CN113252580A

CN113252580A - 原料血浆光谱采集系统

Info

Publication number: CN113252580A
Application number: CN202110511195.6A
Authority: CN
Inventors: 李连; 臧恒昌; 张惠; 孙钟毓; 林泊然; 黄瑞琪; 聂磊
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本发明提供一种原料血浆光谱采集系统，属于医疗设备技术领域，包括：光谱仪，连接中央控制器，用于采集经原料血浆样品透射后的光谱信号，并将光谱信号发送给所述中央控制器；中央控制器，用于根据原料血浆样品的实时温度和预设温度，结合PID控制，调控帕尔贴的温度，使原料血浆样品处于恒温状态；人机交互模块，用于接收输入的预设温度，并发送给所述中央控制器，接收所述中央控制器发送的光谱信号并进行显示。本发明整体结构紧凑，体积小，携带使用便捷设计帕尔贴温控系统，保证样品采集温度恒定，提高了光谱稳定性，消除了温度对光谱的影响，用于原料血浆分析具有稳定可靠的可行性。

Description

原料血浆光谱采集系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种原料血浆光谱采集系统。

背景技术

对于血液制品的生产来说，为提高源头血浆的综合利用率，单采血浆站需要对每份血浆的蛋白含量进行准确定量，投产时人为选择100份原料血浆，从而保证每次投产前的总蛋白含量一致。

血浆中蛋白质的测定，传统的方法有通则0731第三法(凯氏定氮法、福林酚法(Lowry法)、双缩脲法、2,2'-联喹啉-4,4'-二羧酸法(BCA法)、考马斯亮蓝法(Bradford法)、紫外-可见分光光度法)或折射仪法。其中，通则0731第三法中的蛋白测定方法，均需要对样品进行处理，仅折射仪法可实现对样品的无损检测，但折射仪法测定含量的准确性较差。

近红外光谱(Near Infrared，NIR)主要反应的是物质含氢基团(O-H、N-H、C-H、S-H等)振动的合频和倍频吸收，因此，适用范围广，可以获得含氢基团特征信息和物质的结构信息。近红外光谱法的一般应用流程为光谱采集、光谱预处理和模型的建立。傅立叶变换近红外光谱仪(FT-NIR)是实验室中常用的分析型的近红外光谱仪，有着精确度高、重复性好、分辨率高等优点，但其设备使用和维护成本较高，且较难应用于现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、使用便捷的原料血浆光谱采集系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供一种原料血浆光谱采集系统，包括：

光谱仪，连接中央控制器，用于采集经原料血浆样品透射后的光谱信号，并将光谱信号发送给所述中央控制器；

中央控制器，用于根据原料血浆样品的实时温度和预设温度，结合PID控制，调控帕尔贴的温度，使原料血浆样品处于恒温状态；

人机交互模块，用于接收输入的预设温度，并发送给所述中央控制器，接收所述中央控制器发送的光谱信号并进行显示。

优选的，所述原料血浆光谱采集系统还包括有箱体；所述箱体内设有竖隔板，所述竖隔板将所述箱体的内部分隔为第一空间和第二空间；所述第一空间内安装有光源、温度传感器、样品池和所述光谱仪；所述温度传感器实时检测样品池中原料血浆样品的温度发送给所述中央控制器；所述第二空间内安装有开关电源、所述中央控制器、继电器、电源模块。

优选的，所述第一空间内设置有测量台，所述测量台包括所述样品池和准直校准系统。

优选的，所述样品池为CUV-UV(1cm光程)，CUV-UV样品池为1cm光程，可以通过SMA接头的光纤耦合到微型光纤光谱仪和光源，组成小型化的分光光度计系统，用于各种水溶液的绝对吸光度测量；所述准直校准系统包括两个准直透镜，分别为两个74-UV f/2熔融石英透镜(200-2000纳米)，可将其旋出比色皿支架并且单独使用于任何需要将自由光束耦合到光纤的装置。

优选的，所述第一空间内设置有横隔板，所述横隔板将所述第一空间分隔为上腔室和下腔室，所述光源、所述温度传感器、所述样品池和所述光谱仪位于所述上腔室内；所述下腔室内设有散热器。

优选的，所述箱体由侧板、底板和顶板围成；所述顶板上设有比色皿空，所述比色皿孔的上方设有比色皿顶盖。

优选的，所述侧板上设有散热百叶窗。

优选的，所述箱体由AL6061铝合金材料制成。

优选的，所述中央控制器为STM32芯片。

优选的，所述光谱仪为NIRONE 1.7微型NIR光谱仪。

本发明有益效果：整体结构紧凑，体积小，携带使用便捷设计帕尔贴温控系统，保证样品采集温度恒定，提高了光谱稳定性，消除了温度对光谱的影响，用于原料血浆分析具有稳定可靠的可行性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的原料血浆光谱采集系统主视结构图。

