醫(yī)學診斷市場持續(xù)高速增長,，自疫情以來，這塊市場更備受關(guān)注,。技術(shù)型分銷商Excelpoint世健公司，深耕醫(yī)學診斷產(chǎn)品多年,，本次我們通過世健公司邀請了來自專業(yè)醫(yī)學診斷產(chǎn)品企業(yè)的工程師儲工跟大家分享實戰(zhàn)案例,。該公司是一家專業(yè)從事醫(yī)學診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn),、銷售及服務(wù)的國家高新技術(shù)企業(yè),，主要產(chǎn)業(yè)為體外診斷試劑、儀器及獨立第三方醫(yī)學診斷服務(wù),。產(chǎn)品線涵蓋生化,、發(fā)光、血球,、尿液,、質(zhì)譜、分子診斷,、血脂亞組分檢測VAP和POCT等,。而儲工有著豐富的設(shè)計與實戰(zhàn)經(jīng)驗.

　　這個實戰(zhàn)案例主要是設(shè)計一個分光測色儀的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光源,、光接收器,、信號處理器等組成，基本功能框圖如圖1,。光源燈采用小功率單波長LED,，對于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設(shè)計恒流源電路和恒溫控制電路,。

　　圖1

　　1,、恒流源電路方案設(shè)計

　　對于小功率的恒流源設(shè)計，最常用的就是運放 + 場管方案,。電路如圖2所示,，該方案由分立元件組成，運放,、三極管,、電阻的電氣參數(shù)一致性及溫漂會極大的影響恒流源的精度,，影響因素較多難以控制。

　　圖2

　　ADI公司旗下有一款產(chǎn)品（型號：LT3092）單芯片集成了多個元件,，使器件一致性和溫漂更容易控制,，成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿足小功率恒流源的需求,；超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓（1.2V~40V）使得電源電壓設(shè)計更具兼容性,；內(nèi)部更有高精度微恒流源（10uA），結(jié)合精密電阻可組成高精度的參考電壓源,。內(nèi)部原理圖如圖3,。

　　圖3                                                      圖4

　　若無需更改恒流源電流，則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可,。若想實時調(diào)節(jié)電流,，RSET可選用數(shù)字電位器（如ADI公司產(chǎn)品AD5610），用MCU來控制,。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC,，用MCU直接控制更是一種方便簡單又省成本的方案，如圖4,。

　　由于分光測色儀用到多個不同波長的LED,，可以讓每個LED配上一個恒流源，當然更好的方案是只用一個恒流源然后用模擬開關(guān)切換通道,，這樣更省成本,。ADI公司有一款產(chǎn)品（型號ADG452）單芯片集成4通道模擬開關(guān)。較低的導通電阻（4Ω）,；每通道100mA的工作電流,；快速的開關(guān)頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）,。電氣性能完全滿足設(shè)計需求,，方案電路實現(xiàn)如圖5。

　　圖5

　　2,、恒溫控制電路方案設(shè)計

　　恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護器 + 控制器構(gòu)成,，如圖6。溫度開關(guān)用于加熱失控時的過溫保護,，MCU接受來自溫度傳感器的反饋,，利用PID算法去控制驅(qū)動器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出，達到恒溫控制的目的,。

　　圖6

　　加熱器可以是恒壓驅(qū)動,，用場管作為開關(guān)，MCU用PWM方式控制調(diào)節(jié)。但由于PWM方式控制頻率較高且信號存在突變,，會對電路系統(tǒng)造成較大的噪聲干擾,，進而影響用于精密測量的模擬電路。另一種方案是采用恒流驅(qū)動加熱器,，借鑒上述LED恒流源電路方案,，選擇輸出電流更大的恒流源芯片（如ADI公司產(chǎn)品LT3085），輸出電流達500mA,，其他參數(shù),、功能與LT3092類似，功能框圖如圖7,。

