（信號與信息處理專業(yè)論文）食品微生物atp熒光快速檢測儀的軟件設計.pdf

食品微生物a t p 熒光快速檢測儀的軟件設計 摘要 食品微生物a t p 熒光快速檢測儀是應用于食品衛(wèi)生領域的高科技衛(wèi)生器 械，它利用a t p 生物化學發(fā)光技術來檢測食品中微生物含量。本系統(tǒng)包含嵌入 式系統(tǒng)應用程序和上位機數(shù)據(jù)分析軟件兩部分。 嵌入式系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)i - t c o s i i 管理整個軟件系統(tǒng)，其應用 程序按照功能可分為：鍵盤管理、l c d 顯示、模擬信號采集、數(shù)據(jù)存取和串口 通信等任務。 上位機數(shù)據(jù)分析軟件可分為：系統(tǒng)登陸、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、 數(shù)據(jù)庫維護以及串口通信等模塊。該軟件可實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的讀取、查詢、統(tǒng)計、 圖表生成、參數(shù)設置等功能。 針對傳統(tǒng)a t p 熒光檢測數(shù)學模型只能在2 5 下對1 0 - 15 1 0 。1 m o l 量a t p 進行線性檢測的問題，提出了基于徑向基函數(shù)( r b f ) 神經網絡的a t p 熒光檢 測數(shù)學模型，采用改進型k 一均值聚類算法動態(tài)確定r b f 網絡中心，提高了 r b f 網絡的自適應性及泛化能力，為復雜系統(tǒng)中a t p 量的檢測提供了一條有效 途徑，能在+ 10 。c - - + 4 0 范圍內對10 - 15 10 - 8 m o l 量a t p 實時在線檢測。 實驗結果表明：該儀器檢測迅速、精度高、重復性好、操作方便，能夠很 好的滿足食品衛(wèi)生檢測的需求。 關鍵：a t p ；檢測儀：軟件設計；數(shù)學模型 s o f t w a r ed e s i g no ft h ef o o dm i c r o b ea t p d e t e c t i n gi ns t r um e n t f l u o r e s c e n c er a p i d a b s t r a c t f o o dm i c r o b ea t pf l u o r e s c e n c er a p i dd e t e c t i n gi n s t r u m e n ti sah i g h - t e c hh y g i e n e i n s t r u m e n ta p p l i e dt of o o dh y g i e n e w h i c hm a k e su s eo fa t pb i o l u m i n e s c e n c et e c h n i q u et o e x a m i n et h ec o n t e n to fm i c r o b eo nf o o d t h es y s t e mc o n t a i n sa p p l yp r o g r a mb a s i n go n e m b e d d e ds y s t e ma n dt h ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r ee m b o d i e di nt h eu p p e rm a c h i n e s e m b e d d e ds y s t e mm a k e su s eo fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ml a c o s i it o m a n a g ea l lt h es o f t w a r es y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e ss e v e r a lf u n c t i o n ss u c ha s k e y b o a r dm a n a g e m e n t ，l c dd i s p l a y , a n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t a a c c e s ss e r i a l c o m m u n i c a t i o na n ds oo n 1 1 1 ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r ee m b o d i e di nt h eu p p e rm a c h i n e sh a ss e v e r a lm o d u l e s c o n t a i n i n gs y s t e ml a n d i n g ，u s e rm a n a g e m e n t ，d a t am a n a g e m e n t ，d a t aa n a l y s i s ，d a t a b a s e m a i n t e n a n c e t h es o f t w a r ec a ni m p l e m e n ts e v e r a lf u n c t i o n ss u c ha sr e a d i n go fo r i g i n a ld a t a ， q u e r y , s t a t i s t i c ，c