《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于線陣CCD光譜測量的尿液信息采集系統(tǒng)研制
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
林新泉1，2，倪 侃1，2，游穎敏1，2，王帥峰1，2
(1.浙江省低壓電器智能技術(shù)重點實驗室，浙江 溫州325035； 2.溫州大學(xué) 物理與電信學(xué)院，浙江
摘要： 針對目前尿液檢測試紙的特點，提出一種基于CCD圖像傳感器的尿液信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用CCD圖像傳感器檢測多波長LED照射尿液檢測試紙后的反射光強度。采用CPLD芯片EPM7064s產(chǎn)生驅(qū)動信號控制CCD芯片TCD1209D，用ARM芯片STM32采集CCD輸出的模擬信號。經(jīng)測試，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可準(zhǔn)確采集到尿液試紙反射光的光強變化，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。
中圖分類號： TH832
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)05-0007-03
Development of urine data acquisition system based on spectrum measurement with CCD linear image sensor
Lin Xinquan1，2，Ni Kan1，2，You Yingmin1，2，Wang Shuaifeng1，2
1.The Key Laboratory of Low-Voltage Apparatus Intelligent Technology of Zhejiang，Wenzhou 325035，China；2.College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University，Wenzhou 325035，China
Abstract： Considering characteristics of current urine test paper, a urine data acquisition system was proposed based on CCD image sensor. CCD was utilized to measure intensity of light reflected from urine test paper under several LEDs with different wavelength. CPLD chip EPM7064s was adopted to drive CCD module TCD1209D, whose analog output signal was digitalized by ARM chip STM32. The results indicate that this system is able to acquire intensity of reflected light from urine test paper precisely and output reliable data for further analysis.
Key words : CCD image sensor；spectrum measurement；test paper；urine test；CPLD

    隨著時代的發(fā)展，人們越來越關(guān)注自身健康，對身體狀況自診斷的需求與日俱增。尿液檢測是重要的疾病檢測手段，從尿液信息中可清楚了解自身狀況，目前檢測尿液的方法主要有顯微鏡檢測法、干化學(xué)法、尿沉渣法等[1]。但由于操作復(fù)雜、儀器貴重等原因，普通家庭很難配置傳統(tǒng)尿液檢測裝置，因此市場迫切需要一種價廉、便捷、快速的家庭式尿液檢測儀。為此提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測裝置。
    基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測裝置通過不同波長LED照射浸過尿液的試紙，試紙上試塊的顏色信息在多波長LED照射過后轉(zhuǎn)換成反射光強度信息，經(jīng)線性陣列CCD圖像傳感器TCD1209D采集，供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析處理，由此即可得到準(zhǔn)確的診斷信息。
    本文簡介了試紙法尿液檢驗現(xiàn)狀，并詳細(xì)闡述了尿檢儀核心模塊——CCD顏色信息采集系統(tǒng)的設(shè)計。
1 試紙法尿液檢驗現(xiàn)狀
    試紙法是現(xiàn)代臨床檢驗中的一種常用方法，一般是將體液涂敷在經(jīng)化學(xué)處理的試紙上，通過試紙上檢測劑與體液中特定成分反應(yīng)引起的試紙顏色變化診斷病情。試紙檢驗法由于檢測設(shè)備成本低、使用方便等特點十分適合家庭醫(yī)療應(yīng)用[2]。
    試紙法屬于干化學(xué)分析方法，其結(jié)果分析方法主要有差示電位法和反射光度法兩種，尿液試紙主要采用反射光度法進行檢驗[3]。試紙的反射率R遵循如下公式[4]：
  

    電源模塊輸出+12 V、+9 V直流電供裝置使用。EPM7064S產(chǎn)生的CCD控制信號接入6輸入的反相器以轉(zhuǎn)換電平并增加其驅(qū)動能力，再連接至CCD各控制腳，該控制信號同時作為ARM板的采樣標(biāo)志信號。CCD圖像傳感器根據(jù)采集到的光強輸出相應(yīng)的模擬信號，其輸出電壓為2.4～5.6 V之間，使用信號處理電路將CCD輸出信號放大整形至0～3.3 V，供ARM內(nèi)置的ADC直接采樣。
3 CCD圖像傳感器TCD1209D簡介
    TCD1209D是東芝公司的低暗電流[5]、高靈敏度線陣圖像傳感器，具有2 048個有效光敏單元，光敏單元尺寸為14 μm×14 μm，其中心距亦為14 μm。TCD1209D的內(nèi)部原理圖如圖2所示。

    從原理圖可看出，TCD1209D由光敏單元區(qū)（Photo Diode）、轉(zhuǎn)移柵（Shift Gate）、CCD模擬移位寄存器和信號輸出緩沖器4部分組成。其中光敏單元區(qū)的光敏單元前面部分的D13～D31和最后面部分的D3～D39是虛設(shè)單元，虛設(shè)單元經(jīng)光學(xué)涂黑，用于校正輸出信號的基線溫漂[6]。真正有效的是中間的S1～S2048共2 048個光敏單元。轉(zhuǎn)移柵相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)其關(guān)閉時，光敏單元區(qū)和CCD模擬移位寄存器被分隔成兩個獨立部分，光敏單元根據(jù)光信號積累電荷（稱為光積分階段），而CCD模擬移位寄存器則運行移位功能，兩部分互不干擾，獨立進行。轉(zhuǎn)移柵打開時，光敏單元把電荷信號并行傳輸給移位寄存器，再由移位寄存器串行傳輸?shù)捷敵鼍彌_器中，此時移位寄存器的輸出是由脈沖信號Φ1和Φ2控制。輸出緩沖器將輸出的電荷信號進行處理，使信號更加穩(wěn)定，最后在CP和RS 信號的作用下，將穩(wěn)定的模擬信號輸出到OS端，這樣即完成了整個CCD傳感器的工作流程。
    TCD1209D共有22個管腳，其中有用的管腳有9個，其功能如表1所示，時序如圖3所示。