图2为本发明实施例所述的原料血浆光谱采集系统俯视结构图。

图3为本发明实施例所述的原料血浆光谱采集系统功能原理框图。

图4为本发明实施例所述的不同预热时间的仪器稳定性测试结果示意图。

图5为本发明实施例所述的不同温度下的仪器稳定性结果示意图。

图6为本发明实施例所述的经过CWT预处理后，建立的PLS模型预测值与参考值关系示意图。

其中：1-顶板；2-比色皿半圆型盖；3-样品池底板；4-中间竖隔板；5-螺母孔；6-显示器OLED孔；7-百叶窗；8-指示灯孔；9-电源插座孔；10-通讯串口孔；11-侧板；12-横隔板；13-上顶盖；14-风扇孔；15-比色皿孔；16-底板。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例1

本实施例1中，提供了一种能为血浆站工作人员或临床工作人员对血浆蛋白含量的测定减少工作时间，减轻工作人员的工作难度和强度的便携式原料血浆专用光谱采集仪。

本实施例1中，仪器整机采用模块化设计，机械结构主要由外壳组件、内胆结构组件和光谱仪结构组件构成。采用帕尔贴温控设计与软件中嵌入算法(PID控制算法)对温度进行校正，从而保证采集光谱的稳定性，进一步保证仪器应用的准确性。

外壳组件的作用在于给其他模块提供安装空间，并降低外界环境产生的影响。内胆结构组件与光谱仪结构组件主要采用AL6061(铝合金)材料，具有优良的加工性能、电镀性、抗腐蚀性和氧化效果好等特性。内胆组件主要是光源与采集模块的安装平台和整机的支撑平台。

本实施例1中，外壳组件(箱体)主要是由两个钣金件外壳、上顶盖、样品池底板、中间竖隔板、横隔板和比色皿半圆型盖组成。箱体外壳是由两个钣金件折弯组合而成，采用AL6061(铝合金)材料，表面喷塑处理，可以更好的延长箱体的使用寿命。

箱体内部由中间竖隔板分为左右两个部分，而左半部分(第一空间)又通过横隔板分上下两层，上层(上腔室)主要布置光源、温度传感器、样品池和检测器；下层(下腔室)主要安装的是散热器。右侧箱体(第二空间)是安装元器件的空间，主要包括开关电源、单片机、继电器、直流可调降压电源模块等元器件。箱体四周开有百叶窗、显示器OLED孔、指示灯孔、电源插座孔、通讯串口孔、螺母孔、风扇孔和比色皿孔。

在本实施例1中，所述的便携式原料血浆专用分析仪整机设计在满足功能需求的前提下，需结构紧凑、体积小、具有较高便携性与抗震性。

本实施例1中，光谱的采集是由PC端发出指令，仪器响应指令对样品的光谱进行采集。采集前可对仪器的状态进行判断，采集完成后有复位处理。光谱的处理由STM32执行，STM32作为处理中心解析指令并将相应的命令发送给执行元件。PC通过串行通信口与仪器通讯。

在本实施例1中，人机交互模块分为上位PC软件和下位OLED显示屏两部分。上位PC软件包括各主要功能键如：输入样品名称、恒温控制、测量、分析等等。指示灯包括：电源指示灯、仪器运行指示灯和仪器报警指示灯。下位机上的OLED显示屏可以显示当前温度、设定温度。

本实施例1中，箱体内还设置有测量台，测量台由样品池和准直校准系统组成。样品池可容纳的光程范围为1mm-10mm，准直校准系统用于确保通过样品池的光路稳定。

在本实施例1中，样品池为CUV-UV(1cm光程)，CUV-UV样品池为1cm光程，可以通过SMA接头的光纤耦合到海洋光学高灵敏度微型光纤光谱仪和光源，组成小型化的分光光度计系统，用于各种水溶液的绝对吸光度测量。准直透镜为两个74-UV f/2熔融石英透镜(200-2000纳米)，可将其旋出支架并且单独使用于任何需要将自由光束耦合到光纤的装置。

在本实施例1中，所述的便携式原料血浆光谱采集系统的供电系统采用开关电源供电，要求输出电压为12V，额定功率不小于90W。能量和噪声可通过手动放置白板进行自检，仪器的稳定性可通过样品池中放置标准样品的方式校准。恒温系统主要由主控芯片、温度传感器、执行机构组成，该系统能根据上位PC机指令保证样品池温度处于恒定值，误差上下不超过1℃。

光源模块可稳定供电，供电电压为5V，在测量过程中，光源与检测器的相对位置需固定不变，以免影响测量值。设计光源安装座，使光源固定。光源封装在仪器内部，光从左侧照射样品。光源在机械结构的设计需满足便于更换的要求。

