NXP LPC2148微型尿液分析儀設計方案

項目概述

我們設計的微型尿液分析儀可以檢測尿液的十種參數，包括白細胞、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(hù)把浸沒(méi)了尿液的試紙條放入儀器后，通過(guò)LPC2148控制LED光源進(jìn)行分時(shí)發(fā)光，然后反射光通過(guò)光纖照射到CCD上，經(jīng)過(guò)信號的采集和模數轉換，并在微處理器中經(jīng)過(guò)歸一化的算法，將結果輸出至LCD進(jìn)行顯示，或者根據需要傳輸至PC。并可以利用以太網(wǎng)接口連接Internet，方便建設一個(gè)健康檢測網(wǎng)絡(luò )。不用復雜的操作便可以得到醫生的診斷，十分適合家庭用戶(hù)的使用。

通過(guò)設計新的儀器結構和檢測方法，使儀器精度達到或超過(guò)國內醫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。用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏進(jìn)行直觀(guān)的操作，也可以通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )讓醫生進(jìn)行尿液分析結果的診斷。最終實(shí)現個(gè)人—儀器—醫療機構一體化的健康檢測網(wǎng)絡(luò )。

系統實(shí)現原理

尿液中包含了表征人體健康的多種物質(zhì)，將特殊設計的試紙浸入到尿液中，試紙條上不同區域的物質(zhì)會(huì )與尿液中相應的成分發(fā)生反應并表現出不同顏色。LED將光照射到試紙條上后，由于試紙條上不同區域的顏色不同，所以反射光的光譜和強度也會(huì )有所不同，用CCD來(lái)檢測通過(guò)光纖傳輸的反射光的強度，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主要包含了主控制器、電源及復位、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，芯片內部集成的USB控制器可用來(lái)供電和傳輸數據，內部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號，內部集成PWM功能用于驅動(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)現了系統的功能，使體積減小，功耗降低。

硬件平臺詳述

圖1 硬件設計框圖

a) 硬件模塊描述

嵌入式微型尿液分析儀系統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)現儀器的功能。

嵌入式主控模塊采用了基于A(yíng)RM7TDMI-S內核的微控制器LPC2148，集成度非常高。內嵌40kB的片內靜態(tài)RAM和512kB的片內Flash存儲器，片內集成ADC、DAC轉換器，看門(mén)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(xiàn)接口，及USB2.0全速接口。方便擴展USB接口、JTAG調試接口、觸摸屏，外擴芯片少，而且采用超小的LQFP64封裝，使得儀器的微型化得到了保證。而且電路相對簡(jiǎn)單，降低了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的成本。芯片可以實(shí)現最高60MHz的工作頻率，有著(zhù)較強的功能，能夠滿(mǎn)足嵌入式系統μC/OS—II及人性化的人機界面的要求。本設計中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(kāi)銷(xiāo)。ENC28J60 符合IEEE 802.3 的全部規范，采用了一系列包過(guò)濾機制以對傳入數據包進(jìn)行限制。 它還提供了一個(gè)內部DMA 模塊，以實(shí)現快速數據吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。 與主控制器的通信通過(guò)兩個(gè)中斷引腳和SPI 實(shí)現，數據傳輸速率高達10 Mb/s。兩個(gè)專(zhuān)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(cháng)的LED。多波長(cháng)的設計使得測量更有針對性，測量數據更有效。我們的設計能夠通過(guò)CCD測量的每個(gè)LED的亮度，然后由LPC2148通過(guò)點(diǎn)校正功能控制通過(guò)LED電流的大小，從而使LED之間的亮度保持一致，進(jìn)一步提高測量的準確性。本設計使用的網(wǎng)絡(luò )芯片是帶SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器，占用MCU的I/O口較少。

CCD模塊主要包括整機電源、CPLD、線(xiàn)陣CCD傳感器、運算放大器和高精度AD轉換器。

軟件模塊描述

本設計軟件部分主要分成觸摸屏及LCD模塊、A/D模塊、LED控制模塊和網(wǎng)絡(luò )模塊。本設計采用帶觸摸屏的LCD顯示器，主要實(shí)現菜單選擇、按鍵操作、測量的數據及狀態(tài)顯示，為本設計的操作帶來(lái)極大的方便，讓使用者在輕松、愉快的環(huán)境下使用本產(chǎn)品，是本設計的一大亮點(diǎn)。

