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行直觀的操作,也可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)讓醫(yī)生進行尿液分析結(jié)果的診斷。最終實現(xiàn)個人—儀器—醫(yī)療機構(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度也會有所不同,用CCD來檢測通過光纖傳輸?shù)姆瓷涔獾膹姸龋湍艿玫皆嚰埖念伾畔?,從而鑒別出尿液的成分,進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。方便擴展USB接口、JTAG調(diào)試接口、觸摸屏,外擴芯片少,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,有著較強的功能,能夠滿足嵌入式系統(tǒng)μC/OS—II及人性化的人機界面的要求。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制以對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。 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10 Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED,進行網(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)器和客戶機兩種方式。服務(wù)器方式是先接受到數(shù)據(jù)再進行處理,而客戶機則是先發(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行操作,具有友好的人機交互接口。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)進行下去。
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