基于恩智浦LPC2148的微型尿液分析儀的設(shè)計(jì)

摘要： 尿液分析儀是通過檢測人體尿液中相關(guān)成分來判斷人體健康的一種醫(yī)療儀器。采用無創(chuàng)傷、非介入檢測方法，能夠有效地檢查身體狀況。

關(guān)鍵詞： 尿液分析；試紙；CCD；光纖；LPC2148；嵌入式系統(tǒng)

項(xiàng)目概述

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的微型尿液分析儀可以檢測尿液的十種參數(shù)，包括白細(xì)胞、亞硝酸鹽、尿膽原、蛋白質(zhì)、PH值、潛血、比重、酮體、膽紅素和葡萄糖。

　　在用戶把浸沒了尿液的試紙條放入儀器后，通過LPC2148控制LED光源進(jìn)行分時(shí)發(fā)光，然后反射光通過光纖照射到CCD上，經(jīng)過信號(hào)的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在微處理器中經(jīng)過歸一化的算法，將結(jié)果輸出至LCD進(jìn)行顯示，或者根據(jù)需要傳輸至PC。并可以利用以太網(wǎng)接口連接Internet，方便建設(shè)一個(gè)健康檢測網(wǎng)絡(luò)。不用復(fù)雜的操作便可以得到醫(yī)生的診斷，十分適合家庭用戶的使用。
　　通過設(shè)計(jì)新的儀器結(jié)構(gòu)和檢測方法，使儀器精度達(dá)到或超過國內(nèi)醫(yī)院使用較多的尿液分析儀的水平，把體積減小到170×110×120mm左右，并把測量1次所用的時(shí)間控制在10秒內(nèi)。用戶可以通過觸摸屏進(jìn)行直觀的操作，也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)讓醫(yī)生進(jìn)行尿液分析結(jié)果的診斷。最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人—儀器—醫(yī)療機(jī)構(gòu)一體化的健康檢測網(wǎng)絡(luò)。
      
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

　　尿液中包含了表征人體健康的多種物質(zhì)，將特殊設(shè)計(jì)的試紙浸入到尿液中，試紙條上不同區(qū)域的物質(zhì)會(huì)與尿液中相應(yīng)的成分發(fā)生反應(yīng)并表現(xiàn)出不同顏色。LED將光照射到試紙條上后，由于試紙條上不同區(qū)域的顏色不同，所以反射光的光譜和強(qiáng)度也會(huì)有所不同，用CCD來檢測通過光纖傳輸?shù)姆瓷涔獾膹?qiáng)度，就能得到試紙的顏色信息，從而鑒別出尿液的成分，進(jìn)而獲取人體的健康信息。

　　嵌入式尿液分析儀系統(tǒng)主要包含了主控制器、電源及復(fù)位、LCD觸摸屏、光電檢測模塊、LED、CPLD、CCD、USB和以太網(wǎng)等8個(gè)功能部分。主控制器芯片采用了高集成度的LPC2148微處理器，芯片內(nèi)部集成的USB控制器可用來供電和傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號(hào)，內(nèi)部集成PWM功能用于驅(qū)動(dòng)LED，其它通用I/O口用于控制LCD觸摸屏、以太網(wǎng)等相關(guān)模塊。LPC2148外部只用加入很少的芯片就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，使體積減小，功耗降低。

硬件平臺(tái)詳述

　　圖1  硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖1  尿液分析儀原理框圖

　　a) 硬件模塊描述

　　嵌入式微型尿液分析儀系統(tǒng)的硬件部分主要由光電檢測模塊、嵌入式主控模塊、LED光源模塊、CCD模塊組成。由主控模塊進(jìn)行控制另外3個(gè)模塊共同工作，共同實(shí)現(xiàn)儀器的功能。

　　嵌入式主控模塊采用了基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2148，集成度非常高。內(nèi)嵌40kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器，片內(nèi)集成ADC、DAC轉(zhuǎn)換器，看門狗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，2個(gè)UART，2個(gè)I2C還有SPI等多個(gè)總線接口，及USB2.0全速接口。方便擴(kuò)展USB接口、JTAG調(diào)試接口、觸摸屏，外擴(kuò)芯片少，而且采用超小的LQFP64封裝，使得儀器的微型化得到了保證。而且電路相對(duì)簡單，降低了開發(fā)和生產(chǎn)的成本。芯片可以實(shí)現(xiàn)最高60MHz的工作頻率，有著較強(qiáng)的功能，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS—II及人性化的人機(jī)界面的要求。本設(shè)計(jì)中LPC2148所有的接口都有使用。

　　以太網(wǎng)接口部分采用了具有SPI接口的集成MAC 和10 BASE-T PHY的ENC28J60。大大地減小了主控制器I/O口的開銷。ENC28J60 符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機(jī)制以對(duì)傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。 它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算。 與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI 實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。兩個(gè)專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)狀態(tài)指示。

圖2  以太網(wǎng)接口電路圖

　　LED模塊采用了20個(gè)6種波長的LED。多波長的設(shè)計(jì)使得測量更有針對(duì)性，測量數(shù)據(jù)更有效。我們的設(shè)計(jì)能夠通過CCD測量的每個(gè)LED的亮度，然后由LPC2148通過點(diǎn)校正功能控制通過LED電流的大小，從而使LED之間的亮度保持一致，進(jìn)一步提高測量的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)使用的網(wǎng)絡(luò)芯片是帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，占用MCU的I/O口較少。

　　CCD模塊主要包括整機(jī)電源、CPLD、線陣CCD傳感器、運(yùn)算放大器和高精度AD轉(zhuǎn)換器。