醫(yī)學(xué)診斷市場(chǎng)持續(xù)高速增長(zhǎng),，自疫情以來(lái)，這塊市場(chǎng)更備受關(guān)注,。技術(shù)型分銷商Excelpoint世健公司,，深耕醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品多年，本次我們通過(guò)世健公司邀請(qǐng)了來(lái)自專業(yè)醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品企業(yè)的工程師儲(chǔ)工跟大家分享實(shí)戰(zhàn)案例,。該公司是一家專業(yè)從事醫(yī)學(xué)診斷產(chǎn)品研發(fā),、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè),，主要產(chǎn)業(yè)為體外診斷試劑,、儀器及獨(dú)立第三方醫(yī)學(xué)診斷服務(wù)。產(chǎn)品線涵蓋生化,、發(fā)光,、血球、尿液,、質(zhì)譜,、分子診斷、血脂亞組分檢測(cè)VAP和POCT等,。而儲(chǔ)工有著豐富的設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn).
這個(gè)實(shí)戰(zhàn)案例主要是設(shè)計(jì)一個(gè)分光測(cè)色儀的硬件系統(tǒng),，該系統(tǒng)主要由光源、光接收器,、信號(hào)處理器等組成,，基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長(zhǎng)LED,，對(duì)于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度,。故硬件方案中需要設(shè)計(jì)恒流源電路和恒溫控制電路。
圖1
1,、恒流源電路方案設(shè)計(jì)
對(duì)于小功率的恒流源設(shè)計(jì),，最常用的就是運(yùn)放 + 場(chǎng)管方案。電路如圖2所示,，該方案由分立元件組成,，運(yùn)放、三極管,、電阻的電氣參數(shù)一致性及溫漂會(huì)極大的影響恒流源的精度,，影響因素較多難以控制。
圖2
ADI公司旗下有一款產(chǎn)品（型號(hào)：LT3092）單芯片集成了多個(gè)元件,，使器件一致性和溫漂更容易控制,，成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿足小功率恒流源的需求,；超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓（1.2V~40V）使得電源電壓設(shè)計(jì)更具兼容性,；內(nèi)部更有高精度微恒流源（10uA）,，結(jié)合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內(nèi)部原理圖如圖3,。
圖3 圖4
若無(wú)需更改恒流源電流,，則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可。若想實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流,，RSET可選用數(shù)字電位器（如ADI公司產(chǎn)品AD5610）,，用MCU來(lái)控制。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC,，用MCU直接控制更是一種方便簡(jiǎn)單又省成本的方案，如圖4,。
由于分光測(cè)色儀用到多個(gè)不同波長(zhǎng)的LED,，可以讓每個(gè)LED配上一個(gè)恒流源，當(dāng)然更好的方案是只用一個(gè)恒流源然后用模擬開關(guān)切換通道,，這樣更省成本,。ADI公司有一款產(chǎn)品（型號(hào)ADG452）單芯片集成4通道模擬開關(guān)。較低的導(dǎo)通電阻（4Ω）,；每通道100mA的工作電流,；快速的開關(guān)頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）,。電氣性能完全滿足設(shè)計(jì)需求,，方案電路實(shí)現(xiàn)如圖5。
圖5
2,、恒溫控制電路方案設(shè)計(jì)
恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護(hù)器 + 控制器構(gòu)成,，如圖6。溫度開關(guān)用于加熱失控時(shí)的過(guò)溫保護(hù),，MCU接受來(lái)自溫度傳感器的反饋,，利用PID算法去控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出，達(dá)到恒溫控制的目的,。
圖6
加熱器可以是恒壓驅(qū)動(dòng),，用場(chǎng)管作為開關(guān)，MCU用PWM方式控制調(diào)節(jié),。但由于PWM方式控制頻率較高且信號(hào)存在突變,，會(huì)對(duì)電路系統(tǒng)造成較大的噪聲干擾，進(jìn)而影響用于精密測(cè)量的模擬電路,。另一種方案是采用恒流驅(qū)動(dòng)加熱器,，借鑒上述LED恒流源電路方案，選擇輸出電流更大的恒流源芯片（如ADI公司產(chǎn)品LT3085）,，輸出電流達(dá)500mA,，其他參數(shù),、功能與LT3092類似，功能框圖如圖7,。
圖7
配上數(shù)字電位器,，MCU可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流變化，以控制加熱器的功率輸出,。并且恒流方式調(diào)節(jié)頻率低,、過(guò)程平緩不會(huì)引起電壓信號(hào)的突變。部分電路原理圖如圖8,。
圖8
加熱功率計(jì)算：P = I2*R（I為恒流源電流,，R為加熱器電阻）
I = 10uA * RW / R53（微恒流源電流*數(shù)字電位器/采樣電阻）
