电路中，紫外DAC采用了TLV5623(8位单通道数模转换器)，其输出电压输入至可调电流源电路作为紫外LED的光强设定值。由于紫外DAC的电源为模拟电源2，而MCU电源为数字电源1，两者不共地，加入了隔离电路。采用了1片ADuM150N实现MCU的SPI3接口输出和I/O的隔离后分别连接到TLV5623和LM2941CT的ON/OFF开关。紫外DAC的参考电压采用了模拟电源2的REF3030输出的稳定+3V电压。紫外LED的电流采用PNP三极管2SA2013和NPN三极管PMBT3904组成的达林顿管实现可控恒流源电路的主电路，电流测量采用与紫外LED串联的采样电阻实现，其采样电压反馈到运算放大器(OPA2188)的反向输入端中，而同相端接紫外DAC的电压输出，该电压作为紫外LED电流设定值，运算放大器输出接驱动管基极，形成负反馈闭环回路，实现紫外DAC的电压输出值对紫外LED电流的控制，MCU通过调节紫外DAC的电压输出来调节紫外LED的光强。
电学子系统的电流电压转换与信号放大电路中，如图1示，光电倍增管输出的负电流信号，先经过电流电压转换电路，采用了OPA659(宽带、单位增益稳定运算放大器)接成深度负反馈形式，反馈电阻R取10k，则输出电压U＝-I*R，得到放大10k倍数的正电压信号。之后，再进入信号放大电路，采用OPA2690接成同向比例放大电路的形式，将电压信号放大到合适测量的范围，之后放大后的信号同时分别进入低通滤波器与ADC电路和高通滤波器与比较器电路，高通滤波器和低通滤波器的通频带有共同区域，以便实现连续测量。
电学子系统的低通滤波器与ADC电路中，低通滤波器由RC电路构成无源滤波，截止频率fL由电阻阻值和电容容量进行配合设置，使fL大于高通滤波器的截止频率fH。ADC采用ADS1246(24位模数转换器)，信号经低通滤波器输出后接入AINP和AINN脚，参考电压引脚REFP、REFN接与倍增器DAC相同的参考电压+3V。之后，信号电平大小的数字量输出到ADC接口及隔离电路中。
电学子系统的倍增器DAC及其隔离电路中，倍增器DAC采用TLV5625(8位双通道数模转换器)，其第一路输出电压OUTA输入至可调光电倍增管高压电源电路作为低压控制侧电压给定值。由于倍增器DAC的电源为模拟电源1，而MCU电源为数字电源1，两者不共地，加入了隔离电路。同样为SPI通信，为节省I/O口，共用了MCU的SPI3接口，采用2片ADuM152N实现SPI接口和脉冲输入的I/O隔离。倍增器DAC的参考电源采用了模拟电源1的REF3030输出的稳定+3V电压。
电学子系统的可调光电倍增管高压电源电路中，倍增器DAC的输出经运算放大器OPA188连接高压电源模块CC228-09Y的控制电极，控制光电倍增管的工作电压在0～1000V之间调节。
电学子系统的ADC接口及隔离电路中，由于ADC的电源为模拟电源1，而MCU电源为数字电源1，两者不共地，故加入了隔离电路。与电学子系统的倍增器DAC及其隔离电路共用2片ADuM152N，ADS1246的SCLK、DIN、DOUT、RESET引脚经隔离后分别接入MCU的SPI3接口和一个I/O中；ADS1246的DRDY、CS、STARTF经隔离后与MCU的三个独立I/O相连。
电学子系统的高通滤波器与比较器电路中，高通滤波器由CR电路构成无源滤波，截止频率由电阻阻值和电容容量进行配合设置，使fH小于低通滤波器的截止频率fL。比较器采用了ADCMP601，VP脚接高通滤波器输出，VN脚为比较器参考电压,由共地的倍增器DAC的第二路输出OUTB提供，其值为正式测量前采用ADC测量出的无荧光反应时的背景噪声水平的2倍，采用与噪声成比例的动态参考电压提高了脉冲计数的精度和适应能力。比较器输出Q脚接入脉冲隔离电路，HYS脚为滞回控制引脚，通过470K电阻接地，设置滞回电压约10mV。
电学子系统的脉冲隔离电路中，由于脉冲信号属于模拟电源1，MCU属于数字电源1，两者不共地，加入了隔离电路。采用与电学子系统的倍增器DAC及其隔离电路共用的2片ADuM152N中的两路脉冲输入(从MCU方向来看)，支持脉冲频率最高达150MHz，满足测量中的光子计数要求。脉冲经MCU的I/O引脚接MCU内部的定时器ETR脚，并设置为外部时钟源模式2，定时器对脉冲数进行计数，从而实现单位时间脉冲个数的测量。
下面结合图3对本发明的用于适用于过敏反应检测仪的荧光检测系统的测量过程作进一步的说明。
Step1，MCU上电复位，程序开始执行。
