基于XMEGA的便攜式電解質(zhì)分析儀的設(shè)計(jì)

電解質(zhì)分析儀可測(cè)定生物標(biāo)本如血清、血漿、全血及稀釋尿液中的值鉀(K)、鈉(Na)、氯(C1)、鈣(Ca)、PH值等，并通過(guò)計(jì)算提供標(biāo)準(zhǔn)化離子鈣(nCa)、總鈣(TCa)，在臨床上具有較重要的意義。自80年代汽巴康寧，奧林巴斯等國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)后，國(guó)產(chǎn)電解質(zhì)分析儀迅速跟進(jìn)，并研制出一批性能較高的產(chǎn)品。近幾年隨著一些突發(fā)事件的發(fā)生(如：汶川大地震)，對(duì)便攜式醫(yī)療儀器的需求大大增加，便攜式電解質(zhì)
分析儀就是其中之一。
    這里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)的由電池供電的便攜式電解質(zhì)分析儀，可以滿足野外使用需求。

1 XMEGA簡(jiǎn)介
    XMEGA是8位AVR微處理器的強(qiáng)勁性能升級(jí)版本。XMEGA采用第二代picoPower技術(shù)，是唯一真正使用1．6 V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并具有快速12位模擬功能、1個(gè)DMA控制器、1個(gè)創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，以及1個(gè)AES加密引擎，全部都無(wú)需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)性能。XMEGAl28微控制器的閃存容量為128 Kb，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1．6～3．6 V，32 MHz頻率下處理性能可達(dá)到32 MI／s。
    由于XMEGAl28的內(nèi)部豐富的資源和強(qiáng)勁的性能。使其非常適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。該便攜式電解質(zhì)分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器，使得整個(gè)系統(tǒng)外圍器件大大減少，在降低成本的同時(shí)又提高了系統(tǒng)安全性、可靠性。XMEGAl28較大的程序存儲(chǔ)空間能夠滿足電解質(zhì)分析儀的大量軟件代碼的存放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)是以ATxmegal28Al微處理器為核心，外圍連接有顯示、按鍵、打印機(jī)、傳感器放大盒、電源、通訊等模塊，其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    [!--empirenews.page--]顯示部分采用320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Al總線驅(qū)動(dòng)，為用戶提供更多直觀信息，也使操作更方便。嵌入式微型打印機(jī)采用迅普公司的微型熱敏打印機(jī)，便于野外現(xiàn)場(chǎng)輸出文檔型資料，也直接由ATxmegal28A1的總線驅(qū)動(dòng)。
2．1 傳感器調(diào)理放大電路
    該分析儀的樣品液經(jīng)高分子膜傳感器測(cè)量后得到的電信號(hào)的幅度很小，在-250～250 mV之間，無(wú)法直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。因此，需要對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大處理。在電路的設(shè)計(jì)上，為了與離子選擇電極的高內(nèi)阻相匹配，采用CA3140集成運(yùn)算放大器作為一級(jí)放大，二級(jí)放大采用高精度低漂移的HAl7741運(yùn)算放大器。

    如圖2所示，采用3個(gè)運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路，前段有2個(gè)高輸入阻抗的CA3140構(gòu)成差動(dòng)輸入。后端的HAl7741實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器，其增益近似為1。為了保證放大器的精度，負(fù)反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻，且電路閉環(huán)增益不太大。同時(shí)為防止電路板表面的漏電流，對(duì)電路板進(jìn)行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環(huán)境下工作，對(duì)電路板還進(jìn)行了防潮處理和電子屏蔽。
    電極信號(hào)有鉀、鈉、氯、鈣和pH共5路，分別經(jīng)各自的放大電路后連接到ATxmegal28A1微處理器的A／D模塊端口。
2．2 鍵盤(pán)接口
    為便于用戶使用，該系統(tǒng)共36個(gè)按鍵，其中有26個(gè)英文字母按鍵、4個(gè)快速功能按鍵、4個(gè)方向按鍵以及確定和取消按鍵，這些按鍵制作成6x6的薄膜開(kāi)關(guān)按鍵。所有按鍵均有CH452器件控制，這樣可降低主處理器的工作負(fù)擔(dān)，大大簡(jiǎn)化了軟件編寫(xiě)程序。CH452內(nèi)置64鍵鍵盤(pán)控制器，基于8x8矩陣鍵盤(pán)掃描；內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻；內(nèi)置去抖動(dòng)電路；鍵盤(pán)中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出；提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放；支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452可以被部分按鍵喚醒。

    圖3為基于CH452的鍵盤(pán)接口電路。為了防止按鍵被按下后，CH452的SEG信號(hào)線與DIG信號(hào)線形成短路，在CH452的DIG0～DIG5引腳與鍵盤(pán)矩陣之間串聯(lián)有限流電阻，圖3中R40～R46，其阻值為10 kΩ。CH452采用4線制與主處理器ATxmegal28A1鏈接，占用主處理器1個(gè)中斷接口和
l組SPI接口。
2．3 USB通訊接口
    為便于儀器現(xiàn)場(chǎng)使用方便，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)外信息輸送的USB接口，可使儀器便捷地與各類存儲(chǔ)器及電腦連接。其中，USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主機(jī)方式和USBDEVICE／SLAVE設(shè)備方式。在本地端CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可方便地掛接到ATxmegal28Al微控制器的系統(tǒng)總線上。圖4為CH375與主控制器的連接電路，CH375的TXD引腳直接接地，從而使CH375工作于并口方式。電容C1201用于CH375內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，采用0．01μF的高頻瓷片電容，可提高接口的EMI要求。電容C47和C1202用于外部電源退耦，采用0．1μF的高頻瓷片電容。晶體X11、電容C1203和C1204用于CH375的時(shí)鐘振蕩電路。USB-HOST主機(jī)方式要求時(shí)鐘頻率比較準(zhǔn)確，X11的頻率是12 MHz±0．4‰，C1203和C1204是容量約為15 pF的獨(dú)石電容。LEDl為數(shù)據(jù)傳送指示燈，用戶可以直觀觀察數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用ATMEL公司提供的AVRStudio開(kāi)發(fā)環(huán)境，并在該開(kāi)發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌了支持C語(yǔ)言的GCC。分析儀軟件全部采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，這樣開(kāi)發(fā)周期縮短，維護(hù)便捷。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用層次化模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為兩個(gè)層次，第l層是按照硬件各個(gè)功能模塊編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和接口程序，包括液晶顯示、打印機(jī)、按鍵處理、步進(jìn)電機(jī)、A／D采集轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)時(shí)鐘、檢測(cè)和電源管理等模塊；第2層是在第1層的基礎(chǔ)上按照使用功能編寫(xiě)的應(yīng)用程序模塊，有主菜單、樣本分析、質(zhì)控分析、質(zhì)控統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)定、系統(tǒng)校準(zhǔn)、電極清洗、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及查詢和系統(tǒng)自檢等模塊。圖5中給出系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程。

4 結(jié)論
    該設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀已經(jīng)完成樣機(jī)制作，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，由于采用先進(jìn)的Xmega微控制器為核心，系統(tǒng)整體功耗較低，使用36 V10Ah的鋰電池供電可以連續(xù)工作8小時(shí)左右。樣機(jī)已經(jīng)通過(guò)了GE認(rèn)證的電磁兼容測(cè)試，表明該儀器有較好的抗干擾能力。由此可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀完全適應(yīng)野外工作的需求。