項目概述

NXP設(shè)計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。最終實現(xiàn)個人—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)計的試紙浸入到尿液中，試紙條上不同區(qū)域的物質(zhì)會與尿液中相應(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現(xiàn)了系統(tǒng)的功能,，使體積減小,，功耗降低。

硬件平臺詳述



                    圖1 硬件設(shè)計框圖

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個模塊共同工作,，共同實現(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存儲器，片內(nèi)集成ADC,、DAC轉(zhuǎn)換器,，看門狗，實時時鐘RTC,，2個UART,，2個I2C還有SPI等多個總線接口，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,。 它還提供了一個內(nèi)部DMA 模塊,，以實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐和硬件支持的IP校驗和計算。 與主控制器的通信通過兩個中斷引腳和SPI 實現(xiàn),，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10 Mb/s,。兩個專用的引腳用于連接LED，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)活動狀態(tài)指示,。



                          圖2 以太網(wǎng)接口電路圖

LED模塊采用了20個6種波長的LED。多波長的設(shè)計使得測量更有針對性,，測量數(shù)據(jù)更有效,。我們的設(shè)計能夠通過CCD測量的每個LED的亮度，然后由LPC2148通過點校正功能控制通過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)計使用的網(wǎng)絡(luò)芯片是帶SPI接口的獨立以太網(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,、運算放大器和高精度AD轉(zhuǎn)換器。

軟件模塊描述

本設(shè)計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)計采用帶觸摸屏的LCD顯示器,，主要實現(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)計的一大亮點,。

本設(shè)計可以采用外部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，處理檢測數(shù)據(jù),，同時設(shè)置啟動A/D轉(zhuǎn)換的條件,，在SH下降沿到來時重新啟動A/D進(jìn)行下次測量，直到檢測結(jié)束,。在該模塊中,，還有一個重要的任務(wù)—數(shù)據(jù)處理，在這里,，每個參數(shù)每次采集多組數(shù)據(jù),，求出平均值，同時與標(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別。

LED控制模塊是通過恒流帶點校正功能的LED驅(qū)動芯片控制不同波長的LED的亮度,、顯示順序及顯示的時間,，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,，但是費用也高；UDP協(xié)議是提供最少服務(wù)和費用的傳輸層協(xié)議,。UDP是最簡單的協(xié)議,，具有以下特點：無連接、不可靠,、提供應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)識,、提高UDP報的校驗和、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，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)計的過程中,，也遇到了很多問題,。比如在調(diào)LCD的時候,，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)這個問題，浪費了不少時間,，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)觸摸屏的時候，按鍵識別不穩(wěn)定等很多時候會花費比較多的心思和時間,，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,，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。我們也會繼續(xù)把開發(fā)進(jìn)行下去,。

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