　　圖7

　　配上數(shù)字電位器,，MCU可以實時調(diào)節(jié)電流變化，以控制加熱器的功率輸出,。并且恒流方式調(diào)節(jié)頻率低,、過程平緩不會引起電壓信號的突變。部分電路原理圖如圖8,。

　　圖8

　　加熱功率計算：P = I2*R（I為恒流源電流，R為加熱器電阻）

　　I = 10uA * RW / R53（微恒流源電流*數(shù)字電位器/采樣電阻）

　　溫度傳感器可以選擇線性好,、精度高的PT100,。對于PT100的驅(qū)動電路，需要設(shè)計恒流源,，信號放大電路,，再加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬器件分立且數(shù)量較多,，硬件成本較高,，對于PCB面積受限的應用也不好布局，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品（型號：AD7124-4）,，集成程控放大器（增益編程范圍為1~128）,，可以直接連接小信號傳感器而無需放大電路；內(nèi)置激勵電流源（設(shè)置范圍50 μA~1 mA）,，正好方便給溫度傳感器供電,；高達19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，足夠以高分辨率采集溫度數(shù)據(jù),。應用AD7124-4設(shè)計的PT100驅(qū)動電路原理圖詳見圖9。

　　圖9

　　PT100采用4線制,，兩線用于信號采集,，兩線用于激勵源通電流，這樣無論信號線多長,，都可以消除線電阻對信號檢測的影響,。流經(jīng)RTD的電流也會流過精密基準電阻,，產(chǎn)生基準電壓。此精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例,，因此,，激勵電流的波動會被消除。

　　3,、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

　　光電轉(zhuǎn)換電路一般采用光電二極管（PD） + 運放 + 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）方案（如圖10）,。由PD采集反射光，由運放流壓轉(zhuǎn)換并放大信號,，然后ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號給MCU,。由于PD工作于光伏模式，因此負責流壓轉(zhuǎn)換的運放需要超低偏置電流,；為了提高分辨率,，ADC需要盡量高的處理位數(shù)。

　　圖10

　　考慮使用多個高性能分立器件硬件成本過高,，在性能達標的條件下可以盡量選擇集成度高的器件,。ADI旗下有一款產(chǎn)品（型號：ADPD2211），自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度,，省去了外置運放,；極好的脈沖響應（典型帶寬達400KHz）；超低電流噪聲（90fA/√Hz）,。其內(nèi)部功能框圖如圖5,。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換,，省去眾多的外圍電路,。其功能框圖如圖11。

　　圖11

　　4,、MCU選型

　　市面上MCU以內(nèi)核區(qū)分主要是51內(nèi)核和ARM內(nèi)核,，還有部分是個某些廠家自研的內(nèi)核。當選擇同一內(nèi)核的MCU時,，各大廠家的產(chǎn)品卻都大同小異,，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結(jié)合的產(chǎn)品（型號：ADuCM361）其內(nèi)部資源框圖如圖12，結(jié)合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有,。

　　圖12

　　ADuCM361內(nèi)置32 位ARM Cortex-M3 處理器,，常見的外設(shè)如UART、SPI,、IIC,、Timer、DMA、DAC,、Watchdog都有集成,，非常方便使用；自帶一個片內(nèi)32 kHz 振蕩器和一個內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器使硬件設(shè)計可以省去外部晶振電路,；最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS,、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可在全差分和單端模式下工作,，ADC模塊集成硬件濾波器,，可以選擇配置高速濾波器來進行步進變化檢測，也可選擇低速濾波器用于精密測量,；內(nèi)置一個低噪聲,、低漂移帶隙基準電壓源，也可選擇外部基準電壓源,；附帶的可編程激勵電流源,，可以應用于許多電流驅(qū)動型的傳感器。

　　ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似,，方案本身就需要MCU 作為信號處理模塊,，若選擇ADuCM361，則可以省去AD7124-4,，ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿足光電數(shù)據(jù)采集,、溫度傳感器驅(qū)動，DAC控制光源恒流源并可以微調(diào)電流,，SPI控制數(shù)字電位器來動態(tài)調(diào)節(jié)加熱器電流達到恒溫目的。