r e a t i n gg r a p h ，s e t u pp a r a m e t e r s am a t h e m a t i cm o d e lo fa t pf l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nb a s e do nr b fn e u r a ln e t w o r kh a s b e e np r o p o s e dt oa g a i n s tt h el i n e a r - d e t e c t i o no f10 - 15 - - - 10 一llm o la t pb yt h et r a d i t i o n a l m a t h e m a t i cm o d e lo fa t pf l u o r e s c e n c ed e t e c t i o nb e l o w2 5 c t h ei m p r o v e dk - - m e a n s c l u s t e r i n ga l g o r i t h m ss e a r c h i n gf o rt h en e t w o r k c e n t e r sh a sb e e na p p l i e dt oi m p r o v et h es e l f a d a p ti o na n dg e n e r a l i z a t i o no fr b f n e t w o r k i tc a l ls o l v et h ep r o b l e mo fa t pd e t e c t i o n i nt h ec o m p l i c a t e ds y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h em o d e lw h i c hh a sh i g h m e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a nd or e a l t i m ed e t e c t i o no f1 0 1 5 - - , 1 0 8m o la t pb e t w e e n + 1 0 a n d + 4 0 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h ei n s t r u m e n th a st h ea d v a n t a g e so fs h o r t m e a s u r e m e n tt i m e ，h i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c y , h i g he f f i c i e n c y , w h i c hm e e t sd e m a n do f f o o dh y g i e n ed e t e c t i n g k e y w o r d s ：a t p ；d e t e c t i n gi n s t r u m e n t ；s o f t w a r ed e s i g n ；m a t h e m a t i c sm o d e l 插圖清單 圖1 1 國外比較先進的a t p 熒光檢測儀2 圖2 1a t p 標準曲線6 圖2 2 系統(tǒng)體系結構9 圖2 3 硬件電路結構圖9 圖2 4 嵌入式系統(tǒng)體系結構圖1 0 圖2 5 應用程序總體結構圖1 0 圖3 1 嵌入式應用軟件的總體構架1 1 圖3 2 初始化任務棧結構1 3 圖3 3 系統(tǒng)守護任務的流程圖1 8 圖3 4 鍵盤讀取應用圖1 9 圖3 5 數(shù)據(jù)讀取流程圖2 0 圖3 6 數(shù)據(jù)采集處理任務的流程圖2 l 圖3 7 程序號上下限設置圖2 2 圖4 1 上位機數(shù)據(jù)分析軟件結構2 4 圖4 2 登陸窗體3 0 圖4 3 系統(tǒng)主界面3 0 圖4 4 系統(tǒng)管理模塊功能圖3 1 圖4 5 添加備注流程圖3 2 圖4 6 數(shù)據(jù)查詢對話框3 2 圖4 7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計對話框3 5 圖4 8 數(shù)據(jù)分析模塊對話框3 5 圖4 9 四個典型的圖形風格3 6 圖4 1 0 數(shù)據(jù)維護模塊結構圖3 6 圖5 1 串口通信結構圖4 0 圖5 2 時鐘初始化窗口4 l 圖5 3 上載設置程序窗口4 1 圖5 4 上載測試記錄的界面4 1 圖5 5 串口數(shù)據(jù)包發(fā)送流程圖4 2 圖5 6 串口數(shù)據(jù)接收流程圖4 2 圖5 7 串口發(fā)送任務流程圖4 3 列表清單 表2 1 系統(tǒng)需求分析4 表2 2 嵌入式系統(tǒng)規(guī)格說明4 表2 3 數(shù)據(jù)分析軟件的規(guī)格4 表3 1 按鍵功能表1 9 表3 2 存儲格式2 0 表3 3 測試結果判斷表2 3 表4 1 程序數(shù)據(jù)結構表2 8 表4 2 測試案例結構表2 9 表4 3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法3 4 表5 1 上位機發(fā)送給檢測儀的每幀數(shù)據(jù)格式3 7 表5 2 檢測儀回送給通訊機的每幀數(shù)據(jù)格式3 8 表5 3 上載數(shù)據(jù)接收出錯時“應答幀 格式3 8 表5 4 