王 顥， 王芳群， 吳 琴， 王宜用

（1.江蘇大學(xué) 電氣學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.奧迪康醫(yī)療儀器有限責(zé)任公司 江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

電解質(zhì)分析儀可測定生物標(biāo)本如血清、血漿、全血及稀釋尿液中的值鉀（K）、鈉（Na）、氯（Cl）、鈣（Ca）、PH 值等，并通過計算提供標(biāo)準(zhǔn)化離子鈣（nCa）、總鈣（TCa），在臨床上具有較重要的意義[1]。自80年代汽巴康寧，奧林巴斯等國外產(chǎn)品進(jìn)入中國后，國產(chǎn)電解質(zhì)分析儀迅速跟進(jìn)，并研制出一批性能較高的產(chǎn)品[2-3]。近幾年隨著一些突發(fā)事件的發(fā)生（如：汶川大地震），對便攜式醫(yī)療儀器的需求大大增加，便攜式電解質(zhì)分析儀就是其中之一[4]。

這里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGA128單片機(jī)為核心器件設(shè)計的由電池供電的便攜式電解質(zhì)分析儀，可以滿足野外使用需求。

1XMEGA簡介

XMEGA是8位AVR微處理器的強(qiáng)勁性能升級版本。XMEGA采用第二代picoPower技術(shù)，是唯一真正使用1.6 V工作電壓的閃存微控制器。該器件功耗超低，并具有快速12位模擬功能、1個DMA控制器、1個創(chuàng)新的事件系統(tǒng)，以及1個AES加密引擎，全部都無需占用CPU資源，能夠最大限度減少功耗和提高系統(tǒng)性能。XMEGA128微控制器的閃存容量為128 Kb，采用100引腳的貼片封裝，工作電壓為1.6～3.6 V，32 MHz頻率下處理性能可達(dá)到32 MI/s。

由于XMEGA128的內(nèi)部豐富的資源和強(qiáng)勁的性能，使其非常適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。該便攜式電解質(zhì)分析儀采用XMEGA128作為核心微處理器，使得整個系統(tǒng)外圍器件大大減少，在降低成本的同時又提高了系統(tǒng)安全性、可靠性。XMEGA128較大的程序存儲空間能夠滿足電解質(zhì)分析儀的大量軟件代碼的存放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)是以ATxmega128A1微處理器為核心，外圍連接有顯示、按鍵、打印機(jī)、傳感器放大盒、電源、通訊等模塊，其硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

顯示部分采用 320×240通用的LCD，直接由ATxmega-128A1總線驅(qū)動，為用戶提供更多直觀信息，也使操作更方便。嵌入式微型打印機(jī)采用迅普公司的微型熱敏打印機(jī)，便于野外現(xiàn)場輸出文檔型資料，也直接由ATxmega128A1的總線驅(qū)動。

2.1 傳感器調(diào)理放大電路

該分析儀的樣品液經(jīng)高分子膜傳感器測量后得到的電信號的幅度很小，在－250～250 mV之間，無法直接進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。因此，需要對這些模擬信號進(jìn)行調(diào)理放大處理。在電路的設(shè)計上，為了與離子選擇電極的高內(nèi)阻相匹配，采用CA3140集成運(yùn)算放大器作為一級放大，二級放大采用高精度低漂移的HA17741運(yùn)算放大器。

如圖2所示，采用3個運(yùn)算放大器組成的測量放大電路，前段有2個高輸入阻抗的CA3140構(gòu)成差動輸入。后端的HA17741實(shí)際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。為了保證放大器的精度，負(fù)反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻，且電路閉環(huán)增益不太大。同時為防止電路板表面的漏電流，對電路板進(jìn)行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環(huán)境下工作，對電路板還進(jìn)行了防潮處理和電子屏蔽。

圖2 傳感器放大電路

電極信號有鉀、鈉、氯、鈣和pH共5路，分別經(jīng)各自的放大電路后連接到ATxmega128A1微處理器的A/D模塊端口。

2.2 鍵盤接口

為便于用戶使用，該系統(tǒng)共36個按鍵，其中有26個英文字母按鍵、4個快速功能按鍵、4個方向按鍵以及確定和取消按鍵，這些按鍵制作成6×6的薄膜開關(guān)按鍵。所有按鍵均有CH452器件控制，這樣可降低主處理器的工作負(fù)擔(dān)，大大簡化了軟件編寫程序。CH452內(nèi)置64鍵鍵盤控制器，基于8×8矩陣鍵盤掃描；內(nèi)置按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻；內(nèi)置去抖動電路；鍵盤中斷，可以選擇低電平有效輸出或者低電平脈沖輸出；提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放；支持按鍵喚醒，處于低功耗節(jié)電狀態(tài)中的CH452可以被部分按鍵喚醒。

