2019年12月11日 | 采用高性能XMEGAl28单片机实现便携式电解质分析仪的设计

电解质分析仪可测定生物标本如血清、血浆、全血及稀释尿液中的值钾(K)、钠(Na)、氯(C1)、钙(Ca)、PH值等，并通过计算提供标准化离子钙(nCa)、总钙(TCa)，在临床上具有较重要的意义。自80年代汽巴康宁，奥林巴斯等国外产品进入中国后，国产电解质分析仪迅速跟进，并研制出一批性能较高的产品。近几年随着一些突发事件的发生(如：汶川大地震)，对便携式医疗仪器的需求大大增加，便携式电解质分析仪就是其中之一。

这里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28单片机为核心器件设计的由电池供电的便携式电解质分析仪，可以满足野外使用需求。

1 XMEGA简介

XMEGA是8位AVR微处理器的强劲性能升级版本。XMEGA采用第二代picoPower技术，是唯一真正使用1．6 V工作电压的闪存微控制器。该器件功耗超低，并具有快速12位模拟功能、1个DMA控制器、1个创新的事件系统，以及1个AES加密引擎，全部都无需占用CPU资源，能够最大限度减少功耗和提高系统性能。XMEGAl28微控制器的闪存容量为128 Kb，采用100引脚的贴片封装，工作电压为1．6～3．6 V，32 MHz频率下处理性能可达到32 MI／s。

由于XMEGAl28的内部丰富的资源和强劲的性能。使其非常适合应用于嵌入式系统。该便携式电解质分析仪采用XMEGAl28作为核心微处理器，使得整个系统外围器件大大减少，在降低成本的同时又提高了系统安全性、可靠性。XMEGAl28较大的程序存储空间能够满足电解质分析仪的大量软件代码的存放。

2 系统硬件设计

该系统是以ATxmegal28Al微处理器为核心，外围连接有显示、按键、打印机、传感器放大盒、电源、通讯等模块，其硬件设计结构框图如图1所示。

显示部分采用320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Al总线驱动，为用户提供更多直观信息，也使操作更方便。嵌入式微型打印机采用迅普公司的微型热敏打印机，便于野外现场输出文档型资料，也直接由ATxmegal28A1的总线驱动。

2．1 传感器调理放大电路

该分析仪的样品液经高分子膜传感器测量后得到的电信号的幅度很小，在-250～250 mV之间，无法直接进行A／D转换。因此，需要对这些模拟信号进行调理放大处理。在电路的设计上，为了与离子选择电极的高内阻相匹配，采用CA3140集成运算放大器作为一级放大，二级放大采用高精度低漂移的HAl7741运算放大器。

如图2所示，采用3个运算放大器组成的测量放大电路，前段有2个高输入阻抗的CA3140构成差动输入。后端的HAl7741实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。为了保证放大器的精度，负反馈电阻选择高精度低温漂的精密电阻，且电路闭环增益不太大。同时为防止电路板表面的漏电流，对电路板进行了局部镂空。为了能在野外恶劣环境下工作，对电路板还进行了防潮处理和电子屏蔽。

电极信号有钾、钠、氯、钙和pH共5路，分别经各自的放大电路后连接到ATxmegal28A1微处理器的A／D模块端口。

2．2 键盘接口

为便于用户使用，该系统共36个按键，其中有26个英文字母按键、4个快速功能按键、4个方向按键以及确定和取消按键，这些按键制作成6x6的薄膜开关按键。所有按键均有CH452器件控制，这样可降低主处理器的工作负担，大大简化了软件编写程序。CH452内置64键键盘控制器，基于8x8矩阵键盘扫描；内置按键状态输入的下拉电阻；内置去抖动电路；键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出；提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放；支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的CH452可以被部分按键唤醒。

图3为基于CH452的键盘接口电路。为了防止按键被按下后，CH452的SEG信号线与DIG信号线形成短路，在CH452的DIG0～DIG5引脚与键盘矩阵之间串联有限流电阻，图3中R40～R46，其阻值为10 kΩ。CH452采用4线制与主处理器ATxmegal28A1链接，占用主处理器1个中断接口和l组SPI接口。

2．3 USB通讯接口

为便于仪器现场使用方便，该系统设计了对外信息输送的USB接口，可使仪器便捷地与各类存储器及电脑连接。其中，USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主机方式和USBDEVICE／SLAVE设备方式。在本地端CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可方便地挂接到ATxmegal28Al微控制器的系统总线上。图4为CH375与主控制器的连接电路，CH375的TXD引脚直接接地，从而使CH375工作于并口方式。电容C1201用于CH375内部电源节点退耦，采用0．01μF的高频瓷片电容，可提高接口的EMI要求。电容C47和C1202用于外部电源退耦，采用0．1μF的高频瓷片电容。晶体X11、电容C1203和C1204用于CH375的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确，X11的频率是12 MHz±0．4‰，C1203和C1204是容量约为15 pF的独石电容。LEDl为数据传送指示灯，用户可以直观观察数据传送状态。

3 系统软件设计

该系统软件开发采用ATMEL公司提供的AVRStudio开发环境，并在该开发环境中内嵌了支持C语言的GCC。分析仪软件全部采用C语言编写，这样开发周期缩短，维护便捷。该系统软件设计采用层次化模块化结构设计，共分为两个层次，第l层是按照硬件各个功能模块编写相应的驱动和接口程序，包括液晶显示、打印机、按键处理、步进电机、A／D采集转换、系统时钟、检测和电源管理等模块；第2层是在第1层的基础上按照使用功能编写的应用程序模块，有主菜单、样本分析、质控分析、质控统计、系统设定、系统校准、电极清洗、数据储存及查询和系统自检等模块。图5中给出系统整体软件设计流程。

4 结论

该设计的便携式电解质分析仪已经完成样机制作，并进行相关测试。测试结果表明，由于采用先进的Xmega微控制器为核心，系统整体功耗较低，使用36 V10Ah的锂电池供电可以连续工作8小时左右。样机已经通过了GE认证的电磁兼容测试，表明该仪器有较好的抗干扰能力。由此可见，所设计的便携式电解质分析仪完全适应野外工作的需求。