下傳數(shù)據(jù)接收出錯時“應答幀 格式3 8 表5 5 上載測試記錄的數(shù)據(jù)塊格式3 9 表5 6 上載命令字列表3 9 表5 7 下傳命令字列表3 9 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所 知，除了文中特，i i j ；b t l 以標志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得盒膽至些太堂或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作 的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文儲糠鬣凈字日期刪年 學位論文版權使用授權書 相加 l 本學位論文作者完全了解金膽王些態(tài)堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向 國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱或借閱。本人授權金壁王些太 ! l 可以將學位論文的全部或部分論文內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復制手段保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文者簽名：芑挈 礦or 簽字日期咖7 年午月，如日 學位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 導師簽名：辦虹 柳飆中 謝辭 本學位論文是在吳永忠副教授的悉心指導和嚴格要求之下完成的。在攻讀 碩士學位期間，吳老師以其淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和踏實的工作作風在 學業(yè)上和生活上給予我很多關懷和幫助，使我受益終身。至此論文完成之際， 謹向恩師致以由衷的感謝和誠摯的祝福! 在課題的研究和設計過程中，郭太峰副教授和劉勤勤老師在我遇到困難時 給予我耐心指導和幫助，在此我也深表謝意! 同時，我還要感謝實驗室的同學們。他們是孟宏、王尚本、李宗偉等。他 們無私的幫助，積極的配合使我學業(yè)上得到了很大的進步，課題得以順利完成。 最后感謝我的父母，是他們多年無私的奉獻，默默的支持，才讓我走到今 天，最終完成學業(yè)。感謝我的朋友胡翊、郝世杰、潘登凱等一直以來對我的關 心和支持。 感謝計算機與信息學院所有關心幫助過我的老師同學們。 作者：范軍 2 0 0 9 年3 月1 9 日 第一章緒論 1 1 課題背景 食品安全是一個直接關系到人民群眾生命、健康和社會穩(wěn)定的重大公共安 全問題。2 0 0 0 年，世界衛(wèi)生大會通過了食品安全決議，將食品安全列為公 共衛(wèi)生的優(yōu)先領域，制定了全球食品安全戰(zhàn)略并要求成員國制定相應的行動計 劃，最大程度地減少食源性疾病對公共健康的威脅。我國確定的食品安全總目 標為：控制食品污染，減少食源性疾病，保障消費者健康，促進經濟發(fā)展。制 定的食品安全行動計劃內容之一涉及開展食品中生物污染監(jiān)測與評價。在我國 建立致病菌及真菌毒素的監(jiān)測網絡，對重點食品實施主要食源性致病菌和真菌 毒素污染狀況的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的和正在發(fā)生的食品中生物性污染問題， 進行危險性評價，用于制定相關的政策法規(guī)，指導食品安全監(jiān)管工作，引導食 品生產和消費。 微生物污染問題是食品安全中極為重要的因素。我國從案例數(shù)或人數(shù)統(tǒng)計 角度對食物中毒案例的分析資料顯示，微生物性食品中毒所占的比例高達6 7 ， 而且細菌性食物中毒也是最常見的微生物性食物中毒。2 0 0 2 年，我國正式啟動 了“食品放心工程”。國家工商總局在制定流通領域商品質量監(jiān)管的工作思路時， 也將食品安全監(jiān)管列為重中之重。因此，如何有效監(jiān)控流通領域中的食品細菌 性污染，已成為“關口前移 所面臨的重要課題之一。 要想全面判斷食品的衛(wèi)生質量狀況，就應進行食品衛(wèi)生質量鑒定，即：查 明食品中是否存在威脅人體健康的有害因素及其來源、性質、作用和含量的技 術程序規(guī)范，包括生物、化學、物理的檢驗方法，以及食品污染、食品中毒等 衛(wèi)生學和流行病學調查處理的內容和程序等。通過鑒定作為對食品做出食用或 條件食用或不作食用等處理決定的依據(jù)。 a t p 熒光法作為一種簡便、快速的微生物檢驗方法和食品生產環(huán)境清潔度 的檢測方法，近年來在國外倍受注目，并得以廣泛應用。a t p 熒光法利用細胞 的特征來測定細菌數(shù)，是快速檢測菌落總數(shù)的一個發(fā)展方向i l l 。a t p 是一種高 能磷酸化合物，在生物系統(tǒng)中是能量交換中心，它普遍存在于一切活的微生物， 如細菌、真菌和酵母菌等細胞內，為細胞內活動提供能量。各種細菌中的a t p 含量大致一定，所以通過檢測物體表面的a t p 含量，可以估算出表面微生物污 染情況。 應用a t p 熒光技術可以檢測出樣品中酵母、霉菌、真菌或細菌細胞等多種 微生物的數(shù)量，其應用范圍深入到多種領域，包括：啤酒細菌總量檢測【2 j 、脫 水蔬菜和調味品的細菌總量檢測【3 】、乳與乳制品細菌總數(shù)檢測【4 】、食品器具衛(wèi) 生學檢測【5 1 、生產過程及設備檢測、廢液處理檢測【6 。1 、化妝品檢測【8 1 、醫(yī)學檢 驗領域i o 。 