在本实施例1中，光谱仪的更换不引起其他部分的联动-，即通过改造光谱仪，将现有光谱仪引出4根线(电源正、电源负、串口接收端、串口发送端)接到XH2.54母头，与从单片机引出的XH2.54公头对接，从而实现光谱仪的更换。光谱仪是一个完整模块可以独立进行装配、调试。将光谱仪电机驱动电路、外部存储flash、光电传感器、滤波、AD转换、光谱仪温度测量等功能集成在一起。

如图1至图2所示，本实施例1中，箱体主要是由钣金件侧板11和底板16、顶板1、样品池底板3、中间竖隔板4、横隔板12和比色皿半圆型盖2组成。顶板1上设有上顶盖13。

箱体内部分为左右两个部分，而左半部分又分上下两层，上层主要布置光源、温度传感器、样品池和检测器；下层主要安装的是散热器。右侧箱体是安装元器件的空间，主要包括开关电源、单片机、继电器、直流可调降压电源模块等元器件。箱体四周开有百叶窗7、显示器OLED孔6、指示灯孔8、电源插座孔9、通讯串口孔10、螺母孔5、风扇孔14和比色皿孔15。

在本实施例1中，原料血浆光谱采集系统的结构设计主要包括以下子模块：供电系统、自检校正系统、照明模块，测量台，检测器模块，数据通讯与处理、人机交互模块。

通过数据处理软件和通讯主板记性数据通讯与处理；人机交互模块包括上位PC软件和下位OLED显示屏；测量台包括样品池以及准直校准系统；供电系统进行电源分配；自检校正系统包括波长校准装置。本实施例1中，波长校准装置：以Avian technologies LLCWCT-2065-025为标准品，参照ASTM相关标准对光学性能进行测试。恒温系统包括主控芯片、温度传感器以及执行机构(即帕尔贴)

数据通讯与处理模块，该系统由光谱的采集和通讯两个方面组成。光谱的采集是由PC端发出指令，仪器响应指令对样品的光谱进行采集。采集前可对仪器的状态进行判断，采集完成后有复位处理。光谱的处理由STM32执行，STM32作为处理中心解析指令并将相应的命令发送给执行元件。PC通过串行通信口与仪器通讯。

人机交互模块，人机交互模块分为上位PC软件和下位OLED显示屏两部分。上位PC软件适合操作，不需要隐藏操作系统。各主要功能键如：输入样品名称、恒温控制、测量、分析等等。指示灯包括：电源指示灯、仪器运行指示灯和仪器报警指示灯。下位机上的OLED显示屏可以显示当前温度、设定温度。

测量台模块，测量台由样品池和准直校准系统组成。样品池可容纳的光程范围为1mm-10mm，准直校准系统用于确保通过样品池的光路稳定。

供电系统，供电系统采用开关电源供电，要求输出电压为12V，额定功率不小于90W。

自检校正系统，仪器的能量和噪声可通过手动放置白板进行自检，仪器的稳定性可通过样品池中放置标准样品的方式校准。

恒温系统，恒温系统主要由主控芯片、温度传感器、执行机构组成，该系统能根据上位PC机指令保证样品池温度处于恒定值，误差上下不超过1℃。

光源模块，光源模块可稳定供电，供电电压为5V，在测量过程中，光源与检测器的相对位置需固定不变，以免影响测量值。设计光源安装座，使光源固定。光源封装在仪器内部，光从左侧照射样品。光源在机械结构的设计需满足便于更换的要求。

光谱仪模块，光谱仪的更换不引起其他部分的联动。光谱仪是一个完整模块可以独立进行装配、调试。将光谱仪电机驱动电路、外部存储flash、光电传感器、滤波、AD转换、光谱仪温度测量等功能集成在一起。

本实施例1中，硬件子系统功能结构包括：(1)采集红外光谱仪数据，并将数据通过串行通信接口传输到上位PC机。(2)接收上位PC机指令，执行光源开关、温度调控功能。(3)控制帕尔贴保持样品池处于设定的温度下。

首先，硬件子系统使用STM32单片机作为控制中枢，单片机和上位机通过串行通讯口进行通信，串行接口简称串口，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。单片机可以接受上位机发来的指令，例如光谱仪指令、开关光源指令、温度调节指令。同时单片机还可以向上位机报告当前样品池的温度，光谱仪采集的原始数据。

其次，单片机和DS18B20温度传感器通过单总线协议进行通信，采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的，具有节省I/O口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。采集到样品池的实时温度后，单片机会和上位机发来的温度进行对比，当发现有误差时，则会利用PID算法计算调节量。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。输出的调节量为PWM波，PWM即脉冲宽度调制，可以改变执行机构的电流大小，工业上常用于直流电机的调速，用于调节通过帕尔贴的电流大小，从而控制帕尔贴的制热量。最终形成一个闭环控制系统。

