通用人體呼吸氣體檢測電子鼻儀器設(shè)計(jì)

　　該電子鼻儀器采用的嵌入式系統(tǒng)微控制器是由NXP研發(fā)生產(chǎn)、基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存儲器，98KB片內(nèi)SRAM，雙AHB總線系統(tǒng)，先進(jìn)的向量中斷控制器(VIC)，支持多達(dá)32個向量中斷，優(yōu)秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT顯示屏的顯示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2個SSP和4路UART控制器等在內(nèi)的串行接口，以及3個I2C總線接口和I2S音頻接口。此外，它還具有SD/MMC存儲卡接口、10位ADC、10位DAC、2個PWM模塊、帶有獨(dú)立電源的RTC、4個通用定時器/計(jì)數(shù)器模塊和豐富的可靈活配置上拉/下拉電阻的GPIO引腳。可以說，LPC2478優(yōu)越的性能與靈活多樣的外圍模塊設(shè)計(jì)為其在醫(yī)療儀器與檢測設(shè)備中的應(yīng)用奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用到LPC2478功能模塊有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。將LPC2478的控制、輸入模塊與擴(kuò)展板上的氣體、溫度信號采樣電路、D/A控制真空泵驅(qū)動模塊、PWM步進(jìn)電機(jī)控制模塊、鍵盤陣列模塊、EDU與氣體傳感器加熱控制模塊以及電磁閥控制模塊相互連接，從而構(gòu)成整臺電子鼻檢測儀器的硬件基礎(chǔ)。整臺儀器是由220V的開關(guān)電源供電。

　　在對呼吸氣體檢測的實(shí)際應(yīng)用中，氣體傳感器的選擇與氣室的制作是該儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，表1列出的是樣機(jī)設(shè)計(jì)階段所采用的金屬氧化物傳感器，敏感氣體與相應(yīng)的氣體濃度檢測范圍。

　　在實(shí)際的人體呼吸氣體中，標(biāo)志氣體的濃度是比較低的，然而電子鼻檢測技術(shù)的應(yīng)用，能夠顯著地降低儀器對標(biāo)志氣體的檢測下限，約為0.1～0.5ppm。在單個傳感器無法完成對低濃度氣體的檢測時，傳感器陣列檢測技術(shù)、EDU高效富集作用和氣體在氣路中流動速度的優(yōu)化都能幫助儀器完成對呼吸氣體檢測的任務(wù)。

　　軟件模塊

　　儀器軟件設(shè)計(jì)部分主要包括氣體進(jìn)樣控制流程、PCA主成份分析與判斷流程、數(shù)據(jù)傳輸控制流程。如圖2所示為軟件執(zhí)行的具體流程。

　　在氣體進(jìn)樣控制流程中包括直接進(jìn)樣流程與吸附進(jìn)樣流程，兩個流程的切換是基于對氣體濃度的定性判斷。同時，氣路切換是由LPC2478控制步進(jìn)電機(jī)帶動六通閥實(shí)現(xiàn)的。

　　吸附進(jìn)樣相比于直接進(jìn)樣增加了對EDU的溫控流程，并分階段實(shí)現(xiàn)對低濃度樣本氣體的檢測。而在進(jìn)樣過程結(jié)束之后，系統(tǒng)均會程序化執(zhí)行“降溫延時”與“沖洗氣路”流程，為下一次進(jìn)樣做好準(zhǔn)備。

　　進(jìn)樣過程最后，系統(tǒng)都將把氣體傳感器陣列輸出的響應(yīng)值實(shí)時描繪在TFT液晶屏的T(時間)-C(濃度)坐標(biāo)系上，該采樣過程是由LPC2478的Timer2定時產(chǎn)生中斷實(shí)現(xiàn)的。傳感器響應(yīng)曲線將在“數(shù)據(jù)分析”的第一頁重現(xiàn)，并對一次采樣結(jié)束之后的數(shù)據(jù)作主成份分析，在標(biāo)準(zhǔn)氣體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以通過該分析過程判斷出樣本呼吸氣體中的主要成分，并將LPC2478判斷的結(jié)果顯示在液晶屏幕上。