通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設計

引言

通過人體的體液檢測健康狀況，這在臨床應用中已非常成熟，也確實為診斷過程提供了十分寶貴的信息，然而體液檢測一方面需要依賴于檢測試劑，成本較高，另一方面大部分檢測手段基于“有創(chuàng)”過程，均不適合進行較高頻率的檢測。作為身體健康狀況的另一條反映途徑，人體的呼吸氣體(肺呼吸氣體與消化道揮發(fā)氣體)也能反映一些重要的生理過程與代謝信息，且檢測的方法可以在一定程度上彌補前者的不足。

本設計的目的是利用以ARM7TDMI-S為核心的LPC2478處理器實現(xiàn)對電子鼻儀器系統(tǒng)的控制、對氣體檢測信號的分析與判別，以及實現(xiàn)在脫離PC機的情況下，提供友好的圖形用戶交互接口(GUI)，使用戶通過自己的操作就能掌握并記錄自己的身體健康狀況。

本設計初衷在于能將本系統(tǒng)應用于家庭成員人體健康體征的監(jiān)測，并主要著眼于檢測人體呼吸氣體中的乙醇、芳香烴類氣體化合物和由人體消化道揮發(fā)出的氣體硫化物、胺化物等的含量，從而為酗酒、吸煙人群以及呼吸道、胃腸道不適人群的健康狀況作直觀和方便的檢查。系統(tǒng)在線實現(xiàn)對氣體檢測信號的主成份分析(PCA)，而由于需要大量的樣本訓練過程，故系統(tǒng)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)對氣體進一步分析的原始數(shù)據(jù)通過USB Host寫入U盤中，以便于數(shù)據(jù)的移植，而將數(shù)據(jù)拷貝至SD存儲卡中，則便于將用戶長期觀察的結(jié)果存檔。

系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)對人體呼吸氣體的檢測主要是通過高效的氣路及其控制得以實現(xiàn)的。對于進樣的氣體，系統(tǒng)有兩種不同的檢測手段：對于較高濃度的氣體，步進電機驅(qū)動六通閥，切換至“直接進樣”狀態(tài)，即氣體由進樣口進入氣室，在氣室中與處于加熱狀態(tài)的金屬氧化物氣體傳感器陣列(Gas Sensor Array)接觸;而對于較低濃度的氣體，六通閥將切換至“吸附進樣”狀態(tài)，即氣體從進樣口進入氣路之后，在吸附解吸附單元(EDU)中進行富集(常溫)，并在富集程序完畢之后，載氣由載氣口進入，將標志物氣體從PID控溫狀態(tài)下的EDU中帶出，并進入氣室，這是本系統(tǒng)實現(xiàn)氣體檢測功能基本的檢測原理與流程。在這個過程中需要LPC2478對氣路狀態(tài)(六通閥切換、EDU控溫、真空泵抽氣速率與氣體傳感器陣列信號采樣等)進行全程監(jiān)控與測量，并通過TFT液晶、鍵盤陣列與用戶實現(xiàn)友好的交互。

在檢測得到氣體信號之后，需要LPC2478對數(shù)據(jù)進行主成份分析(PCA)，通過數(shù)學建模的方法，本設計改進了傳統(tǒng)PCA分析的算法，并將數(shù)據(jù)變換為在兩維主成份坐標系中的“點群”，利用這些點群，對樣本氣體中的主成份進行聚類判斷。

在氣體檢測的整個過程中，均需要為氣體在氣路中的流動提供動力，本系統(tǒng)利用LPC2478的10位DAC對真空泵的驅(qū)動電路進行控制，在實現(xiàn)對真空泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的同時，對氣路中氣體的流動速度進行較為精確的控制，一方面適應“吸附進樣”過程中氣體吸附的速率，另一方面又能兼顧氣體與傳感器充分接觸時傳感器的響應時間。

硬件平臺

該呼吸氣體檢測電子鼻實驗樣機采用了廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的SmartARM2400開發(fā)板和項目小組自制的擴展板，以實現(xiàn)對氣路硬件模塊的控制和模擬信號的前置處理等功能。氣路硬件模塊包括吸附解吸附單元、真空泵、六通閥、電磁閥、步進電機、氣室(TGS系列金屬氧化物氣體傳感器陣列)以及氣體采樣袋等。系統(tǒng)的硬件設計框圖如圖1所示。

該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內(nèi)SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進的向量中斷控制器(VIC)，支持多達32個向量中斷，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SSP和4路UART控制器等在內(nèi)的串行接口，以及3個I2C總線接口和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PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個通用定時器/計數(shù)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，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設計為其在醫(yī)療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實的基礎。

系統(tǒng)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(qū)動模塊、PWM步進電機控制模塊、鍵盤陣列模塊、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(gòu)成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎。整臺儀器是由220V的開關電源供電。