同时，单片机还可以通过IIC总线和OLED显示屏通信，显示设定的温度和当前样品池的温度。

本实施例1中，软件子系统设计包括上位机软件子系统设计和下位机软件子系统设计。其中上位机软件为Windows 10系统软件，通过USB数据线连接分析仪，连接好后，软件主界面包括：模型管理、光谱采集、数据检索、工作流设置、仪器性能检测等几个功能模块。下位机采用uKeil5开发环境进行开发，所用语言为C语言，编译完成后直接下载进STM32单片机即可使用。

实施例2

本实施例2提供一种原料血浆光谱采集系统，以光线强、光能量高的卤钨灯为光源，发出光后，经过准直后照射在样品池中的样品中，经过透射后，再经过一级准直保证光路平行被光纤接收，此时的光是包含了大量的样品信息的光谱，光纤将光谱传递至光谱仪。光谱进入光谱仪中经过基于MEMS的法布罗-珀罗干涉仪进行分光，过滤大量杂散光，最后铟镓砷光电检测器将分光后对的光谱转化为电信号。

本实施例2中，主要部件选型主要包括：卤钨灯作为光源(型号：997418-21)、样品池(CUV-UV 1cm)、微型NIR光谱仪(NIRONE 1.7)、CPU芯片(STM32)

本实施例2中，硬件子系统功能结构包括：(1)采集光谱仪数据，并将数据通过串行通信接口传输到上位电脑主机；(2)接收上位电脑指令，执行光源开关、温度调控功能；(3)控制帕尔贴保持样品池处于设定的温度下。

首先，硬件子系统使用STM32主控芯片作为控制中枢，主控芯片和上位机通过串行通讯口进行通信，串行接口简称串口，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信。主控芯片可以接受上位机发来的指令，例如光谱仪指令、开关光源指令、温度调节指令。同时主控芯片还可以向上位机报告当前样品池的温度，光谱仪采集的原始数据。

其次，主控芯片和DS18B20温度传感器通过单总线协议进行通信，采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据传输是双向的，具有节省I/O口线、资源结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。采集到样品池的实时温度后，主控芯片会和上位机发来的温度进行对比，当发现有误差时，则会利用执行调节控制(proportionalintegral derivative,PID)算法计算调节量。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。输出的调节量为脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM波，可以改变执行机构的电流大小，工业上常用于直流电机的调速，本课题用于调节通过帕尔贴的电流大小，从而控制帕尔贴的制热量。最终形成一个闭环控制系统。同时，主控芯片还可以通过IIC总线和OLED显示屏通信，显示设定的温度和当前样品池的温度。

CPU主控芯片(中央控制器)的主要功能有如下几点：(1)采集光谱仪数据，并将数据原封不动传给上位机；(2)采集温度数据，并和设定值比较得出偏差，调整样品池温度；(3)进行PID运算，输出PWM波控制帕尔贴，保持样品池温度稳定；(4)驱动OLED屏和LED灯，实现人机交互。

本实施例2中，采用STM32主控芯片作为主控芯片，具体型号为STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M3内核(ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7)的32位的微控制器，采用LQFP48封装，由意法半导体公司(ST)推出，属于STM32系列(ST公司还有SPC5X系列微控制器)。其程序存储器闪存容量是64KB(64K×8bit)，随机存储器容量是20KB(20K×8bit)，2个12bit ADC合计12路通道(外部通道只有PA0到PA7、PB0到PB1，并不是18通道)，37个通用I/O口(PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1)，4个16bit定时器(TIM1(高级控制定时器，带死区插入，常用于产生PWM控制电机)、TIM2、TIM3、TIM4)，2*IIC，2*SPI，3*USART，1*CAN，工作电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃，系统时钟最高可到72MHz(一般是由8MHz的外部时钟经锁相环9倍频到72MHz)。

主控芯片STM32F103C8T6的工作电压为3.3V，经由开关电源输出的12V直流电需要经过两级降压才能为其供电，第一级降压是将12V降压至5V，诸如NIRONE 1.7光谱仪、RS232转TTL电平转换模块，其供电电压是5V，故设置此一级降压电路。一级降压是由78L05芯片完成的，78L05是一种固定电压(5V)三端集成稳压器，它有如下特点：(1)输入电压可达30-35V；(2)输出电流可达到100mA；(3)无需外接元件；(4)内部热过载保护；(5)内部短路电流限制。

第二级降压是5V降压至3.3V，这里选择了AMS1117S-3.3芯片完成二级降压。该芯片特性如下：(1)输出电压：3.267～3.333V；(2)线路调整(最大)：10mV；(3)负载调节(最大)：15mV；(4)电压差(最大)：1.3V；(5)电流限制：900～1500mA；(6)静态电流(最大)：10mA；(7)纹波抑制(最小)：60dB。