    從圖3可知，TCD1209D傳感器的驅(qū)動脈沖信號共6個，其中Φ2和Φ2B信號相同，Φ1和Φ2互為反相，SH信號的高電平（電荷傳輸階段）時間必須大于1 000 ns（典型值為1 500 ns），CP和RS信號的高電平時間須大于10 ns(典型值為100 ns)。根據(jù)脈沖間相位要求可知，當(dāng)SH為高電平時，?準(zhǔn)1必須為高電平，而Φ2和Φ2B以及RS和CP必須為低電平；在RS信號為1 時，Φ1脈沖信號必須比SH信號提前至少200 ns置高，且比SH信號至少延遲200 ns才能置低，以保證在SH轉(zhuǎn)移門傳輸電荷信號時不受到移位信號的影響。同樣，CP信號置低須比SH置高至少提前200 ns，而RS信號從低置高則至少比SH信號從高置低延遲200 ns。RS信號和CP信號必須出現(xiàn)在Φ2B的高電平階段，且RS信號相位超前于CP的相位，CP信號下降沿提前于?準(zhǔn)2B信號下降沿的典型時間值為50 ns。在SH為低電平期間（光積分階段），至少有前面32個虛設(shè)單元信號和后面8個虛設(shè)單元信號(其中最后一個為校驗位輸出)以及中間的2 048個有效的光敏單元信號，即共有2 088個信號輸出，因此必須保證至少有2 088個Φ1、Φ2、Φ2B、RS、CP信號。
4 CCD驅(qū)動電路硬件設(shè)計
    尿液信息采集系統(tǒng)的硬件核心是CCD圖像傳感器的驅(qū)動。目前CCD圖像傳感器芯片的驅(qū)動方案主要有EPROM、專用芯片、單片機、可編程邏輯器件4種[7]，考慮到對多種線陣CCD的通用性，本裝置采用基于可編程邏輯器件（CPLD）的驅(qū)動方案。驅(qū)動電路如圖4所示。

 

 

    由于TCD1209D的驅(qū)動信號頻率很高，為保證信號完整性，在反相器與TCD1209D連線上串入了小電阻，其作用主要有：(1)提高信號源與信號線間的阻抗匹配以減少信號振蕩等不利于信號傳輸?shù)那闆r；(2)削弱信號的邊沿尖峰，串聯(lián)上小電阻后電阻與信號線中的分布電容形成RC濾波電路，可以消減尖峰信號的發(fā)生，使得輸入信號更加平緩[8]。
    CCD輸出信號經(jīng)基于運放的電平變換、放大等信號調(diào)理電路后方可送入ADC采集。須注意的是，由于CCD輸出信號的頻率比較高，典型值為1 MHz，所以對運放的要求也非常高，須選擇高帶寬、高電壓擺率的型號，如美國Analog Devices公司的AD8031或AD8051運放。
5 CPLD軟件設(shè)計
    線陣CCD的驅(qū)動可分為光積分開始、光積分與電荷移位、光積分結(jié)束、電荷轉(zhuǎn)移4個階段，系統(tǒng)工作即是這4個階段的不斷循環(huán)進行。所以只要分析出4個狀態(tài)各自的波形，再讓狀態(tài)機不斷在4個狀態(tài)中循環(huán)執(zhí)行，即可實現(xiàn)CCD信號的輸出。
    當(dāng)外部光源發(fā)生顯著變化時，需要改變光積分的時間。可通過改變驅(qū)動脈沖信號的頻率或在一個驅(qū)動時序周期末增加空驅(qū)動脈沖的方法實現(xiàn)。
    編寫的Verilog HDL 程序在QuartusII中仿真的波形如圖5所示（反相）。

7 實驗結(jié)果
    用尿液采集系統(tǒng)讀取尿10項試紙，各試紙塊上的反射光強度AD采集結(jié)果如表2所示。

    表2中，1、2組數(shù)據(jù)是在黑暗背景條件下相同樣品測試的結(jié)果，3~6組數(shù)據(jù)是在明亮背景條件下不同樣品測試的結(jié)果。從數(shù)據(jù)可得出，在特定環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)具有一致性能，能滿足家庭診斷要求，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可信。但環(huán)境光對測量結(jié)果有影響，因此在產(chǎn)品化時應(yīng)在光學(xué)檢測機構(gòu)中增設(shè)遮光措施，同時，在數(shù)據(jù)處理過程中需要根據(jù)試紙白色基底部分的反射光數(shù)據(jù)作修正。
    本文針對目前便捷式尿液分析儀的發(fā)展及CCD圖像傳感器的應(yīng)用提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合多波長LED，可采集尿液試紙的顏色信息，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理模塊分析。系統(tǒng)使用CPLD芯片EPM7064s作為驅(qū)動，可實現(xiàn)在線編程，方便了整個系統(tǒng)的調(diào)試、更新。同時整個系統(tǒng)的布線簡潔、方便，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他圖像采集場合中，具有顯著的實用性和推廣性。
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