《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于XMEGA128的便攜式電解質(zhì)分析儀設(shè)計(jì)分享
摘要: 該設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀已經(jīng)完成樣機(jī)制作,,并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果表明,,由于采用先進(jìn)的Xmega微控制器為核心,,系統(tǒng)整體功耗較低,使用36 V10Ah的鋰電池供電可以連續(xù)工作8小時(shí)左右,。樣機(jī)已經(jīng)通過了GE認(rèn)證的電磁兼容測(cè)試,,表明該儀器有較好的抗干擾能力。由此可見,,所設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀完全適應(yīng)野外工作的需求,。
Abstract:
Key words :

電解質(zhì)分析儀可測(cè)定生物標(biāo)本如血清、血漿,、全血及稀釋尿液中的值鉀(K),、鈉(Na)、氯(C1),、鈣(Ca),、PH值等,并通過計(jì)算提供標(biāo)準(zhǔn)化離子鈣(nCa),、總鈣(TCa),在臨床上具有較重要的意義,。自80年代汽巴康寧,,奧林巴斯等國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)后,國(guó)產(chǎn)電解質(zhì)分析儀迅速跟進(jìn),,并研制出一批性能較高的產(chǎn)品,。近幾年隨著一些突發(fā)事件的發(fā)生(如:汶川大地震),對(duì)便攜式醫(yī)療儀器的需求大大增加,,便攜式電解質(zhì)分析儀就是其中之一,。

這里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)的由電池供電的便攜式電解質(zhì)分析儀,可以滿足野外使用需求,。

1 XMEGA簡(jiǎn)介

XMEGA是8位AVR微處理器的強(qiáng)勁性能升級(jí)版本,。XMEGA采用第二代picoPower技術(shù),是唯一真正使用1.6 V工作電壓的閃存微控制器,。該器件功耗超低,,并具有快速12位模擬功能、1個(gè)DMA控制器,、1個(gè)創(chuàng)新的事件系統(tǒng),,以及1個(gè)AES加密引擎,全部都無需占用CPU資源,,能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)性能,。
XMEGAl28微控制器的閃存容量為128 Kb,采用100引腳的貼片封裝,工作電壓為1.6~3.6 V,,32 MHz頻率下處理性能可達(dá)到32 MI/s,。

由于XMEGAl28的內(nèi)部豐富的資源和強(qiáng)勁的性能。使其非常適合應(yīng)用于
嵌入式系統(tǒng),。該便攜式電解質(zhì)分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器,,使得整個(gè)系統(tǒng)外圍器件大大減少,在降低成本的同時(shí)又提高了系統(tǒng)安全性,、可靠性,。XMEGAl28較大的程序存儲(chǔ)空間能夠滿足電解質(zhì)分析儀的大量軟件代碼的存放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)


該系統(tǒng)是以ATxmegal28Al微處理器為核心,,外圍連接有顯示,、按鍵、打印機(jī),、
傳感器放大盒,、電源、通訊等模塊,,其硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

 

顯示部分采用320x240通用的LCD,直接由ATxmega128Al總線驅(qū)動(dòng),,為用戶提供更多直觀信息,,也使操作更方便。嵌入式微型打印機(jī)采用迅普公司的微型熱敏打印機(jī),,便于野外現(xiàn)場(chǎng)輸出文檔型資料,,也直接由ATxmegal28A1的總線驅(qū)動(dòng)。

2.1 傳感器調(diào)理放大電路

該分析儀的樣品液經(jīng)高分子膜傳感器測(cè)量后得到的電信號(hào)的幅度很小,,在-250~250 mV之間,,無法直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此,,需要對(duì)這些模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大處理,。在電路的設(shè)計(jì)上,為了與離子選擇電極的高內(nèi)阻相匹配,,采用CA3140集成運(yùn)算放大器作為一級(jí)放大,,二級(jí)放大采用高精度低漂移的HAl7741運(yùn)算放大器。

如圖2所示,,采用3個(gè)運(yùn)算放大器組成的測(cè)量放大電路,,前段有2個(gè)高輸入阻抗的CA3140構(gòu)成差動(dòng)輸入。后端的HAl7741實(shí)際上是一差動(dòng)跟隨器,,其增益近似為1,。為了保證放大器的精度,,負(fù)反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻,且電路閉環(huán)增益不太大,。同時(shí)為防止電路板表面的漏電流,,對(duì)電路板進(jìn)行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環(huán)境下工作,,對(duì)電路板還進(jìn)行了防潮處理和電子屏蔽,。

