基于恩智浦LPC2148的微型尿液分析儀的設計

摘要： 尿液分析儀是通過(guò)檢測人體尿液中相關(guān)成分來(lái)判斷人體健康的一種醫療儀器。采用無(wú)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

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。

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。