項目概述
NXP設(shè)計的微型尿液分析儀可以檢測尿液的十種參數(shù)，包括白細(xì)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,。
在用戶把浸沒了尿液的試紙條放入儀器后，通過LPC2148控制LED光源進行分時發(fā)光,，然后反射光通過光纖照射到CCD上,，經(jīng)過信號的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并在微處理器中經(jīng)過歸一化的算法,，將結(jié)果輸出至LCD進行顯示,，或者根據(jù)需要傳輸至PC。并可以利用以太網(wǎng)接口連接Internet,，方便建設(shè)一個健康檢測網(wǎng)絡(luò),。不用復(fù)雜的操作便可以得到醫(yī)生的診斷，十分適合家庭用戶的使用,。
通過設(shè)計新的儀器結(jié)構(gòu)和檢測方法,，使儀器精度達(dá)到或超過國內(nèi)醫(yī)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次所用的時間控制在10秒內(nèi),。用戶可以通過觸摸屏進行直觀的操作，也可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)讓醫(yī)生進行尿液分析結(jié)果的診斷,。最終實現(xiàn)個人—儀器—醫(yī)療機構(gòu)一體化的健康檢測網(wǎng)絡(luò),。
系統(tǒng)實現(xiàn)原理
尿液中包含了表征人體健康的多種物質(zhì),，將特殊設(shè)計的試紙浸入到尿液中,，試紙條上不同區(qū)域的物質(zhì)會與尿液中相應(yīng)的成分發(fā)生反應(yīng)并表現(xiàn)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(qū)域的顏色不同,，所以反射光的光譜和強度也會有所不同，用CCD來檢測通過光纖傳輸?shù)姆瓷涔獾膹姸?，就能得到試紙的顏色信息,，從而鑒別出尿液的成分，進而獲取人體的健康信息,。
嵌入式尿液分析儀系統(tǒng)主要包含了主控制器,、電源及復(fù)位、LCD觸摸屏,、光電檢測模塊,、LED,、CPLD、CCD,、USB和以太網(wǎng)等8個功能部分,。主控制器芯片采用了高集成度的LPC2148微處理器，芯片內(nèi)部集成的USB控制器可用來供電和傳輸數(shù)據(jù),，內(nèi)部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號,，內(nèi)部集成PWM功能用于驅(qū)動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現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，使體積減小,，功耗降低,。
硬件平臺詳述
圖1 硬件設(shè)計框圖
a) 硬件模塊描述
嵌入式微型尿液分析儀系統(tǒng)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。由主控模塊進行控制另外3個模塊共同工作,，共同實現(xiàn)儀器的功能,。
嵌入式主控模塊采用了基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2148，集成度非常高,。內(nèi)嵌40kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和512kB的片內(nèi)Flash存儲器,，片內(nèi)集成ADC、DAC轉(zhuǎn)換器,，看門狗,，實時時鐘RTC，2個UART,，2個I2C還有SPI等多個總線接口,，及USB2.0全速接口。方便擴展USB接口,、JTAG調(diào)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。而且電路相對簡單,，降低了開發(fā)和生產(chǎn)的成本,。芯片可以實現(xiàn)最高60MHz的工作頻率，有著較強的功能,，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS—II及人性化的人機界面的要求,。本設(shè)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口的開銷,。ENC28J60 符合IEEE 802.3 的全部規(guī)范,，采用了一系列包過濾機制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。 它還提供了一個內(nèi)部DMA 模塊,，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算,。 與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI 實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s,。兩個專用的引腳用于連接LED,，進行網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示。
圖2 以太網(wǎng)接口電路圖
LED模塊采用了20個6種波長的LED,。多波長的設(shè)計使得測量更有針對性,，測量數(shù)據(jù)更有效。我們的設(shè)計能夠通過CCD測量的每個LED的亮度,，然后由LPC2148通過點校正功能控制通過LED電流的大小,，從而使LED之間的亮度保持一致，進一步提高測量的準(zhǔn)確性,。本設(shè)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,、線陣CCD傳感器、運算放大器和高精度AD轉(zhuǎn)換器,。
