移液器數據的自動傳輸處理系統

徐擎 黃莉 梁曉雄 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

移液器作為量出式量器，可分為分定量式移液器和可調移液器兩大類，廣泛用于醫院、衛生防疫站、輸血站、生化實驗室、環境實驗室、制藥實驗室的精密微量取樣。移液器檢定周期為一年，一個移液器大多數情況下需要檢定三個點，一個點需要檢定六次，每個點都需要計算平均值、誤差、重復性等數據，此過程耗時且繁瑣，工作強度很大，為解決上述問題，筆者研發了一套實用高效的移液器數據自動傳輸處理系統。

1 系統總體結構

系統由兩個模塊構成，如圖1所示。

藍牙模塊，其功能包括電源管理、藍牙通信、實時時鐘與閃存。數據處理模塊，其功能包括藍牙通信管理、數據解析、相關信息輸入、原始記錄生成與證書生成。除需要人工輸入移液器相關信息外，所有模塊都能自動完成相應操作。

圖1 系統方案模塊

2 處理系統

2.1 數據采集模塊

對于提供物理接口的電子天平可以直接與電腦連接進行數據通信；對于不支持的電子天平主要有兩種辦法。

1）圖像識別：使用攝像頭，將液晶屏上的數字轉換成文字輸入；

2）藍牙數據輸出：將藍牙通信模塊與液晶屏輸入并聯，將所有的數據無線傳輸到電腦。

方法一成本較高，使用環境受限，本文不展開論述。方法二需要一個藍牙模塊，使用板載供電，借助接一分二信號線將藍牙模塊輸入與液晶屏并聯，將所有輸入數據同步輸出到電腦。整個模塊和一元硬幣大小相近，可以很好地放入電子天平內，且不影響讀數。

2.1.1 藍牙通信芯片

藍牙通信芯片采用nRF51822芯片，具有體積小、功耗低、可獨立編程等優點。具體接線方式見圖2。

2.1.2 電源管理

對于提供板載3 V或液晶屏使用3 V電壓的電子天平可直接供電，對于不提供的天平，使用AMS1117芯片降壓之后再為藍牙芯片供電，如圖3所示。

2.2 數據處理模塊

2.2.1 數據解析

不同天平的液晶屏結構不同，使用的編碼方式也不同，藍牙輸出到電腦的數據無法直接讀取。在此設計了一套自校準程序，在質量不發生變化的情況下，藍牙輸出的是一段重復的字符串。在天平內放入盛有水且表面較大的容器，靜置。期間水蒸發，讀數緩慢下降，百分位、千分位、萬分位發生變化且速率不同，字符串中對應的位置也會由此變化。然后清零，再緩慢加入1 mL多的水，十分位發生了10次變化，個位從0變為1，由此確定個位與十分位，并可以獲得該顯示屏的編碼方式。自校準程序生成配置文件，至此，電腦能將藍牙輸出的亂碼有效地轉化成質量示值。此過程大約持續5～15 min。具體流程見圖4。

圖2 nRF51822芯片接線方式

圖3 3 V穩壓電路

2.2.2 數據傳輸

數據處理是基于MATLAB程序，模塊化設計，方便之后的修改與升級。數據處理由兩個子程序構成，數據傳輸流程如圖5所示。數據記錄程序提供數據預覽，在軟件數據查錯后再提供人工檢查的機會，最大程度的避免錯誤的發生。具體流程圖見圖5。

2.2.2 原始記錄與證書生成

檢定人員在相關信息界面，輸入檢定規程中規定的外觀檢查、密合性檢查、溫度、廠家編號、容量等項目，原始記錄與證書生成程序就能直接生成原始記錄、檢定證書、檢定結果通知書或者校準證書。具體流程見圖6。

圖4 數據解析的流程

圖5 數據傳輸的流程

圖6 原始記錄與證書生成的流程

3 程序

3.1 MATLAB生成Excel表格并實現數據處理

本項目使用MATLAB程序直接生成Excel文件并進行編輯，其好處是能夠完成更復雜的操作，不受模板限制，能夠完成加點、自動分頁等操作。其實現生成編輯Excel示例代碼如下：

if exist(filespec_user，'file')；

Workbook = Excel.Workbooks.Open(filespec_user)；

else

Workbook = Excel.Workbooks.Add；

Workbook.SaveAs(filespec_user)；

end

Sheets = Excel.ActiveWorkbook.Sheets；

Sheet1 = Sheets.Item(1)；

Sheet1.Activate；

3.2 MATLAB計算重復性與不確定度的程序編寫

對移液器進行檢定，需要給出相對誤差與重復性，相對誤差與重復性具體評定過程參考JJG 646-2006《移液器》。A1～A6為數據，B1為檢定點量值

EA=（A1+A2+A3+A4+A5+A6）/6；①

EA=roundn(EA，-4)；②

①EA為六次測量的平均值，

②將平均值保留四位小數。

E=[A1;A2;A3;A4;A5;A6;B1]* Kt；%Kt=1.002 858 ③

③根據六次質量值求出實際容量值。

XD=(B1-EA)/EA*100；④

XD=roundn(XD，-1)；%% ⑤

④XD為移液器容量相對誤差，

⑤將相對誤差保留一位小數。

CF=std([A1;A2;A3;A4;A5;A6]，1)；⑥

CF=roundn(CF*100，-1)；%% ⑦

⑥CF為移液器容量重復性，

⑦將重復性保留一位小數。

3.3 生成原始記錄與證書程序編寫

Sheet1.Range('A1:H1').MergeCells = 1；% 合并單元格

Sheet1.Range('A4:H14').Borders.Weight = 3；% 設置單元格的邊框

Sheet1.Range('A1:H9').HorizontalAlignment = 3；%設置單元格對齊方式

Sheet1.Range('A1').Value = '被測試點 /μL'；% 寫入單元格內容

使用以上四個基本語句進行循環嵌套，就可以自動繪制合適的Excel表格，完美適配單一量程，可調量程，與額外加點移液器。

4 實際預覽

表1、表2為程序自動生成的原始記錄與檢定證書預覽。

表1 程序自動生成的原始記錄預覽

表2 程序自動生成的檢定證書預覽

5 結語

移液器藍牙數據采集裝置硬件結構簡單，不影響測量結果；基于藍牙通信與MATLAB軟件對數據傳輸記錄，具有自動分析解碼等齊全的功能。產品的實用性強，能夠適配市場上大多數電子天平?；贛ATLAB的數據處理程序能夠快速準確地完成數據的后期處理、電子原始記錄與證書生成，大大減輕了檢定人員的勞動強度，工作效率極大提高，并填補了國內容量微量計量自動化方面的空白。