晶振是电路中常用的时钟元件，全称是叫晶体震荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，主控芯片就无法工作。STM32F103C8T6主控芯片需要有两个外部时钟源，分别是外部高速时钟(high-speed external clock,HSE)、外部低速时钟(low-speed external clock,LSE)。HSE外部振荡器可为系统提供更为精确的主时钟。LSE晶体是低速外部晶体或陶瓷谐振器，它为实时时钟或者其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。HSE时钟标注使用4-16MHz频率的晶振，而官方则推荐使用8MHz的晶振，LSE方面则直接选用频率为32.768kHz的晶振。

NIRONE 1.7信号采集电路，由于NIRONE 1.7光谱仪需要安装在壳体内，并与主控芯片共用一条串口与上位机进行通信，故不能直接通过Microusb线将光谱仪与上位机连在一起。正确的做法是将光谱仪的电路进行改造，将原有的电路进行飞线处理，并把预留的串口扩展焊点焊接出来，连接到主控芯片的2号串口。

本实施例2中，系统使用0.96寸OLED显示屏，OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性。本显示屏采用的是4针集成电路总线(inter-integratedcircuit,IIC)接口方式，分辨率为128*64。IIC是一种串行通信总线，使用多主从架构，IIC串行总线一般有两根信号线，一根是双向的串行数据线(serial data line,SDA)，另一根是串行时钟线(serial clock line,SCL)，所有接到IIC总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。

温度采集电路，温度采集方案一般有两种，一种是用铂电阻配合模数转换电路进行测温，该种方法测量精度高，但是硬件电路复杂，编程成本高。另一种使用DS18B20温度传感器进行测温，该种方法测量精度相对较高，除了供电外，只需要一根数据线即可完成通信。本实施例2中选择第二种方法。

DS18B20是常用的数字温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。其采用单总线的接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络。DS18B20采用的供电方式是电源供电法，三路电源线分别连接的是地脚、数据线和共集电极电压(voltage commoncollector,VCC)。在开启温度传感器时，首先需要对其进行初始化设置，然后工作人员可以将一开始设定好的上下限温度阈值输入传感器的随机存取存储器，系统会对输入的温度数值进行全面的读取和分析，再将读取到的数值传送回主控芯片中，并开始相应的温度检测工作。如果检测出的温度数值不在设定好的温度阈值范围内，系统会自动报警，方便管理人员进行控温工作，在调试好并重新工作之后，传感器会继续执行测温工作，不断地重复测温、传送数值这一流程。

光源、风扇控制电路，由于光源和帕尔贴的散热风扇都需要上位机控制打开与关闭，于是设计了光源与风扇的控制电路。控制开关主要有两种方式，第一种方式是用三极管控制，这种方式适用于电流较小的场合。第二种方式是用继电器来控制开关，这种方式可以允许用电器中较大的电流通过。对于本课题，光源和散热风扇的电流都比较大，所以选择第二种方式。继电器的基本原理是线圈得电后获得磁力，吸附衔铁，衔铁接触开关两端，使用电器导通。

本实施例2中，上位机软件为Windows 10系统软件，通过USB数据线连接分析仪，连接好后，软件需求如下：

(1)串口设置功能：可以自动扫描串口，并将可用串口显示到软件上，可以设置串口的波特率，并有连接、断开按钮。

(2)系统开关：设置系统开关功能，系统关闭时其他功能不能使用，只有系统打开时，其他功能才可以使用。

(3)温度设置功能：可以设置恒温温度。并根据下位机发回的数值判断是否设置成功，设置成功会显示设置成功窗口，设置失败则会显示设置失败窗口。

(4)温度显示功能：可以自动获取下位机的温度，并带有温度采样时间设置功能。此功能设置绘制实时温度曲线功能。并且可以导出到Excel表格。

(5)钨丝灯控制功能：可以设置钨丝灯的开关

(6)PID参数设置功能：可以设置PID参数，如KP、KI、KD。

(7)NIR光谱显示功能：实时显示采集的光谱，横轴是时间，纵轴是对应的电流值大小。

软件主要分为三层，最底层是通信层，中间是控制层，最顶层是人机交互层，软件系统结构框架图如图3所示。

软件采用Python 3.7语言编写，采用Pycharm开发环境。根据软件需求和软件系统结构图编写上位机控制软件，将软件分为四个功能模块：用户交互模块、仪器参数配置模块、光谱采集模块、数据存储模块。