 

電極信號(hào)有鉀、鈉,、氯,、鈣和pH共5路,分別經(jīng)各自的放大電路后連接到ATxmegal28A1微處理器的A/D模塊端口,。
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2.2 鍵盤接口

為便于用戶使用,,該系統(tǒng)共36個(gè)按鍵,其中有26個(gè)英文字母按鍵,、4個(gè)快速功能按鍵,、4個(gè)方向按鍵以及確定和取消按鍵,這些按鍵制作成6x6的薄膜開關(guān)按鍵,。所有按鍵均有CH452器件控制,,這樣可降低主處理器的工作負(fù)擔(dān),大大簡(jiǎn)化了軟件編寫程序,。CH452內(nèi)置64鍵鍵盤控制器,,基于8x8矩陣鍵盤掃描;內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻,;內(nèi)置去抖動(dòng)電路;鍵盤中斷,,可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出,;提供按鍵釋放標(biāo)志位,可供查詢按鍵按下與釋放,;支持按鍵喚醒,,處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452可以被部分按鍵喚醒。

圖3為基于CH452的鍵盤接口電路,。為了防止按鍵被按下后,,CH452的SEG信號(hào)線與DIG信號(hào)線形成短路,在CH452的DIG0~DIG5引腳與鍵盤矩陣之間串聯(lián)有限流電阻,,圖3中R40~R46,,其阻值為10 kΩ。CH452采用4線制與主處理器ATxmegal28A1鏈接,,占用主處理器1個(gè)中斷接口和l組SPI接口,。

 

2.3 USB通訊接口

為便于儀器現(xiàn)場(chǎng)使用方便,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì)外信息輸送的USB接口,可使儀器便捷地與各類存儲(chǔ)器及電腦連接,。其中,,USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主機(jī)方式和USBDEVICE/SLAVE設(shè)備方式,。在本地端CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀,、寫、片選控制線以及中斷輸出,,可方便地掛接到ATXMEGAl28Al微控制器的系統(tǒng)總線上,。圖4為CH375與主控制器的連接電路,CH375的TXD引腳直接接地,,從而使CH375工作于并口方式,。電容C1201用于CH375內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦,采用0.01μF的高頻瓷片電容,,可提高接口的EMI要求,。電容C47和C1202用于外部電源退耦,采用0.1μF的高頻瓷片電容,。晶體X11,、電容C1203和C1204用于CH375的時(shí)鐘振蕩電路。USB-HOST主機(jī)方式要求時(shí)鐘頻率比較準(zhǔn)確,,X11的頻率是12 MHz±0.4‰,,C1203和C1204是容量約為15 pF的獨(dú)石電容。LEDl為數(shù)據(jù)傳送指示燈,,用戶可以直觀觀察數(shù)據(jù)傳送狀態(tài),。

 

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件開發(fā)采用ATMEL公司提供的AVRStudio開發(fā)環(huán)境,并在該開發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌了支持C語言的GCC,。分析儀軟件全部采用C語言編寫,,這樣開發(fā)周期縮短,維護(hù)便捷,。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用層次化模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),,共分為兩個(gè)層次,第l層是按照硬件各個(gè)功能模塊編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和接口程序,,包括液晶顯示,、打印機(jī)、按鍵處理,、步進(jìn)電機(jī),、A/D采集轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)時(shí)鐘,、檢測(cè)和電源管理等模塊,;第2層是在第1層的基礎(chǔ)上按照使用功能編寫的應(yīng)用程序模塊,,有主菜單、樣本分析,、質(zhì)控分析,、質(zhì)控統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)定,、系統(tǒng)校準(zhǔn),、電極清洗、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及查詢和系統(tǒng)自檢等模塊,。圖5中給出系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程,。

 

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀已經(jīng)完成樣機(jī)制作,并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果表明,,由于采用先進(jìn)的Xmega微控制器為核心,系統(tǒng)整體功耗較低,,使用36 V10Ah的鋰電池供電可以連續(xù)工作8小時(shí)左右,。樣機(jī)已經(jīng)通過了GE認(rèn)證的電磁兼容測(cè)試,表明該儀器有較好的抗干擾能力,。由此可見,,所設(shè)計(jì)的便攜式電解質(zhì)分析儀完全適應(yīng)野外工作的需求。

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