軟件模塊描述
本設(shè)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(shè)計采用帶觸摸屏的LCD顯示器,，主要實現(xiàn)菜單選擇、按鍵操作,、測量的數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示,，為本設(shè)計的操作帶來極大的方便,，讓使用者在輕松,、愉快的環(huán)境下使用本產(chǎn)品，是本設(shè)計的一大亮點,。
本設(shè)計可以采用外部A/D或LPC2148內(nèi)部自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器,，根據(jù)本設(shè)計對數(shù)據(jù)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(dāng)該信號為高時,，處理檢測數(shù)據(jù)，同時設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換的條件,，在SH下降沿到來時重新啟動A/D進行下次測量,，直到檢測結(jié)束。在該模塊中,，還有一個重要的任務(wù)—數(shù)據(jù)處理,，在這里，每個參數(shù)每次采集多組數(shù)據(jù),，求出平均值,，同時與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行比較，判斷參數(shù)是否屬于正常范圍,，并且增加了有無試紙的軟件識別,。
LED控制模塊是通過恒流帶點校正功能的LED驅(qū)動芯片控制不同波長的LED的亮度、顯示順序及顯示的時間,，使光纖采集到不同參數(shù)的光信號,，輸入到CCD模塊。
在網(wǎng)絡(luò)傳輸層有兩個協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),，傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP,，TCP協(xié)議是面向?qū)ο蟮膮f(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是最簡單的協(xié)議,，具有以下特點：無連接,、不可靠、提供應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)識,、提高UDP報的校驗和,、以及緩沖和分段。Socket接口函數(shù)是TCP/IP的API,。使用Socket接口函數(shù)編寫通信的任務(wù)時,，分服務(wù)器和客戶機兩種方式。服務(wù)器方式是先接受到數(shù)據(jù)再進行處理,，而客戶機則是先發(fā)生數(shù)據(jù)然后等待回應(yīng)處理,，它們所用到的socket API 函數(shù)是相同的。
結(jié)語
這是一種針對家庭用戶設(shè)計的基于嵌入式的微型 尿液分析儀,，采用了恩智浦半導(dǎo)體(NXP Semiconductors) 高集成度的LPC2148微處理器,，芯片內(nèi)部集成的USB控制器可用來供電和傳輸數(shù)據(jù)，內(nèi)部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號，內(nèi)部集成SPI接口用于觸摸屏和以太網(wǎng)的通訊,。復(fù)位部分采用了NXP公司的74HC125,。
儀器通過檢測尿液中的10項成分來診斷人體的健康狀況。在用戶把浸過了尿液的 試紙條放入儀器后,，通過LPC2148控制多波長LED進行分時發(fā)光,，然后反射光通過光纖照射到CCD上，經(jīng)過信號的采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換,，并在LCP2148中經(jīng)過歸一化的算法,，將結(jié)果輸出至LCD進行顯示，或者根據(jù)需要傳輸至PC,。
本儀器的創(chuàng)新在于整個過程使用觸摸屏來進行操作,，具有友好的人機交互接口。設(shè)計的一種光電檢測系統(tǒng),，消除了傳統(tǒng) 尿液分析儀機械傳動引起的誤差,，并減小了體積和功耗。后續(xù)工作可以對以太網(wǎng)部分做進一步的研究,，使得遠(yuǎn)程醫(yī)療得到實現(xiàn),，適合家庭用戶的使用。
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(cè)視圖
在設(shè)計的過程中,，也遇到了很多問題,。比如在調(diào)LCD的時候，由于購買的LCM的控制芯片SDE1335使用的5V電壓,，而LPC2148使用的是3.3V電源,，數(shù)據(jù)接口需要接上拉電阻，剛開始沒有發(fā)現(xiàn)這個問題,，浪費了不少時間,，后來在數(shù)據(jù)口接上10KW電阻，問題才得以解決,。還有制作硬件,，工藝達(dá)不到和資金問題。以及調(diào)觸摸屏的時候,，按鍵識別不穩(wěn)定等很多時候會花費比較多的心思和時間,，仍不能解決。感到過山窮水盡,，不過大家都積極努力,，而且互相鼓勵，在一起交流討論,，最后都一一解決,。
由于系統(tǒng)構(gòu)架很大，而時間相對不是很充分,。雖然我們盡可能地開發(fā),，不過還是有一些問題難以做得完善，比如USB通訊的多樣化功能的開發(fā),，以及以太網(wǎng)更大的拓展,。我們也會繼續(xù)把開發(fā)進行下去。
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