通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設計

　引言

　　通過人體的體液檢測健康狀況，這在臨床應用中已非常成熟，也確實為診斷過程提供了十分寶貴的信息，然而體液檢測一方面需要依賴于檢測試劑，成本較高，另一方面大部分檢測手段基于“有創(chuàng)”過程，均不適合進行較高頻率的檢測。作為身體健康狀況的另一條反映途徑，人體的呼吸氣體(肺呼吸氣體與消化道揮發(fā)氣體)也能反映一些重要的生理過程與代謝信息，且檢測的方法可以在一定程度上彌補前者的不足。

　　本設計的目的是利用以ARM7TDMI-S為核心的LPC2478處理器實現(xiàn)對電子鼻儀器系統(tǒng)的控制、對氣體檢測信號的分析與判別，以及實現(xiàn)在脫離PC機的情況下，提供友好的圖形用戶交互接口(GUI)，使用戶通過自己的操作就能掌握并記錄自己的身體健康狀況。

　　本設計初衷在于能將本系統(tǒng)應用于家庭成員人體健康體征的監(jiān)測，并主要著眼于檢測人體呼吸氣體中的乙醇、芳香烴類氣體化合物和由人體消化道揮發(fā)出的氣體硫化物、胺化物等的含量，從而為酗酒、吸煙人群以及呼吸道、胃腸道不適人群的健康狀況作直觀和方便的檢查。系統(tǒng)在線實現(xiàn)對氣體檢測信號的主成份分析(PCA)，而由于需要大量的樣本訓練過程，故系統(tǒng)將人工神經網絡(ANN)對氣體進一步分析的原始數據通過USB Host寫入U盤中，以便于數據的移植，而將數據拷貝至SD存儲卡中，則便于將用戶長期觀察的結果存檔。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)

　　系統(tǒng)對人體呼吸氣體的檢測主要是通過高效的氣路及其控制得以實現(xiàn)的。對于進樣的氣體，系統(tǒng)有兩種不同的檢測手段：對于較高濃度的氣體，步進電機驅動六通閥，切換至“直接進樣”狀態(tài)，即氣體由進樣口進入氣室，在氣室中與處于加熱狀態(tài)的金屬氧化物氣體傳感器陣列(Gas Sensor Array)接觸;而對于較低濃度的氣體，六通閥將切換至“吸附進樣”狀態(tài)，即氣體從進樣口進入氣路之后，在吸附解吸附單元(EDU)中進行富集(常溫)，并在富集程序完畢之后，載氣由載氣口進入，將標志物氣體從PID控溫狀態(tài)下的EDU中帶出，并進入氣室，這是本系統(tǒng)實現(xiàn)氣體檢測功能基本的檢測原理與流程。在這個過程中需要LPC2478對氣路狀態(tài)(六通閥切換、EDU控溫、真空泵抽氣速率與氣體傳感器陣列信號采樣等)進行全程監(jiān)控與測量，并通過TFT液晶、鍵盤陣列與用戶實現(xiàn)友好的交互。

　　在檢測得到氣體信號之后，需要LPC2478對數據進行主成份分析(PCA)，通過數學建模的方法，本設計改進了傳統(tǒng)PCA分析的算法，并將數據變換為在兩維主成份坐標系中的“點群”，利用這些點群，對樣本氣體中的主成份進行聚類判斷。

　　在氣體檢測的整個過程中，均需要為氣體在氣路中的流動提供動力，本系統(tǒng)利用LPC2478的10位DAC對真空泵的驅動電路進行控制，在實現(xiàn)對真空泵轉速調節(jié)的同時，對氣路中氣體的流動速度進行較為精確的控制，一方面適應“吸附進樣”過程中氣體吸附的速率，另一方面又能兼顧氣體與傳感器充分接觸時傳感器的響應時間。

　　硬件平臺

　　該呼吸氣體檢測電子鼻實驗樣機采用了廣州致遠電子有限公司生產的SmartARM2400開發(fā)板和項目小組自制的擴展板，以實現(xiàn)對氣路硬件模塊的控制和模擬信號的前置處理等功能。氣路硬件模塊包括吸附解吸附單元、真空泵、六通閥、電磁閥、步進電機、氣室(TGS系列金屬氧化物氣體傳感器陣列)以及氣體采樣袋等。系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖1所示。

　該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產、基于ARM7TDMI-S內核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進的向量中斷控制器(VIC)，支持多達32個向量中斷，優(yōu)秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2個SSP和4路UART控制器等在內的串行接口，以及3個I2C總線接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲卡接口、10位ADC、10位DAC、2個PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個通用定時器/計數器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳?？梢哉f，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設計為其在醫(yī)療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實的基礎。

　　系統(tǒng)設計中，主要應用到LPC2478功能模塊有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。將LPC2478的控制、輸入模塊與擴展板上的氣體、溫度信號采樣電路、D/A控制真空泵驅動模塊、PWM步進電機控制模塊、鍵盤陣列模塊、EDU與氣體傳感器加熱控制模塊以及電磁閥控制模塊相互連接，從而構成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎。整臺儀器是由220V的開關電源供電。

　　在對呼吸氣體檢測的實際應用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設計的關鍵，表1列出的是樣機設計階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應的氣體濃度檢測范圍。