用户交互模块是用户使用该软件的界面模块，使人机交互更加友好。该模块使用PyQt5开发，PyQt5是基于Digia公司强大的图形程式框架Qt5的python接口，由一组python模块构成。PyQt5本身拥有超过620个类和6000个函数及方法。且PyQt5支持多个平台，包括：Unix,Windows和Mac OS。在这一模块中，设置了两个选项卡，分别支持仪器参数的配置和光谱的采集。在这一模块中也完成了所有的按键、选项卡和图形显示的功能。

仪器参数配置模块主要由Pyserial模块完成底层交流功能，Pyserial模块封装了对串行端口(serial port)的访问。它提供了在Windows，OSX，Linux，BSD和IronPython上运行的Python的后端。模块名为“serial”会自动选择适当的后端。在该仪器参数配置模块完成了软件的主体功能，如遍历检测上位机的所有端口并确定所连接检测器的型号、建立上位机与检测器NIRONE 1.7的长连接、发送用户指令和接收NIRONE 1.7的数据。

光谱采集模块在Pyserial建立上位机与Nirone Sensor的连接并配置好检测参数后，可以通过GUI上的按钮控制光谱的采集，“暗电流”按键负责暗电流光谱的采集，“100％参考光谱”按键负责参比光谱的采集，“measure”按键负责样本光谱的采集，在完成暗电流和参比光谱的采集之后，采集样本光谱时会自动按照公式将样本光谱显示图像换算为吸光度光谱，其换算公式如下：

如图3所示，数据存储模块主要负责在数据采集时数据的保存，在用户进行数据采集时，软件会自动保存数据，由于xlsxwriter模块可以多次存储的特点，使用该模块完成自动保存功能的开发，但该模块支持最多256列的写入，无法满足分辨率为1时数据的保存。为了解决这一问题，在读取和写入数据之前会判断分辨率，若数据列数超过256行，则自动分为两个表(sheet)进行存储。除系统自动保存数据外，该系统支持用户手动保存，手动保存功能由xlwt模块开发实现。

软件界面说明如下：

(1)登录界面：运行软件后会出现登录界面，用户默认登录名为Admin，密码为空。

(2)主界面：系统登录后，进入主界面，软件主界面分为四个功能区，A.光谱采集：主要用于设置仪器参数、光谱采集温度，从而获得样品的NIR光谱。B.方法开发：主要用于编辑工作流，定义定性判别或者定量预测的分析目的。C.实时预测：用于现场采集光谱时的结果实时显示。D.检索：用于用户对光谱数据、预测结果、检测报告等信息的快速检索。

(3)光谱采集界面：该界面用于采集样品光谱，主要分为测量与配置两个部分。首先仪器接通后会显示端口，选择相应端口，通过配置确定仪器参数(波长平均、扫描平均、分辨率、扫描间隔)，随后选择项目保存位置，点击开始配置，配置成功或失败会出现相应提示。光谱测量部分，可设置采集光谱并显示实时温度，右侧功能键依次代表暗电流采集、参考采集、光谱采集、停止与保存。

(4)方法开发界面：该界面用于建立方法相应工作流，包括模型上传与工作流设置两个部分。模型默认支持.mat与.unsb格式，此处可将专利方法所开发模型上传，如前所述MPLS、IPCA、S1、S2等，模型上传后将显示已上传模型。工作流设置部分设置仪器参数，操作流程及调用的模型，模型显示名称、单位、高值预警与低值预警，最后保存工作流。

(5)实时预测界面：该界面调用所建立的方法，也即工作流。并设置保存位置，对样品进行采集光谱，显示实时光谱与实时预测值。

(6)检索界面：该界面包括检索光谱与结果两部分，光谱及结果均可导出生成相关报告。

下位机采用uKeil5开发环境进行开发，所用语言为C语言，编译完成后直接下载进STM32主控芯片即可使用。

上位机和下位机除了硬件上连接外，软件上也需要有一套通信协议，设计一套API接口方便与下位机的通信，指令表如表1所示。

表1

接口说明如下：

(1)ST：用于设置箱内温度，该指令后边必须跟一个保留一位小数的浮点数，否则系统会提示“Please input valid temp\n”。设置成功后，系统会通过串口返回你设定的温度值。示例：ST37.0\n。

(2)ON：用于启动系统。输入该指令后，会进行系统相关初始化作业，初始化完成后，风扇启动，帕尔贴开始工作，系统会根据设定的温度来调节箱内温度，并随时接受上位机发来的指令。该指令需在ST指令之后使用，否则会提示“Please set temp\n”。当启动成功后，系统返回“Starting work\n”。

(3)OFF：用于停止系统。输入该指令后，风扇停止，帕尔贴停止制冷或制热，温度检测仍在进行。输入RT指令仍可读取温度。该指令执行成功后会返回“Stopping work\n”。

