基于８９Ｃ５５和８２Ｃ５４的光子計數(shù)儀的設(shè)計

摘要：介紹了82C54的基本功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，控制寄存器的格式，模式0：計數(shù)結(jié)束發(fā)出中斷信號的具體應(yīng)用。本文給出了89C55單片機(jī)控制的硬件、軟件設(shè)計實例。

關(guān)鍵詞：計數(shù)儀；89C55；82C54；光電倍增管

在醫(yī)學(xué)檢驗中，體內(nèi)多類激素水平及其微量代謝產(chǎn)物、藥物及代謝產(chǎn)物、維生素類及疾病相關(guān)抗原的分析測定總計可達(dá)幾十至上百種之多。但由于其檢測靈敏度要求較高，一般免疫技術(shù)難以達(dá)到。因此，長期以來一直沿用放射免疫法。它不僅對操作人員的健康造成了危害，而且其廢棄物對環(huán)境也有嚴(yán)重的污染。因此需要特殊的防護(hù)及廢物處理系統(tǒng)；同時由于受到自然衰變的限制，其試劑不便長期儲存和運(yùn)輸，因而大大地限制了它的發(fā)展。

長期以來，人們大多采用光度計作為主要檢測儀器，其原理通過光電轉(zhuǎn)換器件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號(電壓、電流)，再加以放大。其主要特點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定；但靈敏度低、線性范圍窄。目前常見的光學(xué)檢測儀器，如：紅外／可見／紫外光分光光度計、熒光分光光度計、酶標(biāo)儀、照度計等均采用類似原理。隨著現(xiàn)代量子物理學(xué)的發(fā)展，以及人們對光的微觀特性認(rèn)識的逐步深入，一種被稱為單光子計數(shù)器的新型光電器件已經(jīng)問世，這就是在一些發(fā)達(dá)國家剛剛普及的光子計數(shù)儀，其靈敏度及線性范圍均已超過常規(guī)檢測技術(shù)能達(dá)到的水平，它是在根本檢測不到任何光線存在，即所謂“全黑環(huán)境”中正常工作，最主要的是該方法具有無輻射，無需對廢液后續(xù)處理的投入。因此被迅速應(yīng)用于社會生活的各個方面。如：航空航天、軍事、公安、科研、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域。成為現(xiàn)代高科技的一個重要組成部分。

測量原理

該儀器的測量原理采用單光子計數(shù)法。微弱光信號檢測一般以光電倍增管(PMT)為檢測器，在弱光下，光電倍增管的電流來源于光子碰撞光陰極產(chǎn)生的光電子發(fā)射，并經(jīng)倍增后在陽極形成電脈沖輸出。

光子檢測裝置的核心是光電倍增管(PMT)，它是一個超高真空的玻璃容器，其中向光的一面(稱為端窗)，涂有一層特殊的具有光電效應(yīng)的稀有金屬，稱為光陰極，而內(nèi)部還裝有許多的按一定規(guī)則排列的電極，稱為打拿極或加速極；其后部另有一個電極稱為陽極。上述各電極之間均加有規(guī)定值較高的直流電壓。當(dāng)光子打到光陰極時，由于光電效應(yīng)的作用，其表面可以產(chǎn)生能量微弱的游離電子，稱為光電子；該電子在直流高壓產(chǎn)生的電場作用下離開光陰極，同時被加速，再次打到打拿極上并產(chǎn)生出能量更大數(shù)量更多的光電子，就這樣經(jīng)過多個打拿極的反復(fù)放大，最后使陽極產(chǎn)生電脈沖信號，該信號經(jīng)前置放大器放大，在經(jīng)比較器去除噪聲信號，最后由分頻器換算出光子脈沖數(shù)(通常以相對發(fā)光數(shù)為單位，即RLU為單位，一個RLU相當(dāng)于10個光子)，如圖1。