國外對a t p 熒光技術研究較早，1 9 4 7 年，m e e l o r y 等人就首次進行了f l 對a t p 的檢測，到2 0 世紀8 0 年代，英國人首先研制出a t p 檢測儀( 檢測系統(tǒng)) ， 隨后發(fā)展到歐洲、美國和日本。應用范圍涉及食品加工、超市和飲食行業(yè)，檢 測內容包括微生物和食品殘渣。1 9 9 8 年，日本國會頒布了關于食品制造過程 管理高度化臨時措施法，其中叩包含了應用a t p 檢測儀( 檢測系統(tǒng)) 的內容。 1 9 9 9 年，日本還成立了a t p 涂抹檢查研究會，專門研究該方法的使用效率和 應用領域，其內容之一就是在食品衛(wèi)生監(jiān)測領域中，解決現(xiàn)場微生物的檢測問 題。在過去的2 0 年中，熒光素酶a t p 分析的檢測極限從1 0 “4 m o l e 提高到了 1 0 1 8 m o l e 。 國內對生物發(fā)光的研究起步于2 0 世紀6 0 年代，9 0 年代達到高峰，主要工 作是檢測無機物和無機離子。近年來，此項技術已開始應用于醫(yī)學、農業(yè)以及 生命科學等領域。 本課題“食品微生物a t p 熒光快速檢測儀的軟件設計”受到國家科技型中 小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目( 計劃編號：0 6 c 2 6 2 13 3 1 1 2 0 8 ) 及安徽省高等學校自 然科學研究基金( 計劃編號：k j 2 0 0 8 a 0 7 6 ) 的資助。 1 2 國內外a t p 熒光檢測便的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，由于熒光素酶的價格太幅度的下降，a t p 熒光技術在國外倍受推 崇，在美、日等國已廣泛應用，并有專用檢測儀器。世界上比較先進的a t p 熒 光檢測儀如圖ll 所示：美國的a m s a l i t ei i ia t p 熒光分析儀和美國n e o g e n 的a e e u p o i n t a t p 熒光檢測儀、日本t o a 的a f 一7 0 5 0 型a t p 細菌快速分析儀、 日本k i k k o m a n 的c 1 0 0 和p d 一1 0 n a t p 檢測儀等。 美國a m s a l i t e1 1 1日本 o a a f - 7 0 ，5 0 美囝a c e u p o i n t 酗l1 國外比較先進的a t p 熒光檢測投 2 0 0 2 年，我國衛(wèi)生部頒發(fā)了食品加工企業(yè)的h a c c p 實施指南，鼓勵食品 加工企業(yè)引入a t p 檢測系統(tǒng)。但是現(xiàn)有的a t p 熒光檢測儀大多用于實驗室 的科研工作，設備笨重、造價昂貴、檢測過程復雜，雖然一些a t p 熒光檢測儀 ( 檢測系統(tǒng)) 及技術被引進我國，但是到目前為止，除個別省級衛(wèi)生監(jiān)督檢測 單位裝備外，主要是在一些外資或合資企業(yè)中自行檢測使用。適用于民用和商 用衛(wèi)生程度的便攜式a t p 熒光檢測儀在國內幾乎是空白。 嵌入式a t p 熒光檢測儀具有現(xiàn)場檢測，快速，科學，便捷，操作簡單，價 格低廉等特點，對構建國家食品衛(wèi)生放心工程具有重大的社會、經濟價值。 1 3 論文主要工作 本文是在所參與的食品微生物a t p 熒光快速檢測儀開發(fā)項目的基礎上，總 結完善而整理出來。依據(jù)項目內容，論文的主要研究工作如下： 1 ) 系統(tǒng)總體設計。通過系統(tǒng)需求分析、規(guī)格說明和關鍵技術分析確定系統(tǒng) 的總體設計。 2 ) 下位機嵌入式系統(tǒng)軟件設計。選擇“c o s i i 并將其移植到單片機上， 并在此基礎上完成下位機嵌入式系統(tǒng)的軟件設計。 3 ) 上位機數(shù)據(jù)分析軟件設計。包含基于v i s u a lc + + 6 0 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 設計實現(xiàn)的配套食品微生物a t p 熒光檢測儀的數(shù)據(jù)分析軟件 4 ) 上下位機通信鏈路的設計。包含了以r s 2 3 2 為標準的通信鏈路設計。 第二章系統(tǒng)總體設計 2 1 系統(tǒng)需求分析 食品微生物a t p 熒光快速檢測儀軟件包括下位機嵌入式軟件和上位機數(shù)據(jù) 分析軟件。根據(jù)系統(tǒng)總體要求，需求分析說明如表2 1 所示。 表2 1 系統(tǒng)需求分析 項目食品微生物a t p 熒光快速檢測儀軟件設計 系統(tǒng)名稱食品微生物a t p 熒光快速檢測系統(tǒng) ( 1 ) 下位機嵌入式系統(tǒng)軟件設計： 設計目標 ( 2 ) 上位機數(shù)據(jù)分析軟件設計： 系統(tǒng)輸入 光電信號、鍵盤、串口 系統(tǒng)輸出測試數(shù)值r l u s 、串口、報表數(shù)據(jù)、圖形顯示 ( 1 ) 下位機嵌入式系統(tǒng)在系統(tǒng)上電運行后，首先從存儲器中讀取歷史保存數(shù)據(jù)， 并啟動液晶顯示和鍵盤檢測功能。在用戶通過鍵盤和l c d 顯示調整檢測參數(shù)( 如 程序號、上下限等) 后，確定保存進入檢測狀態(tài)。在進入檢測狀態(tài)前，確保艙蓋 密閉，才能允許進入檢測狀態(tài)。如果艙蓋未密閉則返回。 功能描述 ( 2 ) 上位機數(shù)據(jù)分析軟件對每一個測試值及其測試時間、所用的程序號和所用 的儀器編號等檢測因素能夠錄入保存，以及查詢統(tǒng)計等；對錄入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、圖 表分析和打印。 ( 3 ) 串口通信功能，方便檢測儀器與數(shù)據(jù)分析軟件之間的信息互通：檢測的參 數(shù)能及時傳遞到數(shù)據(jù)分析軟件。 2 2 系統(tǒng)規(guī)格說明 1 ) 下位機嵌入式系統(tǒng)的規(guī)格如表2 2 所示。 表2 2 嵌入式系統(tǒng)規(guī)格說明 可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務 嵌入式操作系統(tǒng)g c o s - i i 微內核的開源嵌入式實時操作系統(tǒng) 開發(fā)平臺 k e i lm d kr e a l v i e w 支持c 語言和匯編語言編程 絕大部分代碼都是用a n s ic 語言編寫，只有 開發(fā)語言 a n s i c 、匯編語言 與微處理器一件相關的那部分是用匯編語言 寫的 2 ) 上位機數(shù)據(jù)分析軟件的規(guī)格如表2 3 所示。 表2 3 數(shù)據(jù)分析軟件的規(guī)格 奔騰系列p c 的r s 2 3 2 端口( 或 主機最低的p c 要求 適配器) 數(shù)據(jù)庫容量 無限 數(shù)據(jù)庫 評論( c o m m e n t ) 文本長度最大值1 0 0 個字符 程序數(shù)據(jù) 單元數(shù)目( u n i t - # ) 最大值 無限 程序號( p r o g ) 最大值 1 0 0 位置( l o c a t i o n ) 名稱的長度最大值 5 0 個字符 4 組( g r o u p ) 名稱的長度最大值 5 0 個字符 分析方案最大值 無限 分析方案 方案名稱長度最大值1 0 0 個字符 篩選條件最大值無限 2 3 系統(tǒng)關鍵技術分析 由于a t p 熒光反應受各種因素( 如溫度、p h 值等) 的影響，a t p 濃度與發(fā) 光強度之間整體上為非線性關系，僅在較小范圍內呈近似線性關系。但是，實 際中利用a t p 熒光檢測技術建立數(shù)學模型時，都是基于a t p 濃度與發(fā)光強度之間 呈線性關系的方法，這樣做可能會引起較大的非線性誤差。為了消除或者補償 a t p 熒光檢測中的非線性誤差，文獻】采用實驗手段，通過內在的a t p 標準品 來進行校準，對各種因素的影響進行補償，但是這種傳統(tǒng)的a t p 熒光檢測模型 是在2 5 下建立的，未能考慮到檢測儀工作環(huán)境溫度的變化和光電探測器的工 作性能，只能適用于1 0 。1 5 10 - 1 1 m o l a t p 的近似線性檢測，不適合在動態(tài)溫度范 圍內對更多a t p 量的檢測。 基于r b f 卒* 經網絡進行a t p 熒光檢測數(shù)學模型的研究，其目的就是試圖將 人工神經網絡技術應用于a t p 熒光檢測的數(shù)據(jù)處理，建立更為準確和有效的a t p 熒光檢測數(shù)學模型，以提高a t p 熒光檢測儀動態(tài)工作環(huán)境溫度下的測量精度和 測量范圍。 2 3 1 a t p 熒光檢測分析 a t p 是一種高能磷酸化合物，在生物系統(tǒng)中是能量交換中心，它普遍存在 于一切活的微生物，如細菌、真菌和酵母菌等細胞內，為細胞內活動提供能量。 各種細菌中的a t p 含量大致一定( 約1 0 j 8 m o l 個) 1 2 1 ，所以通過檢測物體表面 的a t p 含量，可以估算出表面微生物污染情況。 a t p 熒光檢測原理為：熒光素酶在a t p 、m g ”和0 2 存在時，它首先與蟲熒 光素酰腺苷酸( 由m g 、a t p 與蟲熒光素復合而成) 生成復合物l u c l h 2 一a m p ，然 后該復合物釋放出質子，酶變構導致蟲熒光素氧化脫羧，熒光素分子中的電子 由不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)躍遷到低能級而發(fā)射出光子。a t p 是熒光素酶的底物之一， 在熒光素酶一a t p 熒光技術體系中，發(fā)光強度( ，) 與a t p 的濃度( c a 即) 符合 下列函數(shù)關系。 i = l 缸巴即如+ q 仰 ( 2 - 1 ) 式中l(wèi) 。，為發(fā)光強度，k 。= l x l 0 4 。 由上式可知，a t p 濃度c 。仰與發(fā)光強度，存在一定的關系，因此可以通過發(fā)光體 系，的測定來定量a t p 的濃度。 a t p 熒光反應測定a t p 濃度是一個酶促反應，主要受兩個因素的影響：溫度 和p h 值。溫度對生物熒光反應的影響比較大，一般來說發(fā)光反應的發(fā)光強度隨 溫度下降而增加，但由于a t p 熒光反應是酶促反應，溫度太低則影響酶的活性。 p h 值對a t p 熒光反應的影響表現(xiàn)在：一方面p h 值直接影響酶的活性，且不同的 熒光素酶要求不同的最適p h 值；另一方面，p h 值直接影響反應過程中激發(fā)態(tài)分 子的結構，從而影響光子發(fā)射效率。 文獻 1 1 】提出的傳統(tǒng)a t p 熒光檢測模型，采用實驗手段在2 5 下通為過內在 的a t p 標準品來進行校準，對各種因素的影響進行補償，其a t p 標準曲線如圖2 1 所示。 圖2 1a t p 標準曲線 由圖2 1 可以很清楚地區(qū)分三個區(qū)域。在區(qū)域a 水平部分時背景，一般是儀 器和試劑背景的產生的背景。需要提到的是“相對光單位( r l u ) 可能會對儀 器背景有誤導效果，因為這歸因于光電因子釋放發(fā)射出來的噪音的電子，而沒 有任何光子來源的。