(4)RT：用于读取箱内温度。此指令执行成功后，系统会返回一个保留一位小数的温度数据。此指令使用间隔不小于500ms。

(7)L1：用于开启钨丝灯。指令执行成功，钨丝灯即被点亮。

(8)L0：用于关闭钨丝灯。指令执行成功，钨丝灯即被熄灭。

(9)KP：用于设置系统PID比例系数，设置成功后，系统返回设置的KP值。

(10)KI：用于设置系统PID微分系数，设置成功后，系统返回设置的KI值。

(11)KD：用于设置系统PID积分系数，设置成功后，系统返回设置的KD值。

(12)光谱仪指令：除以上指令外，光谱仪指令被完全兼容。

机械结构的整机设计在要求满足功能需求的前提下，需结构紧凑、体积小、具有较高便携性与抗震性。

整机采用模块化设计，机械结构主要由外壳组件、内胆结构组件和光谱仪结构组件构成。外壳组件的作用在于给其他模块提供安装空间，并降低外界环境产生的影响，采用3D打印热敏树脂，具有良好的成型性和机械性、抗冲击强度高、化学性能稳定和耐热等特征。内胆结构组件与光谱仪结构组件主要采用AL6061(铝合金)材料，具有优良的加工性能、电镀性、抗腐蚀性和氧化效果好等特性。内胆组件主要是光源与采集模块的安装平台和整机的支撑平台。

本系统的箱体主要是由两个钣金件、样品池底板、中间隔板和比色皿盖组成，箱体外壳是由两个钣金件折弯组合而成，采用AL6061(铝合金)材料，表面喷塑处理，可以更好的延长箱体的使用寿命。箱体内部分为左右两个部分，而左半部分又分上下两层，上层主要布置光源、温度传感器、样品池和检测器；下层主要安装的是散热器。右侧箱体是安装元器件的空间，主要包括开关电源、主控芯片、继电器、直流可调降压电源模块等元器件。箱体四周开有百叶窗、显示器孔、指示灯孔、电源开关孔和串口孔。

在本实施例2中，仪器测试是考察该原料血浆专用分析仪的性能不可或缺的一部分，主要包括光学性能测试与原料血浆建模测试两方面。

光学性能测试：

测试方法：

光学性能测试参照ASTM相关标准，以Avian technologies LLC WCT-2065-025为标准品。主要通过考察仪器的光源稳定性，光谱稳定性，吸光度准确性，吸光度重复性，波长准确性，波长重复性，基线噪声，基线重复性及不同温度下暗电流与参考光谱的稳定性来对仪器性能进行评价。

主要指标包括：

基线噪声：

基线光谱是指在不放置样品的情况下采集得到的吸光度光谱，仪器的基线噪声测试由基线光谱的吸光度噪声值计算获得(公式6-1)。

其中，S为基线噪声，A_j为某个波长点j的吸光度值，A为吸光度的平均值，n为波长数。

基线重复性：

基线重复性指在一定的时间和测量次数范围内基线谱图的重复性，通常用标准偏差平均值表示。每间隔2min采集一条基线光谱，连续采集10张，由公式6-2计算10张基线光谱的某波长点的吸光度标准偏差，用所有波长点的吸光度标准偏差平均值表示基线重复性(见公式6-2)。

其中，

为波长j的吸光度标准偏差，i为测量次数，A_i为第i次扫描的波长j的吸光度值，

为10次测量波长j的吸光度值平均值。

其中，N为所有波长点的吸光度标准偏差平均值。

波长准确性：

波长准确性指仪器扫描标准物质的特征峰中心波长值与其标定值的符合程度。每间隔2min采集一条，连续采集10张标准物质光谱，以扫描得到的特征峰中心波长值与标定值的偏差表示波长准确性。

其中，

为10次测量特征峰平均值，λ_r为特征峰波长标定值。

波长重复性：

波长重复性是指仪器测量标准物质特征峰中心波长处幅值的偏差程度。每间隔2min采集一条，连续采集10张标准物质光谱，计算特征峰中心波长处标准偏差。

其中，θ_λ为波长重复性；

为10次测量的特征峰波长平均值；λ_i为第i次测量的特征峰波长值。

吸光度重复性：

吸光度重复性指仪器扫描标准物质吸光度的变化程度，用指定波长处吸光度的标准偏差平均值表示。每间隔2min采集一条，连续采集10张标准物质光谱，计算10次测量某特征峰处吸光度标准偏差，以各特征峰处及吸光度值标准偏差表示吸光度重复性。

其中，

为波长j处特征峰的吸光度标准偏差，i为测量次数，A_i为第i次扫描的波长j的吸光度值，

为10次测量波长j的吸光度值平均值。

M为各特征峰处及吸光度值标准偏差。

光源稳定性：

为评价光源的稳定性，仪器开机后，前30min每隔2min，30-60min每隔5min测定，60-120min每隔10min分别测定暗电流与100％参考光谱，计算100％参考光谱吸光度标准偏差，考察最优开机预热时间。