Step2，将按照缺省值设置倍增器DAC、紫外DAC输出，即设置紫外LED光强、倍增器工作电压和比较器参考电压值，其中，比较器参考电压缺省值为正式测量前采用ADC测量出的无荧光反应时的背景噪声水平的2倍；设置ADC的采样速率和PGA的放大倍数，并完成ADC的偏移校准和增益校准；完成脉冲计数定时器的配置，并配置好RS485通信参数以便与之后与上位机保持良好通信。
Step3，等待RS485接收指令，即等待上位机传达指令以控制接下来的任务。
Step4，当接收到所述指令后，即根据表1的协议中光电测量子系统相对应的指令，将对应执行相应程序分支。其中，当接收到上位机读状态或读数据指令，执行Step41，MCU将通过RS485发送当前的状态或最新的数据，当前状态包括两个，即“测量中”或“测量结束”，其数据则是最新测量到的光强值。当接收到上位机执行测量指令，执行Step42，MCU执行一次测量，将打开已配置好的脉冲计数定时器，打开紫外LED提供激发光源、使能ADC采样，开始测量；测量过程中，将实时监控信号电平大小来调整紫外LED光强和光电倍增管管工作电压以及ADC的PGA放大倍数，以应对弱信号或过强信号的测量。当接收到配置工作参数指令时，执行Step43，MCU执行配置工作参数，可配置的参数有紫外LED光强、光电倍增管工作电压和PGA放大倍数。执行完上述程序分支的指令后，将回到Step3，继续等待上位机传达的指令。
通过不同已知浓度的标准液与未知浓度被测样品的荧光强度对比实现被测样品浓度测量。荧光测量采用了光子计数法和幅值测量法相结合的方式，设置幅值测量法的低通滤波器的截止频率fL大于光子计数法的高通滤波器的截止频率fH，从而实现大范围荧光强度的连续测量，同时，光子计数法中的比较器的参考电压采用幅值测量法的背景噪声的两倍来给定，提高了测量的精度和适应能力。MCU先测量蒸馏水的荧光读数，以此为背景噪声，设置光子计数比较器的参考电压为此背景噪声的两倍。MCU在样品测量过程中，同时进行幅值测量和光子计数测量，大浓度时采用幅值测量，小浓度时采用光子计数测量，中浓度时由两者的加权平均得到最终测量值。区别大中小浓度由幅值测量中幅值的波动和光子计数测量中的脉冲间隔来判断。当荧光反应中单位时间内光子数非常少的，从脉冲隔离电路过来的脉冲之间的间隔很大，随着荧光应该的光子数的增加，脉冲间隔渐渐变小；当脉冲之间的间隔小于0.1微妙(脉冲频率10MHz)时，由于低通滤波器的存在，滤波后两个脉冲之间没有明显间隔了，变为具有纹波的直流信号了；当光子数继续增加，就变成了纹波极小的直流信号了，此时需要ADC来测量。由于配置幅值测量和光子计数电路的放大倍数和滤波器参数不同，使得有一个中间状态，该状态既可以采用光子计数来测量，也可以采用幅值来测量，实现了大范围测量的连续性。荧光强度计算方法如式(1)，
其中，yp是光子计数法测量的荧光强度，ya是幅值测量法测量的荧光强度，y是最终测量值；yamin是幅值测量法的最小值，ypmax是光子计数法的最大值，yamin小于ypmax；ωp＝|yp-ypmax|,ωa＝|ya-yamin|分别为光子计数方法测量和幅值测量法测量的权重。
在过敏原检测仪中，实时控制级的控制器是PLC，PLC与注射泵和荧光检测系统共用一个RS485网络，PLC为主站、注射泵和荧光检测系统为两个从站；注射泵采用购买设备，已经把RS485的上层协议(应用层协议)固化在内部，不能更改。为了保证共用一个RS485网络，设计荧光检测系统的RS485通信协议兼容现有的过敏原检测仪其它RS485通信协议(注射泵RS485通信协议)，新RS485协议在应用层上兼容现有RS485应用层协议。
表1
本发明的适用于过敏反应检测仪的荧光检测系统RS485通信应用层协议，如表1所示，其给出了兼容现有RS485应用层协议的数据包格式和与荧光检测系统通信的具体功能数据包。数据包格式为包同步、起始、站地址、序列、数据、结束和校验码，“包同步”为固定的ASCII码02；“起始”为固定的ASCII码02；“站地址”配置为57，荧光检测系统与注射泵有不同站地址，以识别不同的数据包源和目的地址；“序列”是指每次发送数据包的序列号(流水号)以区别错误时重传的数据包；“数据”为测量数据或者命令编号；“结束”为固定的ASCII码03；“校验码”为从“起始”到“结束”之间(包括“起始”和“结束”)按照位的异或(XOR)得到数字。在数据包的“数据”中选择与注射泵应用层通信无线的的数字表示来表示荧光检测系统的功能和相应的数值或者码，用’L’yy(yy为具体数值)、’V’yy和’U’yy分别代表紫外光强度、PMT(倍增器)电压和电放大倍数；用’？51’和’？52’分别代表读状态和光强。从而实现了兼容现有RS485协议的新应用层协议。
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)