區(qū)域b 是近似的線性范圍，最適合定量工作。區(qū)域c 是因為 光子飽和而產生的平緩區(qū)，濃度的增加沒有使得光子輸出有任何的提高。 由于未考慮到光電探測器的工作性能，傳統(tǒng)的a t p 檢測數(shù)學模型只能適用 于1 0 - 1 5 1 0 以1 m o l a t p 量的近似線性檢測，不適合在動態(tài)工作環(huán)境溫度下進行更 寬范圍a t p 量的檢測。 如果不使用文獻【1 1 】給出的傳統(tǒng)數(shù)學模型，可以通過調節(jié)樣品的p h 值( 反 應體系最佳p h 值為7 8 ) 來消除p h 值對a t p 熒光反應的影響。對于溫度的影響， 由于a t p 熒光檢測儀的工作環(huán)境溫度變化較大，如果采用恒溫裝置就會增大儀 器的重量、體積、功耗和結構的復雜程度。實際上，溫度不僅影響a t p 熒光反 應還直接影響檢測儀的工作性能，造成檢測儀放大電路放大倍數(shù)的變化，因此 a t p 濃度與發(fā)光強度之間的線性關系并不是a t p 熒光檢測儀工作的實際數(shù)學模 型。 2 3 2r b f 神經網絡的引入 人工神經網絡具有自學習、泛化功能，并能以任意精度進行非線性映射， 特別適用于解決復雜的、非線性函數(shù)關系問題。在a t p 熒光檢測的數(shù)學建模中 引入神經網絡，就如同引入了一個“黑匣子”，其作用是將發(fā)光強度和工作環(huán)境 溫度等參數(shù)( 輸入) 與a t p 濃度( 輸出) 一對應起來。在線測量時處理軟件按照 6 所建立的神經網絡模型就可以由發(fā)光強度和工作環(huán)境溫度等參數(shù)給出與其對應 的待測a t p 濃度。 r b f 網絡是神經網絡的一種網絡模型，在非線性系統(tǒng)建模和辨識方面具有 收斂速度快和逼近能力強的優(yōu)點【1 3 4 1 。r b f 神經網絡是一種三層結構的前饋網 絡，輸入層節(jié)點只是傳遞輸入信號到隱層，隱層節(jié)點由核函數(shù)構成，而輸出層 節(jié)點是簡單的線性函數(shù)。針對a t p 熒光檢測的數(shù)學建模，輸入層設置兩個節(jié)點 ( 即發(fā)光強度、工作環(huán)境溫度) ，輸出層設置一個節(jié)點( 即a t p 濃度) 。 隱層節(jié)點的傳遞函數(shù)( 即徑向基函數(shù)) 對輸入信號在局部產生響應，即當 輸入信號靠近核函數(shù)的中央范圍時，隱層節(jié)點將產生較大的輸出。常用的徑向 基函數(shù)是高斯核函數(shù)，如( 2 2 ) 式所示： i ( x c ，) 7 ( x c ) i 吩。沖l 一丁一j ( = 1 ，2 ，) ( 2 2 ) 其中：甜f 是第，個隱層節(jié)點的輸出，x = ( 而，x 2 ，x ，) 7 是輸入樣本，c ，是高 斯函數(shù)的中心值，仃，是標準偏差，是隱層節(jié)點數(shù)。由式( 2 - 2 ) 可知，隱層 節(jié)點的輸出范圍為( 0 ，1 ) ，且輸入愈靠近隱層節(jié)點的中心，輸出值愈大。 r b f 網絡的輸出為隱層節(jié)點輸出的線性組合，即： 只= 均一0 = 彬7 u 戶1 ( f = 1 ，2 ，m ) ( 2 3 ) 其中”是輸出層第f 個節(jié)點的輸出值，形為核函數(shù)連接到輸出層第f 個節(jié)點 的權值集合，u 為隱層節(jié)點的輸出集合。 r b f 神經網絡的學習分為3 個部分：徑向基函數(shù)中心c ，的學習、徑向基函數(shù) 寬度仃，的學習、隱層與輸出層之間連接權值彬的學習。上述3 項學習一般是分 開進行的，徑向基函數(shù)中心的選取至關重要，在此將動態(tài)自適應聚類算法f 1 5 j 6 】 應用于徑向基函數(shù)中心的調整，它無需事先確定聚類數(shù)，并且完成聚類所得到 的r b f 神經網絡是最優(yōu)的。其具體算法如下： 第一步，初始化聚類中心，即根據(jù)經驗從訓練樣本集中隨機選取個不同 的樣本作為初始化中心c ，。 第二步，將所有訓練樣本x 按最近的聚類中心分類，即： 如果 0 乃一e e 0 = m i n lx , 一巳e 0 ( 2 - 4 ) 其中1 p p ，尸為樣本總數(shù)，則將樣本x 。劃歸為類s 。 第三步，計算各類的樣本均值，修改聚類中心。 巳2 古善x 池5 ， 其中，是樣本類s ，中的樣本個數(shù)。 7 第四步，重復二、三步直到所有聚類中心滿足以下公式： | | x 一x 川 旯，( 兄為某個預定的閾值，值越小，該算法最后得到的中心個 數(shù)越多) 則增加中心個數(shù)n = n + i ，并用樣本e 初始化這個新增加的中心，然后 轉到第二步，否則進入第六步。 第六步，將各個聚類中心賦給各r b f 單元，作為r b f 網絡的中心。 聚類中心確定之后，其寬度的選取往往根據(jù)聚類的結果來確定。一般令它 等于聚類中心與訓練樣本之間的平均距離，即： 1 一 仃，= ( x - c j e ) 。( x c f e ) ( 2 8 ) 。 v ， 一 。 其中x s j 。 r b f ：沖經網絡權值的學習通常采用梯度下降算法f 】。 基于r b f 豐o 經網絡建立了a t p 熒光檢測數(shù)學模型，有效解決了發(fā)光強度、 工作溫度以及與其對應的a t p 濃度之間存在的非線性動態(tài)不確定關系的建模問 題。該模型收斂速度快，泛化能力強，測試精度高，檢測范圍廣，可以較好地 描述實際對象的特性。 2 。4 系統(tǒng)體系結構設計 在軟件開發(fā)項目的整個設計過程中，選擇一個良好的體系結構和構造規(guī)則 是至關重要的。