基于NXP LPC2148的微型尿液分析仪

硬件平台详述

　　图1  硬件设计框图。

图1  尿液分析仪原理框图

　　a) 硬件模块描述

　　嵌入式微型尿液分析仪系统的硬件部分主要由光电检测模块、嵌入式主控模块、LED光源模块、CCD模块组成。由主控模块进行控制另外3个模块共同工作，共同实现仪器的功能。

　　嵌入式主控模块采用了基于ARM7TDMI-S内核的微控制器LPC2148，集成度非常高。内嵌40kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash存储器，片内集成ADC、DAC转换器，看门狗，实时时钟RTC，2个UART，2个I2C还有SPI等多个总线接口，及USB2.0全速接口。方便扩展USB接口、JTAG调试接口、触摸屏，外扩芯片少，而且采用超小的LQFP64封装，使得仪器的微型化得到了保证。而且电路相对简单，降低了开发和生产的成本。芯片可以实现最高60MHz的工作频率，有着较强的功能，能够满足嵌入式系统μC/OS—II及人性化的人机界面的要求。本设计中LPC2148所有的接口都有使用。

　　以太网接口部分采用了具有SPI接口的集成MAC 和10 BASE-T PHY的ENC28J60。大大地减小了主控制器I/O口的开销。ENC28J60 符合IEEE 802.3 的全部规范，采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。 它还提供了一个内部DMA 模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。 与主控制器的通信通过两个中断引脚和SPI 实现，数据传输速率高达10 Mb/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。

图2  以太网接口电路图

　　LED模块采用了20个6种波长的LED。多波长的设计使得测量更有针对性，测量数据更有效。我们的设计能够通过CCD测量的每个LED的亮度，然后由LPC2148通过点校正功能控制通过LED电流的大小，从而使LED之间的亮度保持一致，进一步提高测量的准确性。本设计使用的网络芯片是带SPI接口的独立以太网控制器，占用MCU的I/O口较少。

　　CCD模块主要包括整机电源、CPLD、线阵CCD传感器、运算放大器和高精度AD转换器。　

软件模块描述

　　本设计软件部分主要分成触摸屏及LCD模块、A/D模块、LED控制模块和网络模块。

　　本设计采用带触摸屏的LCD显示器，主要实现菜单选择、按键操作、测量的数据及状态显示，为本设计的操作带来极大的方便，让使用者在轻松、愉快的环境下使用本产品，是本设计的一大亮点。

　　本设计可以采用外部A/D或LPC2148内部自带的10位A/D转换器，根据本设计对数据精度的要求，采用2148自带的A/D。该模块主要是检测CPLD模块产生的SH信号，当该信号为高时，处理检测数据，同时设置启动A/D转换的条件，在SH下降沿到来时重新启动A/D进行下次测量，直到检测结束。在该模块中，还有一个重要的任务—数据处理，在这里，每个参数每次采集多组数据，求出平均值，同时与标准数据进行比较，判断参数是否属于正常范围，并且增加了有无试纸的软件识别。

　　LED控制模块是通过恒流带点校正功能的LED驱动芯片控制不同波长的LED的亮度、显示顺序及显示的时间，使光纤采集到不同参数的光信号，输入到CCD模块。

　　在网络传输层有两个协议传输数据，传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，TCP协议是面向对象的协议，可靠性高，但是费用也高；UDP协议是提供最少服务和费用的传输层协议。UDP是最简单的协议，具有以下特点：无连接、不可靠、提供应用层协议标识、提高UDP报的校验和、以及缓冲和分段。Socket接口函数是TCP/IP的API。使用Socket接口函数编写通信的任务时，分服务器和客户机两种方式。服务器方式是先接受到数据再进行处理，而客户机则是先发生数据然后等待回应处理，它们所用到的socket API 函数是相同的。

结语

　　这是一种针对家庭用户设计的基于嵌入式的微型尿液分析仪，采用了恩智浦半导体(NXP Semiconductors) 高集成度的LPC2148微处理器，芯片内部集成的USB控制器可用来供电和传输数据，内部集成的ADC可以处理CCD采集到的模拟信号，内部集成SPI接口用于触摸屏和以太网的通讯。复位部分采用了NXP公司的74HC125。

　　仪器通过检测尿液中的10项成分来诊断人体的健康状况。在用户把浸过了尿液的试纸条放入仪器后，通过LPC2148控制多波长LED进行分时发光，然后反射光通过光纤照射到CCD上，经过信号的采集和模数转换，并在LCP2148中经过归一化的算法，将结果输出至LCD进行显示，或者根据需要传输至PC。

　　本仪器的创新在于整个过程使用触摸屏来进行操作，具有友好的人机交互接口。设计的一种光电检测系统，消除了传统尿液分析仪机械传动引起的误差，并减小了体积和功耗。后续工作可以对以太网部分做进一步的研究，使得远程医疗得到实现，适合家庭用户的使用。

图4  微型尿液分析仪正视图


图5  微型尿液分析仪后视图


图6  微型尿液分析仪侧视图

　　在设计的过程中，也遇到了很多问题。比如在调LCD的时候，由于购买的LCM的控制芯片SDE1335使用的5V电压，而LPC2148使用的是3.3V电源，数据接口需要接上拉电阻，刚开始没有发现这个问题，浪费了不少时间，后来在数据口接上10KW电阻，问题才得以解决。还有制作硬件，工艺达不到和资金问题。以及调触摸屏的时候，按键识别不稳定等很多时候会花费比较多的心思和时间，仍不能解决。感到过山穷水尽，不过大家都积极努力，而且互相鼓励，在一起交流讨论，最后都一一解决。

　　这次恩智浦杯创新设计大赛确实有很多的收获：让我们能够有机会把心中的灵感和创意成功地转化为现实；也让我体会到了实现过程中的艰辛和不易；培养了我团队协作的能力和意识；磨炼了永不放弃的精神。

　　由于系统构架很大，而时间相对不是很充分。虽然我们尽可能地开发，不过还是有一些问题难以做得完善，比如USB通讯的多样化功能的开发，以及以太网更大的拓展。我们也会继续把开发进行下去。

参考文献：

　　1. 丛玉隆、马骏龙，‘当代尿液分析仪技术与临床[M]’，中国科学技术出版社, 1998: 34-57
　　2. Carlson DA, Statland BE, ‘Automated urinalysis[J]’, Clin Lab Med 1988,8(3):449-461
　　3. 周立功，‘USB 2.0与OTG规范及开发指南[M]’，北京航空航天大学出版社，2004,9
　　4. 前岛隆雄、橙车武同、神田博、他，‘多项目自动尿分析装置’，YELLOW IRIS概要，SPSMEX JOURNAL 1987，10、11