分光測(cè)色儀硬件設(shè)計(jì)方案

醫(yī)學(xué)診斷市場(chǎng)持續(xù)高速增長(zhǎng)，自疫情以來(lái)，這塊市場(chǎng)更備受關(guān)注。技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司，深耕醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品多年，本次我們通過(guò)世健公司邀請(qǐng)了來(lái)自專(zhuān)業(yè)醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品企業(yè)的工程師儲(chǔ)工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例。該公司是一家專(zhuān)業(yè)從事醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售及服務(wù)的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，主要產(chǎn)業(yè)為體外診斷試劑、儀器及獨(dú)立第三方醫(yī)學(xué)診斷服務(wù)。產(chǎn)品線涵蓋生化、發(fā)光、血球、尿液、質(zhì)譜、分子診斷、血脂亞組分檢測(cè)VAP和POCT等。而儲(chǔ)工有著豐富的設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn).

這個(gè)實(shí)戰(zhàn)案例主要是設(shè)計(jì)一個(gè)分光測(cè)色儀的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光源、光接收器、信號(hào)處理器等組成，基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長(zhǎng)LED，對(duì)于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設(shè)計(jì)恒流源電路和恒溫控制電路。

圖1

1、恒流源電路方案設(shè)計(jì)

對(duì)于小功率的恒流源設(shè)計(jì)，最常用的就是運(yùn)放 + 場(chǎng)管方案。電路如圖2所示，該方案由分立元件組成，運(yùn)放、三極管、電阻的電氣參數(shù)一致性及溫漂會(huì)極大的影響恒流源的精度，影響因素較多難以控制。

圖2

ADI公司旗下有一款產(chǎn)品（型號(hào)：LT3092）單芯片集成了多個(gè)元件，使器件一致性和溫漂更容易控制，成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿足小功率恒流源的需求；超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓（1.2V~40V）使得電源電壓設(shè)計(jì)更具兼容性；內(nèi)部更有高精度微恒流源（10uA），結(jié)合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內(nèi)部原理圖如圖3。

圖3

圖4

若無(wú)需更改恒流源電流，則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可。若想實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流，RSET可選用數(shù)字電位器（如ADI公司產(chǎn)品AD5610），用MCU來(lái)控制。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC，用MCU直接控制更是一種方便簡(jiǎn)單又省成本的方案，如圖4。

由于分光測(cè)色儀用到多個(gè)不同波長(zhǎng)的LED，可以讓每個(gè)LED配上一個(gè)恒流源，當(dāng)然更好的方案是只用一個(gè)恒流源然后用模擬開(kāi)關(guān)切換通道，這樣更省成本。ADI公司有一款產(chǎn)品（型號(hào)ADG452）單芯片集成4通道模擬開(kāi)關(guān)。較低的導(dǎo)通電阻（4Ω）；每通道100mA的工作電流；快速的開(kāi)關(guān)頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）。電氣性能完全滿足設(shè)計(jì)需求，方案電路實(shí)現(xiàn)如圖5。

圖5

2、恒溫控制電路方案設(shè)計(jì)

恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護(hù)器 + 控制器構(gòu)成，如圖6。溫度開(kāi)關(guān)用于加熱失控時(shí)的過(guò)溫保護(hù)，MCU接受來(lái)自溫度傳感器的反饋，利用PID算法去控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出，達(dá)到恒溫控制的目的。

圖6

加熱器可以是恒壓驅(qū)動(dòng)，用場(chǎng)管作為開(kāi)關(guān)，MCU用PWM方式控制調(diào)節(jié)。但由于PWM方式控制頻率較高且信號(hào)存在突變，會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)造成較大的噪聲干擾，進(jìn)而影響用于精密測(cè)量的模擬電路。另一種方案是采用恒流驅(qū)動(dòng)加熱器，借鑒上述LED恒流源電路方案，選擇輸出電流更大的恒流源芯片（如ADI公司產(chǎn)品LT3085），輸出電流達(dá)500mA，其他參數(shù)、功能與LT3092類(lèi)似，功能框圖如圖7。