不同温度下仪器稳定性：

为评价不同温度下仪器的稳定性，固定开机时间4h，分别设置25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，每隔5min测定暗电流与100％参考光谱，计算100％参考光谱吸光度标准偏差，考察不同温度下仪器的稳定性。

测试结果：

以1430nm处吸收峰作为标准峰计算相关参数。将专用仪检测性能模块测试结果整理于表2，可以看出该专用仪的基线噪声、基线重复性、波长准确性、波长重复性、吸光度重复性都满足分析测试仪器的要求。从表中可看出，专用仪的光学性能参数满足一般仪器的要求。

表2

不同预热时间的仪器稳定性测试结果如图4所示，可以看出在1h以内光谱偏差较高，达到2h后偏差开始降低，4h后逐步趋于稳定，因此建议开机预热时间≥4h。不同温度下的仪器稳定性结果如图5所示，从图中可看出，不同温度下仪器稳定性存在较大差异，25℃时偏差最大，在0.4以上，随着温度升高，偏差逐渐降低，均在0.3以下，35℃偏差低于0.2，因此认为该专用仪35℃时为最佳控温温度，这与人体内血浆温度37℃也最为接近。

原料血浆建模测试：

测试方法

仪器采集温度设置为35℃，开机预热4h，采用69g/L(双缩脲法测定)血浆蛋白溶液，配置蛋白含量为母液10％-100％浓度梯度的血浆蛋白溶液，浓度梯度为10％，对仪器进行血浆测量可行性验证。每一浓度取3份，每一份采集三张平行光谱，共取30份样品进行建模，其中20份样品为校正集，另外10份样品为验证集。选择CWT预处理方法，建立PLS定量模型。

测试结果

经过CWT预处理后，建立的模型预测值与参考值相关图如图6所示，主成分数为2，模型最终的预测相关系数Rp为0.9914，预测误差RMSEP为3.2027g/L，说明仪器用于原料血浆测试具有可行性。

综上所述，本发明实施例，以微型近红外光谱分析仪NIRONE为基础，从硬件子系统、软件子系统、机械子系统三个方面出发，提供了基于透射模式的血浆专用分析仪，仪器外接220V电源，经由开关电源将电压转换到主控芯片及其他元器件工作所需电压，仪器整机结构紧凑，体积小，具备便携式特点。为提高光谱稳定性，消除温度对光谱的影响，专用仪设计帕尔贴温控系统，保证样品采集温度恒定。软件系统开发上位机与下位机软件，其中上位机软件系统设计各功能界面，将各优化化学计量学方法嵌入至软件系统，提高原料血浆分析精度。对仪器基线噪声、基线重复性、波长准确性、波长重复性、吸光度重复性各项参数进行测试，结果均满足分析仪器的要求。配置蛋白含量为母液10％-100％浓度梯度的血浆蛋白溶液采集光谱并建立PLS模型，模型最终的预测相关系数Rp为0.9914，预测误差RMSEP为3.2027g/L，说明仪器用于原料血浆测试具有可行性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种原料血浆光谱采集系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述原料血浆光谱采集系统还包括有箱体；所述箱体内设有竖隔板，所述竖隔板将所述箱体的内部分隔为第一空间和第二空间；所述第一空间内安装有光源、温度传感器、样品池和所述光谱仪；所述温度传感器实时检测样品池中原料血浆样品的温度发送给所述中央控制器；所述第二空间内安装有开关电源、所述中央控制器、继电器、电源模块。

3.根据权利要求2所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述第一空间内设置有测量台，测量台包括所述样品池和准直校准系统。

4.根据权利要求3所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述样品池为CUV-UV，通过SMA接头的光纤耦合到光谱仪和光源，组成分光光度计系统，用于绝对吸光度测量；所述准直校准系统包括两个准直透镜，分别为两个74-UV f/2熔融石英透镜。

5.根据权利要求4所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述第一空间内设置有横隔板，所述横隔板将所述第一空间分隔为上腔室和下腔室，所述光源、所述温度传感器、所述样品池和所述光谱仪位于所述上腔室内；所述下腔室内设有散热器。

6.根据权利要求5所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述箱体由侧板、底板和顶板围成；所述顶板上设有比色皿空，所述比色皿孔的上方设有比色皿顶盖。

7.根据权利要求6所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述侧板上设有散热百叶窗。

8.根据权利要求7所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述箱体由AL6061铝合金材料制成。

9.根据权利要求1所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述中央控制器为STM32芯片。

10.根据权利要求1所述的原料血浆光谱采集系统，其特征在于，所述光谱仪为NIRONE1.7微型NIR光谱仪。