軟件體系結構在很大程度上決定了系統(tǒng)能否滿足功能、性能、 安全性、可靠性這些軟件運行特性，以及各種可維護性、可適應性、可移植性、 可重用性等那些不能直接通過觀察系統(tǒng)運行來度量的特性【l8 1 ，良好的體系結構 設計是決定軟件系統(tǒng)成功的最重要因素。 軟件體系結構是整個軟件設計的開端，是整個軟件系統(tǒng)最早的設計決策成 果。如圖2 2 所示，在本系統(tǒng)的設計中我們引入了層次式軟件體系結構的設計 思想，在硬件層的基礎上，整個嵌入式系統(tǒng)劃分為硬件抽象層、嵌入式操作系 統(tǒng)層和針對系統(tǒng)功能的應用層。 8 應用層 操作 系統(tǒng)層 中間層 硬件層 c 8 0 5 1 f 3 4 0 存儲器2 5 a a 6 4 0 模擬電路殛電源 接口控制器及插件 圖2 2 系統(tǒng)體系結構 根據(jù)a t p 熒光檢測系統(tǒng)的功能和接口模塊的要求，嵌入式系統(tǒng)的硬件電路 結構如圖2 3 所示，它包括主電路和外設電路部分。主電路部分由以s i l i c o n l a b s 公司的c 8 0 51f 3 4 0 為處理芯片，外設部分由相關外圍接口電路部分構成。 圖2 3 硬件電路結構圖 硬件抽象層的基本思想是把嵌入式系統(tǒng)的上層軟件與具體的硬件平臺隔離 開來，也就是說，在硬件抽象層中，把所有與硬件相關的代碼都封裝起來，并 向上提供一個虛擬的硬件平臺，而平臺的上兩層和待開發(fā)的嵌入式應用程序就 運行在這個虛擬的硬件平臺上。硬件抽象層負責直接與硬件打交道，對硬件進 行管理和控制，并為上層軟件及操作系統(tǒng)提供所需的驅動支持。一般說來，硬 件抽象層包括以下幾方面的內容：引導加載程序b o o t l o a d e r 、硬件相關的設備 驅動及它硬件相關的代碼。 如圖2 4 所示，系統(tǒng)的硬件抽象層按照功能可分為以下幾個模塊：鍵盤顯 示模塊、微弱熒光檢測模塊、測試數(shù)據(jù)存儲模塊和上位機通信模塊等。 9 圖2 4 嵌入式系統(tǒng)體系結構圖 2 5 應用程序總體結構設計 應用程序總體結構如圖2 5 所示。系統(tǒng)的應用程序包括下位機嵌入式應用 軟件和上位機數(shù)據(jù)分析軟件，以及在兩者之間實現(xiàn)的基于r s 2 3 2 標準的通信鏈 接。 嵌入式系統(tǒng)采用i a c o s i i 嵌入式操作系統(tǒng)管理整個軟件系統(tǒng)。針對實際的 應用需求對g c o s i i 進行功能擴展，開發(fā)用戶自己的應用程序接口。如圖2 5 所示，應用層按照功能可分為：鍵盤命令處理、l c d 顯示、模擬信號采集、數(shù) 據(jù)存取和串口通信等任務。 上位機數(shù)據(jù)分析軟件是配套檢測儀開發(fā)的數(shù)據(jù)管理軟件。如圖2 5 所示， 上位機數(shù)據(jù)分析軟件可分為：系統(tǒng)登陸、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù) 據(jù)庫維護以及串口通信等模塊。該軟件可實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的讀取、查詢、統(tǒng)計、 圖表生成、參數(shù)設置等功能。 系 統(tǒng) 守 護 任 務 鍵盤管理任務lil c d 顯示任務ll 用戶管理 i t c o s - i i 內核 信號采集任務ii 數(shù)據(jù)存取任務 富 口 通 信 任 務 串 口 通 信 模 圖2 5 應用程序總體結構圖 1 0 數(shù)據(jù)庫 據(jù) 庫 維 護 第三章下位機嵌入式系統(tǒng)的軟件設計 3 1 嵌入式應用系統(tǒng)軟件總體設計 嵌入式軟件開發(fā)的基本思想是：以嵌入式開發(fā)平臺為基礎，以任務為主要 脈絡，以實時性為優(yōu)先級的主要依據(jù)。本文采用兩種方法開發(fā)嵌入式軟件，一 個是在a p i 的基礎上開發(fā)軟件；二是直接在內核基礎上開發(fā)軟件。 開始 上 硬件系統(tǒng)初始化 上 操作系統(tǒng)初始化 上 建立任務消息郵箱和信號量 上 建立多任務 上 上上上0上上j 系 鍵上數(shù)數(shù)系串 統(tǒng) 盤下 據(jù) 據(jù)統(tǒng)口 守讀限采存自通 護取設集取檢信 任任 置 任 任任 任 務 務任務務務務 上 啟動多任務 上 r 結束 、 圖3 1 嵌入式應用軟件的總體構架 u c o s i i 是源碼公開的實時操作系統(tǒng)內核，這就意味著它不像其他實時操 作系統(tǒng)那樣提供給用戶的只是一些a p i 函數(shù)接口，有很多工作往往需要用戶自 己完成。把c o s i i 移植到目標硬件平臺上也只是系統(tǒng)設計工作的開始，后面 還需要針對實際的應用需求對g c o s n 進行功能擴展，開發(fā)用戶自己的應用程 序接口。依據(jù)系統(tǒng)的功能及對硬件的依賴來劃分，系統(tǒng)主要完成以下7 個任務： 1 ) 系統(tǒng)守護任務 2 ) 程序號上下限設置任務 3 ) 數(shù)據(jù)采集處理任務 4 ) 數(shù)據(jù)存取任務 5 ) 鍵盤讀取任務 6 ) 液晶顯示任務 7 ) 串行通信任務 嵌入式軟件的總體架構，如圖3 1 所示。在多任務調度開始前，需要對c o s i i 進行初始化，然后建立系統(tǒng)需要的任務。任務可以在多任務調度開始前全部 建立，也可以在多任務調度開始后由其他任務建立，但是在多任務開始前必須 至少建立一個任務，任務也可以由其他任務刪除。