89C55的介紹和82C54基本功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

89C55是Atmel公司的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含20kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)89C51和89C52芯片，采用通用編程方式，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C55有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出(I／0)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，片內(nèi)時鐘電路，AT89C55采用兩種軟件控制其進(jìn)入省電睡眠模式的靜態(tài)邏輯工作閑置方式設(shè)計，可以用RAM、定時／計數(shù)器、串行口和外部中斷喚醒睡眠狀態(tài)而繼續(xù)工作，在睡眠模式下，RAM被凍結(jié)，其他功能全部停止，直至下個外中斷觸發(fā)或硬件復(fù)位方可開始運(yùn)行。特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。

Intersil公司的82C54是8253的改進(jìn)型，操作方式及引腳與8253完全相同。它的改進(jìn)主要反映在82C54的計數(shù)頻率更高，可高達(dá)12MHz。

82C54的基本功能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要功能

每片內(nèi)部包含有3個獨(dú)立的16位計數(shù)通道；

每個計數(shù)器都可以按照二進(jìn)制或二一十進(jìn)制計數(shù)；

每個計數(shù)器的計數(shù)速率可高達(dá)12MHz

每個計數(shù)通道有6種工作方式，可由程序設(shè)置和改變；

所有的輸入／輸出電平信號都與TTL兼容。82C54的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)總線緩沖器。這是82C54與CPU數(shù)據(jù)總線連接的8位雙向三態(tài)緩沖器，CPU通過數(shù)據(jù)總線緩沖器將控制命令字和計數(shù)初值寫入82C54芯片，或者從82C54計數(shù)器中讀取當(dāng)前計數(shù)值。2．讀／寫邏輯。這是82C54內(nèi)部操作的控制部分。首先有片選信號CS的控制部分，當(dāng)CS為高時，數(shù)據(jù)總線緩沖器處在三態(tài)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線脫開，故不能進(jìn)行編程，也不能進(jìn)行讀寫操作。其次，由這部分選擇讀寫操作的端口(3個計數(shù)器及控制字寄存器)，并控制數(shù)據(jù)傳送的方向。3．控制字寄存器。在82C54初始化編程時，由CPU寫入控制字以決定通道的工作方式。此寄存器只能寫入而不能讀出。實際上，82C54的3個計數(shù)器通道都有各自的控制字寄存器，存放各自的控制字，初始化編程時，這3個控制字分三次共用一個控制端口地址寫入各自的通道．它們是利用最高兩位的狀態(tài)不同來區(qū)分的。

82C54控制寄存器的格式

為了讓定時器／計數(shù)器正確工作，必須先設(shè)定控制字。82C54的控制寄存器的格式如下：

①BCD位用來設(shè)置計數(shù)值格式：

l－計數(shù)值為BCD碼格式；

0－計數(shù)值為二進(jìn)制格式；

②M₂、M₁、M₀為模式選擇。82C54工作時可以有6種模式可供選擇、每種模式下的輸出波形各不相同。到底當(dāng)前工作干哪種模式，這是通過對控制寄存器中M₂、M₁、M₀這3位的設(shè)置來決定的，具體對應(yīng)關(guān)系如下：

M₂M₁M₀ 模式選擇

0 0 0 模式0

O 0 1 模式1

x 1 0 模式2

x 1 1 模式3

1 0 0 模式4

1 O 1 模式5

③RW₁和RW₀是讀／寫指示位，具體為：

00-對計數(shù)器進(jìn)行鎖存操作，使當(dāng)前計數(shù)值在輸出鎖存器中鎖定，以便讀出。

0 1一只讀／寫低8位字節(jié)。

1 0一只讀／寫高8位字節(jié)。

1 1一先讀／寫低8位字節(jié)，再讀／寫高8位字節(jié)。

④SC₁和SC₀用來選擇計數(shù)器。不管是計數(shù)值格式設(shè)置、模式設(shè)置，還是讀／寫命令指示，對于82C54的3個計數(shù)器來說，互相都是獨(dú)立的，因此，在設(shè)置控制字的時候，要指出是對82C54的哪一個計數(shù)器設(shè)置的，這便是SC₁和SC_o的功能。具體對應(yīng)關(guān)系為：