1.一种适用于过敏反应测试仪的荧光检测系统，其包括：光学子系统及电学子系统，其特征在于，所述光学子系统包括紫外激光光源及光电倍增管，所述电学子系统包括电源电路及光电测量子系统，所述光电测量子系统包括紫外激发光强度调节模块、光电流放大模块、MCU电路以及RS485通信模块，所述紫外激发光强度调节模块输出端与紫外激光光源连接，其输入端与所述MCU电路连接，所述光电流放大模块与所述MCU电路以及光电倍增管连接，所述RS485通信模块与所述MCU电路连接，所述电源电路为整个系统供电；
其中，所述光电流放大模块包括电流电压转换与信号放大电路、高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路、脉冲隔离电路、ADC接口及隔离电路，过敏反应后的荧光信号经电流电压转换与信号放大电路放大后分出两路信号，一路进入所述低通滤波器与ADC电路，实现信号的电平测量，另一路进入所述高通滤波器与比较器电路，实现信号的脉冲计数测量，设置低通滤波器的截止频率f L大于高通滤波器的截止频率f H，从而实现荧光的大范围连续测量，高通滤波器与比较电路与脉冲隔离电路连接，低通滤波器与ADC电路与ADC接口及隔离电路连接，脉冲隔离电路、ADC接口及隔离电路分别与MCU电路连接。
2.根据权利要求1的所述荧光检测系统，其特征在于，所述紫外激发光强度调节模块包括紫外DAC及其隔离电路、可调电流源电路，所述紫外DAC及其隔离电路与所述MCU电路连接，所述紫外DAC的输出端与所述可调电流源电路连接，所述可调电流源电路与所述紫外激光光源连接。
3.根据权利要求2的所述荧光检测系统，其特征在于，所述光电流放大模块还包括倍增器DAC及其隔离电路、可调光电倍增管高压电源电路，所述倍增器DAC及其隔离电路与所述MCU电路连接，所述倍增器DAC及其隔离电路的输出端与所述可调光电倍增管高压电源电路连接，所述可调光电倍增管高压电源电路输出端与所述光电倍增管连接，所述光电倍增管输出端与所述电流电压转换与信号放大电路连接，所述电流电压转换与信号放大电路分别与所述高通滤波器与比较器电路、低通滤波器与ADC电路连接。
4.根据权利要求1的所述荧光检测系统，其特征在于，所述荧光检测系统还包括RS485通信协议，所述RS485通信协议兼容现有RS485应用层协议的数据包格式和与荧光检测系统通信的具体功能数据包，所述数据包格式为同步、起始、站地址、序列、数据、结束及校验码。
5.根据权利要求1的所述荧光检测系统，其特征在于：所述电源电路包括隔离降压变压器、整流滤波、DC/DC转换以及LDO，以为整个系统提供电能。
6.根据权利要求2所述的荧光检测系统，其特征在于：所述电源电路分为4个隔离电源区，光电倍增器供电和光电信号测量为模拟电源区1、紫外电路部分为模拟电源区2、MCU电路为数字电源区1、RS485通信电路为数字电源区2。
7.一种用于权利要求3的所述荧光检测系统的测量方法，其包括以下步骤：
MCU上电复位，程序开始执行；
将按照缺省值设置倍增器DAC、紫外DAC输出，完成ADC的偏移校准和增益校准以及脉冲计数定时器的配置，并配置好RS485通信参数；
等待RS485接收指令；
接收到所述指令后，将对应执行相应程序分支，执行完成所述程序分支的指令后，继续所述等待RS485接收指令；
其中，所述将对应执行相应程序分支中，当接收到配置工作参数指令时，MCU执行配置工作参数，所述工作参数包括，光源光强、光电倍增管工作电压以及ADC的PGA放大倍数。
8.根据权利要求7的所述测量方法，其特征在于，所述将对应执行相应程序分支中，具体的，当接收到上位机执行测量指令，MCU执行一次测量，测量过程中，将实时监控信号电平大小来调整光源的光强和光电倍增管工作电压以及ADC的PGA放大倍数，以应对弱信号或过强信号的测量。
9.根据权利要求8的所述测量方法，其特征在于，所述MCU执行一次测量中，荧光测量采用光子计数法和幅值测量法相结合的方式，所述幅值测量法的低通滤波器的截止频率f L大于光子计数法的高通滤波器的截止频率f H实现大范围荧光强度的连续测量，所述光子计数法中的比较器的参考电压采用幅值测量法的背景噪声的两倍。
10.根据权利要求9的所述测量方法，其特征在于，所述荧光强度计算方法如式（1）：
式（1）
其中，y p是光子计数法测量的荧光强度，y a是幅值测量法测量的荧光强度，y是最终测量值；y amin是幅值测量法的最小值，y pmax是光子计数法测量的最大值，y amin小于y pmax；=/>，=/>分别为光子计数法测量和幅值测量法测量的权重。
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