每個任務的詳細程序設計將 在3 2 節(jié)中介紹。 3 2p c i o s 在c 8 0 5 1 f 3 4 0 上的移植 移植工作就是修改o s c p u h 、o s c p u c c 、o s c p u a a s m 這幾個文 件f 1 9 彩】。在說明這幾個文件之前，先說明兩點注意事項： ( 1 ) 可重入函數(shù)。單片機內部堆棧空間有限，c 5 1 提供一種壓縮棧的方式， 當遞歸調用這個函數(shù)時，會導致變量被覆蓋，所以在實時應用中，要用關鍵字 r e e n t r a n t 將函數(shù)聲明成可重入函數(shù)，把每次函數(shù)調用時的局部變量單獨保存起 來。但函數(shù)中不可以使用b o o l 變量，因為在l a r g e 編譯模式下，k e i l 默認將 所有變量定位到外部r a m 的最高處，而m c s 5 1 系列的m c u 中只有內部 2 0 h 2 f h 的地址可以位尋址。 ( 2 ) c 5l 的關鍵字和“c o s i i 定義變量的矛盾。“p d a t a ”、“d a t a ”在p c o s i i 中用做一些函數(shù)的形參，但它同時又是c 51 的關鍵字，在編譯時導致語法錯 誤，通過把“p d a t a ”改成“p p d a t a ，“d a t a ”改成“d d a t a 解決了此問題。 3 1 o s c p u h 文件 o sc p u h 文件主要是與處理器相關的宏定義和數(shù)據(jù)類型聲明。如前面提 到的，不能使用b i t 型變量，把b o o l e a n 型定義成u n s i g n e dc h a r 型。另外8 , 6 7 m c u 數(shù)據(jù)寬度和堆棧寬度都是8 位，分別將o ss t k 和o sc p u s r 定義成u n s i g n e d c h a r 型。p c o s i i 提供了3 種處理臨界代碼的方法，這里使用第一種，即通過對 寄存器e a 開關中斷。m c s 一5 1 系列m c u 的堆棧是從下向上遞增的，定義 o s s t k g r o w t h = 0 。 3 1 2o s c p u c c 文件 o s c p u c c 文件主要是完成o s t a s k s t k l n i t 0 。在“c o s i i 中，任務是一個 1 2 無限循環(huán)，任務之間也不會互相調用，但是r t c o s i i 總是執(zhí)行優(yōu)先級最高的任 務，假定當前有一個更高優(yōu)先級的任務進入就緒狀態(tài)，為了保證原來低優(yōu)先級 任務的完整性，i - t c o s i i 為每個任務建立了任務堆棧，就相當于函數(shù)調用時保 存返回地址和參數(shù)一樣，用來保存當前任務的狀態(tài)，保證任務切換能和函數(shù)調 用一樣正確。只不過函數(shù)調用時函數(shù)堆棧的操作過程是編譯器自動完成的，而 任務切換時需要模擬一個和編譯器類似的任務堆棧的操作過程。實際上， i t c o s i i 的移植工作主要就是解決這個問題，o s t a s k s t k l n i t 0 完成任務棧初始 化，后面介紹的o sc p ua a s m 文件完成3 種不同條件下的任務切換操作。 棧底 o s t c b c u r 棧頂 圖3 2 初始化任務棧結構 o s t a s k s t k l n i t 0 函數(shù)為o s t a s k c r e a t e 0 和o s t a s k c r e a t e e x t 0 函數(shù)所調用，用 于任務棧的初始化，初始化后的任務?？雌饋硐駝倓偘l(fā)生過一次中斷并將所有 的寄存器都保存進了堆棧的情形一樣。如圖1 0 2 所示，它主要完成四項任務： ( 1 ) 仿真帶參數(shù)p d a t a 的函數(shù)調用；( 2 ) 接著保存任務代碼的首地址指針，當調用 o s s t a r t ( ) 函數(shù)啟動時，為第一次運行提供任務代碼的首地址指針，應用任務的 代碼便從這里開始執(zhí)行；( 3 ) 初始化任務棧結構，保存c p u 寄存器內容，盡管這 些寄存器內容可能在第一次運行時沒有起什么作用，但仍然要設計成完整的結 構，以便于計算代碼的指針；( 4 ) 返回棧頂指針給調用者，調用者又將這個指針 傳遞給任務控制塊，并且放在任務控制塊數(shù)據(jù)結構的最前面，這樣就可以用匯 編語言來方便地進行讀寫。o s t a s k s t k l n i t 0 的函數(shù)原型為：o s s t k * o s t a s k s t k n i t ( v o i d ( 堆t a s k ) ( v o i d + p d ) ，v o i d 幸p d a t a ，o s s t k 木p t o s ，i n t l 6 uo p t ) ； o s t a s k s t k l n i t ( ) 函數(shù)返回一個棧頂指針給調用者，它需要四個參數(shù)： ( 1 ) t a s k 是任務代碼的指針； ( 2 ) p d a t a 是當任務開始執(zhí)行時傳遞給任務的參數(shù)的指針，圖10 2 描述了c 編譯器堆棧用堆棧傳遞參數(shù)的情況，其它情況本文不討論； ( 3 ) p t o s 是分配給任務堆棧的棧頂指針： 丁雌il上 ( 4 ) o p t 用于設定o s t a s k c r e a t e e x t ( ) 的選項，指定是否允許堆棧檢驗，是 否將堆棧清零，是否進行浮點操作等等。當用o s t a s k c r