圖7

配上數(shù)字電位器，MCU可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流變化，以控制加熱器的功率輸出。并且恒流方式調(diào)節(jié)頻率低、過(guò)程平緩不會(huì)引起電壓信號(hào)的突變。部分電路原理圖如圖8。

圖8

加熱功率計(jì)算：P = I²*R（I為恒流源電流，R為加熱器電阻）

I = 10uA * R_W / R₅₃（微恒流源電流*數(shù)字電位器/采樣電阻）

溫度傳感器可以選擇線性好、精度高的PT100。對(duì)于PT100的驅(qū)動(dòng)電路，需要設(shè)計(jì)恒流源，信號(hào)放大電路，再加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬器件分立且數(shù)量較多，硬件成本較高，對(duì)于PCB面積受限的應(yīng)用也不好布局，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品（型號(hào)：AD7124-4），集成程控放大器（增益編程范圍為1~128），可以直接連接小信號(hào)傳感器而無(wú)需放大電路；內(nèi)置激勵(lì)電流源（設(shè)置范圍50 μA~1 mA），正好方便給溫度傳感器供電；高達(dá)19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，足夠以高分辨率采集溫度數(shù)據(jù)。應(yīng)用AD7124-4設(shè)計(jì)的PT100驅(qū)動(dòng)電路原理圖詳見(jiàn)圖9。

圖9

PT100采用4線制，兩線用于信號(hào)采集，兩線用于激勵(lì)源通電流，這樣無(wú)論信號(hào)線多長(zhǎng)，都可以消除線電阻對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響。流經(jīng)RTD的電流也會(huì)流過(guò)精密基準(zhǔn)電阻，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例，因此，激勵(lì)電流的波動(dòng)會(huì)被消除。

3、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路一般采用光電二極管（PD） + 運(yùn)放 + 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）方案（如圖10）。由PD采集反射光，由運(yùn)放流壓轉(zhuǎn)換并放大信號(hào)，然后ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給MCU。由于PD工作于光伏模式，因此負(fù)責(zé)流壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)放需要超低偏置電流；為了提高分辨率，ADC需要盡量高的處理位數(shù)。

圖10

考慮使用多個(gè)高性能分立器件硬件成本過(guò)高，在性能達(dá)標(biāo)的條件下可以盡量選擇集成度高的器件。ADI旗下有一款產(chǎn)品（型號(hào)：ADPD2211），自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度，省去了外置運(yùn)放；極好的脈沖響應(yīng)（典型帶寬達(dá)400KHz）；超低電流噪聲（90fA/√Hz）。其內(nèi)部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換，省去眾多的外圍電路。其功能框圖如圖11。

圖11

4、MCU選型

市面上MCU以內(nèi)核區(qū)分主要是51內(nèi)核和ARM內(nèi)核，還有部分是個(gè)某些廠家自研的內(nèi)核。當(dāng)選擇同一內(nèi)核的MCU時(shí)，各大廠家的產(chǎn)品卻都大同小異，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結(jié)合的產(chǎn)品（型號(hào)：ADuCM361）其內(nèi)部資源框圖如圖12，結(jié)合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有。

圖12

ADuCM361內(nèi)置32 位ARM Cortex-M3^? 處理器，常見(jiàn)的外設(shè)如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成，非常方便使用；自帶一個(gè)片內(nèi)32 kHz 振蕩器和一個(gè)內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器使硬件設(shè)計(jì)可以省去外部晶振電路；最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可在全差分和單端模式下工作，ADC模塊集成硬件濾波器，可以選擇配置高速濾波器來(lái)進(jìn)行步進(jìn)變化檢測(cè)，也可選擇低速濾波器用于精密測(cè)量；內(nèi)置一個(gè)低噪聲、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可選擇外部基準(zhǔn)電壓源；附帶的可編程激勵(lì)電流源，可以應(yīng)用于許多電流驅(qū)動(dòng)型的傳感器。

ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似，方案本身就需要MCU 作為信號(hào)處理模塊，若選擇ADuCM361，則可以省去AD7124-4，ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿足光電數(shù)據(jù)采集、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)，DAC控制光源恒流源并可以微調(diào)電流，SPI控制數(shù)字電位器來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加熱器電流達(dá)到恒溫目的。