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

軟件模塊

儀器軟件設計部分主要包括氣體進樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數(shù)據(jù)傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

在氣體進樣控制流程中包括直接進樣流程與吸附進樣流程，兩個流程的切換是基于對氣體濃度的定性判斷。同時，氣路切換是由LPC2478控制步進電機帶動六通閥實現(xiàn)的。

吸附進樣相比于直接進樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實現(xiàn)對低濃度樣本氣體的檢測。而在進樣過程結(jié)束之后，系統(tǒng)均會程序化執(zhí)行“降溫延時”與“沖洗氣路”流程，為下一次進樣做好準備。

進樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實時描繪在TFT液晶屏的T(時間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時產(chǎn)生中斷實現(xiàn)的。傳感器響應曲線將在“數(shù)據(jù)分析”的第一頁重現(xiàn)，并對一次采樣結(jié)束之后的數(shù)據(jù)作主成份分析，在標準氣體實驗的基礎上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。

該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內(nèi)SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進的向量中斷控制器(VIC)，支持多達32個向量中斷，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SSP和4路UART控制器等在內(nèi)的串行接口，以及3個I2C總線接口和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PWM模塊、帶有獨立電源的RTC、4個通用定時器/計數(shù)器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳。可以說，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設計為其在醫(yī)療儀器與檢測設備中的應用奠定了扎實的基礎。

系統(tǒng)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(qū)動模塊、PWM步進電機控制模塊、鍵盤陣列模塊、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(gòu)成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎。整臺儀器是由220V的開關電源供電。

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

軟件模塊

儀器軟件設計部分主要包括氣體進樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數(shù)據(jù)傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

在氣體進樣控制流程中包括直接進樣流程與吸附進樣流程，兩個流程的切換是基于對氣體濃度的定性判斷。同時，氣路切換是由LPC2478控制步進電機帶動六通閥實現(xiàn)的。

吸附進樣相比于直接進樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實現(xiàn)對低濃度樣本氣體的檢測。而在進樣過程結(jié)束之后，系統(tǒng)均會程序化執(zhí)行“降溫延時”與“沖洗氣路”流程，為下一次進樣做好準備。

進樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應值實時描繪在TFT液晶屏的T(時間)-C(濃度)坐標系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時產(chǎn)生中斷實現(xiàn)的。傳感器響應曲線將在“數(shù)據(jù)分析”的第一頁重現(xiàn)，并對一次采樣結(jié)束之后的數(shù)據(jù)作主成份分析，在標準氣體實驗的基礎上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。

通過“數(shù)據(jù)傳輸”功能，可以把傳感器陣列對樣本氣體的響應值記錄下來，在USB HOST控制器的管理下，將需要記錄的數(shù)據(jù)值寫入USB設備中，這些數(shù)據(jù)可以作為PC人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)分析的原始數(shù)據(jù)，在提供訓練案例的前提下，也希望PC通過ANN分析能給出更為準確的診斷結(jié)果。系統(tǒng)也可以對SD卡讀寫數(shù)據(jù)，其中記錄了每一次樣本氣體分析的數(shù)據(jù)和PCA分析的結(jié)果，這有利于為用戶形成長期觀察的病歷記錄。通過UART，系統(tǒng)與PC相連接，在PC上利用自己開發(fā)編寫的串口通訊軟件對電子鼻儀器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并以數(shù)據(jù)庫的形式對這些數(shù)據(jù)進行管理。

以上過程在涉及到具體操作時，系統(tǒng)都將利用LPC2478強大的彩色液晶控制器與用戶實現(xiàn)交互，使整個呼吸氣體檢測的過程透明化，用戶可以通過系統(tǒng)的提示，經(jīng)過簡單的操作完成對身體健康狀況的監(jiān)測。如圖3所示為液晶顯示的主要操作界面。

結(jié)語

本設計的通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器是定位于家庭使用，為那些長期酗酒、吸煙和因此導致呼吸道、胃腸道不適的人群以及其他生理性、病理性胃腸道不適或炎癥的用戶群體設計，儀器采用了NXP最新研發(fā)的LPC2478微處理器，充分利用其彩色液晶控制器、內(nèi)部ADC、DAC、PWM、Timer等功能模塊，完成對呼吸氣體的檢測和基于PCA的診斷分析，并結(jié)合USB HOST與SD讀寫控制器完成數(shù)據(jù)的移植與傳輸，使整個電子鼻檢測儀器的功能得到完善。圖4為呼吸氣體檢測電子鼻儀器的實驗樣機。

用戶在使用該儀器對自己的呼吸氣體進行檢測之前，只需要用氣袋收集空腹時的“吹氣”，然后按照系統(tǒng)操作的提示完成進樣與檢測，易于使用，并通過無創(chuàng)和低成本的操作過程完成對自身健康狀況的檢測與記錄。