本設計可以采用外部A/D或LPC2148內部自帶的10位A/D轉換器，根據本設計對數據精度的要求，采用2148自帶的A/D。該模塊主要是檢測CPLD模塊產(chǎn)生的SH信號，當該信號為高時(shí)，處理檢測數據，同時(shí)設置啟動(dòng)A/D轉換的條件，在SH下降沿到來(lái)時(shí)重新啟動(dòng)A/D進(jìn)行下次測量，直到檢測結束。在該模塊中，還有一個(gè)重要的任務(wù)—數據處理，在這里，每個(gè)參數每次采集多組數據，求出平均值，同時(shí)與標準數據進(jìn)行比較，判斷參數是否屬于正常范圍，并且增加了有無(wú)試紙的軟件識別。

LED控制模塊是通過(guò)恒流帶點(diǎn)校正功能的LED驅動(dòng)芯片控制不同波長(cháng)的LED的亮度、顯示順序及顯示的時(shí)間，使光纖采集到不同參數的光信號，輸入到CCD模塊。

在網(wǎng)絡(luò )傳輸層有兩個(gè)協(xié)議傳輸數據，傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數據報協(xié)議UDP，TCP協(xié)議是面向對象的協(xié)議，可靠性高，但是費用也高；UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費用的傳輸層協(xié)議。UDP是最簡(jiǎn)單的協(xié)議，具有以下特點(diǎn)：無(wú)連接、不可靠、提供應用層協(xié)議標識、提高UDP報的校驗和、以及緩沖和分段。Socket接口函數是TCP/IP的API。使用Socket接口函數編寫(xiě)通信的任務(wù)時(shí)，分服務(wù)器和客戶(hù)機兩種方式。服務(wù)器方式是先接受到數據再進(jìn)行處理，而客戶(hù)機則是先發(fā)生數據然后等待回應處理，它們所用到的socket API 函數是相同的。
結語(yǔ)

這是一種針對家庭用戶(hù)設計的基于嵌入式的微型 尿液分析儀，采用了恩智浦半導體(NXP Semiconductors) 高集成度的LPC2148微處理器，芯片內部集成的USB控制器可用來(lái)供電和傳輸數據，內部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號，內部集成SPI接口用于觸摸屏和以太網(wǎng)的通訊。復位部分采用了NXP公司的74HC125。

儀器通過(guò)檢測尿液中的10項成分來(lái)診斷人體的健康狀況。在用戶(hù)把浸過(guò)了尿液的 試紙條放入儀器后，通過(guò)LPC2148控制多波長(cháng)LED進(jìn)行分時(shí)發(fā)光，然后反射光通過(guò)光纖照射到CCD上，經(jīng)過(guò)信號的采集和模數轉換，并在LCP2148中經(jīng)過(guò)歸一化的算法，將結果輸出至LCD進(jìn)行顯示，或者根據需要傳輸至PC。

本儀器的創(chuàng )新在于整個(gè)過(guò)程使用觸摸屏來(lái)進(jìn)行操作，具有友好的人機交互接口。設計的一種光電檢測系統，消除了傳統 尿液分析儀機械傳動(dòng)引起的誤差，并減小了體積和功耗。后續工作可以對以太網(wǎng)部分做進(jìn)一步的研究，使得遠程醫療得到實(shí)現，適合家庭用戶(hù)的使用。

圖3 微型尿液分析儀正視圖

圖4 微型尿液分析儀后視圖

圖5 微型尿液分析儀側視圖
在設計的過(guò)程中，也遇到了很多問(wèn)題。比如在調LCD的時(shí)候，由于購買(mǎi)的LCM的控制芯片SDE1335使用的5V電壓，而LPC2148使用的是3.3V電源，數據接口需要接上拉電阻，剛開(kāi)始沒(méi)有發(fā)現這個(gè)問(wèn)題，浪費了不少時(shí)間，后來(lái)在數據口接上10KW電阻，問(wèn)題才得以解決。還有制作硬件，工藝達不到和資金問(wèn)題。以及調觸摸屏的時(shí)候，按鍵識別不穩定等很多時(shí)候會(huì )花費比較多的心思和時(shí)間，仍不能解決。感到過(guò)山窮水盡，不過(guò)大家都積極努力，而且互相鼓勵，在一起交流討論，最后都一一解決。

由于系統構架很大，而時(shí)間相對不是很充分。雖然我們盡可能地開(kāi)發(fā)，不過(guò)還是有一些問(wèn)題難以做得完善，比如USB通訊的多樣化功能的開(kāi)發(fā)，以及以太網(wǎng)更大的拓展。我們也會(huì )繼續把開(kāi)發(fā)進(jìn)行下去。

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