通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設計

　　該電子鼻儀器采用的嵌入式系統微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于A(yíng)RM7TDMI-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(xiàn)系統，先進(jìn)的向量中斷控制器(VIC)，支持多達32個(gè)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(gè)SSP和4路UART控制器等在內的串行接口，以及3個(gè)I2C總線(xiàn)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(gè)PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個(gè)通用定時(shí)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(shuō)，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設計為其在醫療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實(shí)的基礎。

　　系統設計中，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(dòng)模塊、PWM步進(jìn)電機控制模塊、鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)電源供電。

　　在對呼吸氣體檢測的實(shí)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(guān)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(shí)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(shù)的應用，能夠顯著(zhù)地降低儀器對標志氣體的檢測下限，約為0.1～0.5ppm。在單個(gè)傳感器無(wú)法完成對低濃度氣體的檢測時(shí)，傳感器陣列檢測技術(shù)、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動(dòng)速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對呼吸氣體檢測的任務(wù)。

　　軟件模塊

　　儀器軟件設計部分主要包括氣體進(jìn)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所示為軟件執行的具體流程。

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

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

　　進(jìn)樣過(guò)程最后，系統都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實(shí)時(shí)描繪在TFT液晶屏的T(時(shí)間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過(guò)程是由LPC2478的Timer2定時(shí)產(chǎn)生中斷實(shí)現的。傳感器響應曲線(xiàn)將在“數據分析”的第一頁(yè)重現，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(shí)驗的基礎上，可以通過(guò)該分析過(guò)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。