圖3 鍵盤接口

圖3為基于CH452的鍵盤接口電路。為了防止按鍵被按下后，CH452的 SEG信號線與DIG信號線形成短路，在CH452的DIG0～DIG5引腳與鍵盤矩陣之間串聯(lián)有限流電阻，圖 3中 R40～R46，其阻值為 10 kΩ。CH452采用 4線制與主處理器ATxmega128A1鏈接，占用主處理器1個中斷接口和1組SPI接口。

2.3 USB通訊接口

為便于儀器現(xiàn)場使用方便，該系統(tǒng)設(shè)計了對外信息輸送的USB接口，可使儀器便捷地與各類存儲器及電腦連接。其中，USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USBHOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE設(shè)備方式。在本地端CH375具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可方便地掛接到ATxmega128A1微控制器的系統(tǒng)總線上。圖4為CH375與主控制器的連接電路，CH375的TXD引腳直接接地，從而使CH375工作于并口方式。電容C1201用于CH375內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)退耦，采用0.01 μF的高頻瓷片電容，可提高接口的EMI要求。電容C47和C1202用于外部電源退耦，采用0.1 μF的高頻瓷片電容。晶體X11、電容C1203和C1204用于CH375的時鐘振蕩電路。USB-HOST主機(jī)方式要求時鐘頻率比較準(zhǔn)確，X11的頻率是12 MHz±0.4‰，C1203和C1204是容量約為15 pF的獨(dú)石電容。LED1為數(shù)據(jù)傳送指示燈，用戶可以直觀觀察數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。

圖4 CH375與主控制器的連接電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件開發(fā)采用ATMEL公司提供的AVRStudio開發(fā)環(huán)境，并在該開發(fā)環(huán)境中內(nèi)嵌了支持C語言的GCC[5-6]。分析儀軟件全部采用C語言編寫，這樣開發(fā)周期縮短，維護(hù)便捷。該系統(tǒng)軟件設(shè)計采用層次化模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，共分為兩個層次，第1層是按照硬件各個功能模塊編寫相應(yīng)的驅(qū)動和接口程序，包括液晶顯示、打印機(jī)、按鍵處理、步進(jìn)電機(jī)、A/D采集轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)時鐘、檢測和電源管理等模塊；第2層是在第1層的基礎(chǔ)上按照使用功能編寫的應(yīng)用程序模塊，有主菜單、樣本分析、質(zhì)控分析、質(zhì)控統(tǒng)計、系統(tǒng)設(shè)定、系統(tǒng)校準(zhǔn)、電極清洗、數(shù)據(jù)儲存及查詢和系統(tǒng)自檢等模塊。圖5中給出系統(tǒng)整體軟件設(shè)計流程。

圖5 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計流程

4 結(jié) 論

該設(shè)計的便攜式電解質(zhì)分析儀已經(jīng)完成樣機(jī)制作，并進(jìn)行相關(guān)測試。測試結(jié)果表明，由于采用先進(jìn)的Xmega微控制器為核心，系統(tǒng)整體功耗較低，使用36 V10 Ah的鋰電池供電可以連續(xù)工作8小時左右。樣機(jī)已經(jīng)通過了GE認(rèn)證的電磁兼容測試，表明該儀器有較好的抗干擾能力。由此可見，所設(shè)計的便攜式電解質(zhì)分析儀完全適應(yīng)野外工作的需求。

[1]呂紅芳，王慧.醫(yī)用電解質(zhì)分析儀的研制[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2006（3）：66-69.

[2]馬貞立，嚴(yán)錫君，王志堅.全自動電解質(zhì)分析儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2004，23（8）：9-11.

[3]陶義訓(xùn)，吳文俊.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)檢驗儀器導(dǎo)論[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2002：80.

[4]蘇承昌，梁淑萍，揭新明.分析儀器[M].北京：軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)出版社，2000：40-55.

[5]周興華.AVR單片機(jī)C語言高級程序設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2008.

[6]馬潮.高檔8位單片機(jī)Atmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南（上）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.