NXP LPC2148微型尿液分析儀設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目概述

我們設(shè)計(jì)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(jìn)行分時(shí)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(jìn)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(gè)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(jì)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(shí)間控制在10秒內(nèi)。用戶可以通過觸摸屏進(jìn)行直觀的操作，也可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)讓醫(yī)生進(jìn)行尿液分析結(jié)果的診斷。最終實(shí)現(xiàn)個(gè)人—儀器—醫(yī)療機(jī)構(gòu)一體化的健康檢測網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)實(shí)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(jì)的試紙浸入到尿液中，試紙條上不同區(qū)域的物質(zhì)會(huì)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(qiáng)度也會(huì)有所不同，用CCD來檢測通過光纖傳輸?shù)姆瓷涔獾膹?qiáng)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(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(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(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(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(xiàn)了系統(tǒng)的功能，使體積減小，功耗降低。

硬件平臺(tái)詳述

                    圖1 硬件設(shè)計(jì)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(jìn)行控制另外3個(gè)模塊共同工作，共同實(shí)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(chǔ)器，片內(nèi)集成ADC、DAC轉(zhuǎn)換器，看門狗，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，2個(gè)UART，2個(gè)I2C還有SPI等多個(gè)總線接口，及USB2.0全速接口。方便擴(kuò)展USB接口、JTAG調(diào)試接口、觸摸屏，外擴(kuò)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(shí)現(xiàn)最高60MHz的工作頻率，有著較強(qiáng)的功能，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS—II及人性化的人機(jī)界面的要求。本設(shè)計(jì)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(jī)制以對傳入數(shù)據(jù)包進(jìn)行限制。 它還提供了一個(gè)內(nèi)部DMA 模塊，以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算。 與主控制器的通信通過兩個(gè)中斷引腳和SPI 實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s。兩個(gè)專用的引腳用于連接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種波長的LED。多波長的設(shè)計(jì)使得測量更有針對性，測量數(shù)據(jù)更有效。我們的設(shè)計(jì)能夠通過CCD測量的每個(gè)LED的亮度，然后由LPC2148通過點(diǎn)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(jìn)一步提高測量的準(zhǔn)確性。本設(shè)計(jì)使用的網(wǎng)絡(luò)芯片是帶SPI接口的獨(dú)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(jī)電源、CPLD、線陣CCD傳感器、運(yùn)算放大器和高精度AD轉(zhuǎn)換器。

軟件模塊描述

本設(shè)計(jì)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(jì)采用帶觸摸屏的LCD顯示器，主要實(shí)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(jì)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(jì)的一大亮點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，處理檢測數(shù)據(jù)，同時(shí)設(shè)置啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的條件，在SH下降沿到來時(shí)重新啟動(dòng)A/D進(jìn)行下次測量，直到檢測結(jié)束。在該模塊中，還有一個(gè)重要的任務(wù)—數(shù)據(jù)處理，在這里，每個(gè)參數(shù)每次采集多組數(shù)據(jù)，求出平均值，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)別。

LED控制模塊是通過恒流帶點(diǎn)校正功能的LED驅(qū)動(dòng)芯片控制不同波長的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(shù)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(shù)據(jù)，傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)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(fèi)用也高；UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費(fèi)用的傳輸層協(xié)議。UDP是最簡單的協(xié)議，具有以下特點(diǎn)：無連接、不可靠、提供應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)識(shí)、提高UDP報(bào)的校驗(yàn)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(shí)，分服務(wù)器和客戶機(jī)兩種方式。服務(wù)器方式是先接受到數(shù)據(jù)再進(jìn)行處理，而客戶機(jī)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(jì)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(xiàng)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(jìn)行分時(shí)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(jìn)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(gè)過程使用觸摸屏來進(jìn)行操作，具有友好的人機(jī)交互接口。設(shè)計(jì)的一種光電檢測系統(tǒng)，消除了傳統(tǒng) 尿液分析儀機(jī)械傳動(dòng)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(jìn)一步的研究，使得遠(yuǎn)程醫(yī)療得到實(shí)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(jì)的過程中，也遇到了很多問題。比如在調(diào)LCD的時(shí)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(gè)問題，浪費(fèi)了不少時(shí)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(shí)候，按鍵識(shí)別不穩(wěn)定等很多時(shí)候會(huì)花費(fèi)比較多的心思和時(shí)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(lì)，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(shí)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(huì)繼續(xù)把開發(fā)進(jìn)行下去。

參考文獻(xiàn)：

1. 叢玉隆、馬駿龍，‘當(dāng)代尿液分析儀技術(shù)與臨床[M]’，中國科學(xué)技術(shù)出版社, 1998: 34-57
2. Carlson DA, Statland BE, ‘Automated urinalysis[J]’, Clin Lab Med 1988,8(3):449-461
3. 周立功，‘USB 2.0與OTG規(guī)范及開發(fā)指南[M]’，北京航空航天大學(xué)出版社，2004,9
4. 前島隆雄、橙車武同、神田博、他，‘多項(xiàng)目自動(dòng)尿分析裝置’，YELLOW IRIS概要，SPSMEX JOURNAL 1987，10、11