基于恩智浦LPC2148的微型尿液分析儀的設計

摘要： 尿液分析儀是通過檢測人體尿液中相關成分來判斷人體健康的一種醫療儀器。采用無創傷、非介入檢測方法，能夠有效地檢查身體狀況。

關鍵詞： 尿液分析；試紙；CCD；光纖；LPC2148；嵌入式系統

項目概述

　　我們設計的微型尿液分析儀可以檢測尿液的十種參數，包括白細胞、亞硝酸鹽、尿膽原、蛋白質、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光源進行分時發光，然后反射光通過光纖照射到CCD上，經過信號的采集和模數轉換，并在微處理器中經過歸一化的算法，將結果輸出至LCD進行顯示，或者根據需要傳輸至PC。并可以利用以太網接口連接Internet，方便建設一個健康檢測網絡。不用復雜的操作便可以得到醫生的診斷，十分適合家庭用戶的使用。
　　通過設計新的儀器結構和檢測方法，使儀器精度達到或超過國內醫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。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絡讓醫生進行尿液分析結果的診斷。最終實現個人—儀器—醫療機構一體化的健康檢測網絡。
      
系統實現原理

　　尿液中包含了表征人體健康的多種物質，將特殊設計的試紙浸入到尿液中，試紙條上不同區域的物質會與尿液中相應的成分發生反應并表現出不同顏色。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的反射光的強度，就能得到試紙的顏色信息，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主要包含了主控制器、電源及復位、LCD觸摸屏、光電檢測模塊、LED、CPLD、CCD、USB和以太網等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，芯片內部集成的USB控制器可用來供電和傳輸數據，內部集成的ADC可以處理CCD采集到的模擬信號，內部集成PWM功能用于驅動LED，其它通用I/O口用于控制LCD觸摸屏、以太網等相關模塊。LPC2148外部只用加入很少的芯片就實現了系統的功能，使體積減小，功耗降低。

硬件平臺詳述

　　圖1  硬件設計框圖。

圖1  尿液分析儀原理框圖

　　a) 硬件模塊描述

　　嵌入式微型尿液分析儀系統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，共同實現儀器的功能。

　　嵌入式主控模塊采用了基于ARM7TDMI-S內核的微控制器LPC2148，集成度非常高。內嵌40kB的片內靜態RAM和512kB的片內Flash存儲器，片內集成ADC、DAC轉換器，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，降低了開發和生產的成本。芯片可以實現最高60MHz的工作頻率，有著較強的功能，能夠滿足嵌入式系統μC/OS—II及人性化的人機界面的要求。本設計中LPC2148所有的接口都有使用。

　　以太網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 的全部規范，采用了一系列包過濾機制以對傳入數據包進行限制。 它還提供了一個內部DMA 模塊，以實現快速數據吞吐和硬件支持的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，數據傳輸速率高達10 Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網絡活動狀態指示。

圖2  以太網接口電路圖

　　LED模塊采用了20個6種波長的LED。多波長的設計使得測量更有針對性，測量數據更有效。我們的設計能夠通過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確性。本設計使用的網絡芯片是帶SPI接口的獨立以太網控制器，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轉換器。