0 O－選擇計數(shù)器0。

0 1－選擇計數(shù)器1。

1 O－選擇計數(shù)器2。

1 1－無意義。

計數(shù)器通道。包括計數(shù)器0、計數(shù)器1、計數(shù)器2。它們的結(jié)構(gòu)完全相同，彼此可以按照不同的方式獨(dú)立工作。每個通道包括：一個8位的控制寄存器；一個16位的計數(shù)初值寄存器；一個計數(shù)執(zhí)行部件，它是一個16位的減法計

數(shù)器；一個16位的輸出鎖存器。每個通道都對輸入脈沖CLK按二進(jìn)制或二一十進(jìn)制，從預(yù)置值開始減l計數(shù)。當(dāng)預(yù)置值減到零時，從OUT輸出端輸出一信號。計數(shù)過程中，計數(shù)器受到門控信號GATE的控制。

光子計數(shù)儀設(shè)計

基于儀器整體安裝及可維護(hù)性的考慮，儀器采用整體形式。包括對儀器的控制，鍵盤操作及顯示，儀器的傳動部分及光子檢測部分。采用96微孔板作為測量載體；為增強(qiáng)測量的定位準(zhǔn)確度，運(yùn)行的平穩(wěn)性，光電檢測系統(tǒng)以固定方式檢測樣品，送樣機(jī)構(gòu)可按要求進(jìn)行Y方向及x方向順序運(yùn)動。采用可視性強(qiáng)的液晶顯示器，可顯示儀器當(dāng)前所處狀態(tài)及每孔測量結(jié)果。定義20種可選擇的測量時間；可對微孔板的任意行數(shù)定義測量；數(shù)據(jù)輸出采用外接打印機(jī)；原始數(shù)據(jù)可在主機(jī)獨(dú)立測量完畢后由打印機(jī)輸出。計算機(jī)控制測量可完全替代單機(jī)測量的功能，同時可在WINDOWS的操作軟件包下進(jìn)行樣品區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)區(qū)、陰陽性孔位定義、測量及數(shù)據(jù)處理。

硬件設(shè)計

本設(shè)計選用可編程定時器／計數(shù)器82C54，其最高計數(shù)頻率可達(dá)12MHz充分利用82C54的定時器／計數(shù)器，防止程序進(jìn)入死循環(huán)，增加了外部的硬件看門狗定時器MAX8 1 3L，其內(nèi)部的看門狗定時器監(jiān)控UP／UC的工作。如果在1．6s內(nèi)未檢測到其工作，內(nèi)部的定時器將使看門狗輸出WDO處于低電平狀態(tài)，WDO將保持低電平直到在WDI檢測到UP／UC的工作。將WR~NWDO連接可使看門狗超時產(chǎn)生復(fù)位。

具體硬件電路如圖3所示。

軟件設(shè)計

設(shè)置軟件陷阱

當(dāng)程序進(jìn)入到非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序回到初始狀態(tài)。如對CPU的RST指令對應(yīng)的字節(jié)碼為0FFH，如果不用的程序存儲區(qū)預(yù)先寫入0FFH，則當(dāng)程序因干擾而“飛”到該區(qū)域執(zhí)行代碼時，就相當(dāng)于執(zhí)行1條RST指令，從而達(dá)到系統(tǒng)復(fù)位的目的。

本設(shè)計選擇82C54的模式O工作，計數(shù)器0、計數(shù)器1都工作于模式O：計數(shù)結(jié)束發(fā)出中斷信號。

程序流程圖如圖4。

結(jié)論

整機(jī)無論從結(jié)構(gòu)到電器性能都達(dá)到了設(shè)計要求，采用的原理科學(xué)，技術(shù)及關(guān)鍵器件先進(jìn)。通過一段時間的使用，從各用戶中反饋的信息都很滿意。該樣機(jī)從主機(jī)到應(yīng)用軟件符合國際設(shè)計潮流及臨床操作要求。

參考文獻(xiàn)：

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3．美國Intersil公司的82C54datasheet．

4．哈爾濱思創(chuàng)生物SC-I光子計數(shù)儀使用說明書．

5．何勇、王生澤，‘光電傳感器及其應(yīng)用，’化學(xué)工業(yè)出版社，2004年6月．