　　在實際的人體呼吸氣體中，標志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測技術的應用，能夠顯著地降低儀器對標志氣體的檢測下限，約為0.1～0.5ppm。在單個傳感器無法完成對低濃度氣體的檢測時，傳感器陣列檢測技術、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對呼吸氣體檢測的任務。

　　軟件模塊

　　儀器軟件設計部分主要包括氣體進樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數據傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

　　在氣體進樣控制流程中包括直接進樣流程與吸附進樣流程，兩個流程的切換是基于對氣體濃度的定性判斷。同時，氣路切換是由LPC2478控制步進電機帶動六通閥實現(xiàn)的。

　　吸附進樣相比于直接進樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實現(xiàn)對低濃度樣本氣體的檢測。而在進樣過程結束之后，系統(tǒng)均會程序化執(zhí)行“降溫延時”與“沖洗氣路”流程，為下一次進樣做好準備。

　　進樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實時描繪在TFT液晶屏的T(時間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時產生中斷實現(xiàn)的。傳感器響應曲線將在“數據分析”的第一頁重現(xiàn)，并對一次采樣結束之后的數據作主成份分析，在標準氣體實驗的基礎上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結果顯示在液晶屏幕上。

　該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產、基于ARM7TDMI-S內核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進的向量中斷控制器(VIC)，支持多達32個向量中斷，優(yōu)秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2個SSP和4路UART控制器等在內的串行接口，以及3個I2C總線接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲卡接口、10位ADC、10位DAC、2個PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個通用定時器/計數器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳。可以說，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設計為其在醫(yī)療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實的基礎。

　　系統(tǒng)設計中，主要應用到LPC2478功能模塊有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。將LPC2478的控制、輸入模塊與擴展板上的氣體、溫度信號采樣電路、D/A控制真空泵驅動模塊、PWM步進電機控制模塊、鍵盤陣列模塊、EDU與氣體傳感器加熱控制模塊以及電磁閥控制模塊相互連接，從而構成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎。整臺儀器是由220V的開關電源供電。

　　在對呼吸氣體檢測的實際應用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設計的關鍵，表1列出的是樣機設計階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應的氣體濃度檢測范圍。

　　在實際的人體呼吸氣體中，標志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測技術的應用，能夠顯著地降低儀器對標志氣體的檢測下限，約為0.1～0.5ppm。在單個傳感器無法完成對低濃度氣體的檢測時，傳感器陣列檢測技術、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對呼吸氣體檢測的任務。

　　軟件模塊

　　儀器軟件設計部分主要包括氣體進樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數據傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

　　在氣體進樣控制流程中包括直接進樣流程與吸附進樣流程，兩個流程的切換是基于對氣體濃度的定性判斷。同時，氣路切換是由LPC2478控制步進電機帶動六通閥實現(xiàn)的。

　　吸附進樣相比于直接進樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實現(xiàn)對低濃度樣本氣體的檢測。而在進樣過程結束之后，系統(tǒng)均會程序化執(zhí)行“降溫延時”與“沖洗氣路”流程，為下一次進樣做好準備。

　　進樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實時描繪在TFT液晶屏的T(時間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時產生中斷實現(xiàn)的。傳感器響應曲線將在“數據分析”的第一頁重現(xiàn)，并對一次采樣結束之后的數據作主成份分析，在標準氣體實驗的基礎上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結果顯示在液晶屏幕上。

通過“數據傳輸”功能，可以把傳感器陣列對樣本氣體的響應值記錄下來，在USB HOST控制器的管理下，將需要記錄的數據值寫入USB設備中，這些數據可以作為PC人工神經網絡(ANN)分析的原始數據，在提供訓練案例的前提下，也希望PC通過ANN分析能給出更為準確的診斷結果。系統(tǒng)也可以對SD卡讀寫數據，其中記錄了每一次樣本氣體分析的數據和PCA分析的結果，這有利于為用戶形成長期觀察的病歷記錄。通過UART，系統(tǒng)與PC相連接，在PC上利用自己開發(fā)編寫的串口通訊軟件對電子鼻儀器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并以數據庫的形式對這些數據進行管理。

　　以上過程在涉及到具體操作時，系統(tǒng)都將利用LPC2478強大的彩色液晶控制器與用戶實現(xiàn)交互，使整個呼吸氣體檢測的過程透明化，用戶可以通過系統(tǒng)的提示，經過簡單的操作完成對身體健康狀況的監(jiān)測。如圖3所示為液晶顯示的主要操作界面。

　　結語

　　本設計的通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器是定位于家庭使用，為那些長期酗酒、吸煙和因此導致呼吸道、胃腸道不適的人群以及其他生理性、病理性胃腸道不適或炎癥的用戶群體設計，儀器采用了NXP最新研發(fā)的LPC2478微處理器，充分利用其彩色液晶控制器、內部ADC、DAC、PWM、Timer等功能模塊，完成對呼吸氣體的檢測和基于PCA的診斷分析，并結合USB HOST與SD讀寫控制器完成數據的移植與傳輸，使整個電子鼻檢測儀器的功能得到完善。圖4為呼吸氣體檢測電子鼻儀器的實驗樣機。

　　用戶在使用該儀器對自己的呼吸氣體進行檢測之前，只需要用氣袋收集空腹時的“吹氣”，然后按照系統(tǒng)操作的提示完成進樣與檢測，易于使用，并通過無創(chuàng)和低成本的操作過程完成對自身健康狀況的檢測與記錄。