電解質(zhì)分析儀可測定生物標本如血清、血漿,、全血及稀釋尿液中的值鉀(K),、鈉(Na)、氯(C1),、鈣(Ca),、PH值等，并通過計算提供標準化離子鈣(nCa),、總鈣(TCa),，在臨床上具有較重要的意義。自80年代汽巴康寧,，奧林巴斯等國外產(chǎn)品進入中國后,，國產(chǎn)電解質(zhì)分析儀迅速跟進，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單片機為核心器件設計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簡介

　　XMEGA是8位AVR微處理器的強勁性能升級版本。XMEGA采用第二代picoPower技術,，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DMA控制器,、1個創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，以及1個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到32 MI/s,。

　　由于XMEGAl28的內(nèi)部豐富的資源和強勁的性能,。使其非常適合應用于嵌入式系統(tǒng)。該便攜式電解質(zhì)分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器,，使得整個系統(tǒng)外圍器件大大減少,，在降低成本的同時又提高了系統(tǒng)安全性、可靠性,。XMEGAl28較大的程序存儲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)硬件設計

　　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、傳感器放大盒,、電源,、通訊等模塊，其硬件設計結構框圖如圖1所示,。

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

　　2.1 傳感器調(diào)理放大電路

　　該分析儀的樣品液經(jīng)高分子膜傳感器測量后得到的電信號的幅度很小，在-250～250 mV之間，無法直接進行A/D轉換,。因此,，需要對這些模擬信號進行調(diào)理放大處理,。在電路的設計上,，為了與離子選擇電極的高內(nèi)阻相匹配，采用CA3140集成運算放大器作為一級放大,，二級放大采用高精度低漂移的HAl7741運算放大器,。

　　如圖2所示，采用3個運算放大器組成的測量放大電路,，前段有2個高輸入阻抗的CA3140構成差動輸入,。后端的HAl7741實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1,。為了保證放大器的精度,，負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,。同時為防止電路板表面的漏電流,，對電路板進行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環(huán)境下工作,，對電路板還進行了防潮處理和電子屏蔽,。

　　電極信號有鉀、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,。[next]

2.2 鍵盤接口

　　為便于用戶使用,，該系統(tǒng)共36個按鍵，其中有26個英文字母按鍵,、4個快速功能按鍵,、4個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擔，大大簡化了軟件編寫程序,。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信號線與DIG信號線形成短路,，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)場使用方便,，該系統(tǒng)設計了對外信息輸送的USB接口，可使儀器便捷地與各類存儲器及電腦連接,。其中,，USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主機方式和USBDEVICE/SLAVE設備方式,。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的時鐘振蕩電路。USB-HOST主機方式要求時鐘頻率比較準確,，X11的頻率是12 MHz±0.4‰,，C1203和C1204是容量約為15 pF的獨石電容。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)軟件設計

　　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，維護便捷,。該系統(tǒng)軟件設計采用層次化模塊化結構設計,，共分為兩個層次,，第l層是按照硬件各個功能模塊編寫相應的驅動和接口程序，包括液晶顯示,、打印機,、按鍵處理、步進電機,、A/D采集轉換,、系統(tǒng)時鐘、檢測和電源管理等模塊;第2層是在第1層的基礎上按照使用功能編寫的應用程序模塊,，有主菜單,、樣本分析、質(zhì)控分析,、質(zhì)控統(tǒng)計、系統(tǒng)設定,、系統(tǒng)校準,、電極清洗、數(shù)據(jù)儲存及查詢和系統(tǒng)自檢等模塊,。圖5中給出系統(tǒng)整體軟件設計流程,。

　　4 結論

　　該設計的便攜式電解質(zhì)分析儀已經(jīng)完成樣機制作，并進行相關測試,。測試結果表明,，由于采用先進的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小時左右,。樣機已經(jīng)通過了GE認證的電磁兼容測試，表明該儀器有較好的抗干擾能力,。由此可見,，所設計的便攜式電解質(zhì)分析儀完全適應野外工作的需求。