溫度傳感器可以選擇線性好、精度高的PT100,。對(duì)于PT100的驅(qū)動(dòng)電路,，需要設(shè)計(jì)恒流源，信號(hào)放大電路,，再加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，模擬器件分立且數(shù)量較多，硬件成本較高,，對(duì)于PCB面積受限的應(yīng)用也不好布局,，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品（型號(hào)：AD7124-4），集成程控放大器（增益編程范圍為1~128）,，可以直接連接小信號(hào)傳感器而無(wú)需放大電路,；內(nèi)置激勵(lì)電流源（設(shè)置范圍50 μA~1 mA），正好方便給溫度傳感器供電,；高達(dá)19 kSPS,、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，足夠以高分辨率采集溫度數(shù)據(jù),。應(yīng)用AD7124-4設(shè)計(jì)的PT100驅(qū)動(dòng)電路原理圖詳見(jiàn)圖9,。
圖9
PT100采用4線制，兩線用于信號(hào)采集,，兩線用于激勵(lì)源通電流,，這樣無(wú)論信號(hào)線多長(zhǎng)，都可以消除線電阻對(duì)信號(hào)檢測(cè)的影響,。流經(jīng)RTD的電流也會(huì)流過(guò)精密基準(zhǔn)電阻,，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓。此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例,，因此,，激勵(lì)電流的波動(dòng)會(huì)被消除。
3、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
光電轉(zhuǎn)換電路一般采用光電二極管（PD） + 運(yùn)放 + 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）方案（如圖10）,。由PD采集反射光,，由運(yùn)放流壓轉(zhuǎn)換并放大信號(hào)，然后ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給MCU,。由于PD工作于光伏模式,，因此負(fù)責(zé)流壓轉(zhuǎn)換的運(yùn)放需要超低偏置電流；為了提高分辨率,，ADC需要盡量高的處理位數(shù),。
圖10
考慮使用多個(gè)高性能分立器件硬件成本過(guò)高，在性能達(dá)標(biāo)的條件下可以盡量選擇集成度高的器件,。ADI旗下有一款產(chǎn)品（型號(hào)：ADPD2211）,，自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度，省去了外置運(yùn)放,；極好的脈沖響應(yīng)（典型帶寬達(dá)400KHz）,；超低電流噪聲（90fA/√Hz）。其內(nèi)部功能框圖如圖5,。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換,，省去眾多的外圍電路,。其功能框圖如圖11。
圖11
4,、MCU選型
市面上MCU以內(nèi)核區(qū)分主要是51內(nèi)核和ARM內(nèi)核,，還有部分是個(gè)某些廠家自研的內(nèi)核。當(dāng)選擇同一內(nèi)核的MCU時(shí),，各大廠家的產(chǎn)品卻都大同小異,，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結(jié)合的產(chǎn)品（型號(hào)：ADuCM361）其內(nèi)部資源框圖如圖12，結(jié)合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有,。
圖12
ADuCM361內(nèi)置32 位ARM Cortex-M3? 處理器,，常見(jiàn)的外設(shè)如UART、SPI,、IIC,、Timer、DMA,、DAC,、Watchdog都有集成，非常方便使用,；自帶一個(gè)片內(nèi)32 kHz 振蕩器和一個(gè)內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器使硬件設(shè)計(jì)可以省去外部晶振電路,；最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，可在全差分和單端模式下工作,，ADC模塊集成硬件濾波器,，可以選擇配置高速濾波器來(lái)進(jìn)行步進(jìn)變化檢測(cè)，也可選擇低速濾波器用于精密測(cè)量,；內(nèi)置一個(gè)低噪聲,、低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源，也可選擇外部基準(zhǔn)電壓源,；附帶的可編程激勵(lì)電流源,，可以應(yīng)用于許多電流驅(qū)動(dòng)型的傳感器。
ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似,，方案本身就需要MCU 作為信號(hào)處理模塊,，若選擇ADuCM361，則可以省去AD7124-4,，ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿足光電數(shù)據(jù)采集,、溫度傳感器驅(qū)動(dòng)，DAC控制光源恒流源并可以微調(diào)電流,，SPI控制數(shù)字電位器來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加熱器電流達(dá)到恒溫目的,。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢(shì)作出定位,，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡,、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無(wú)線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
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