基于XMEGA的便攜式電解質分析儀的設計

王 顥， 王芳群， 吳 琴， 王宜用

（1.江蘇大學 電氣學院，江蘇 鎮江 212013；2.奧迪康醫療儀器有限責任公司 江蘇 鎮江 212000）

電解質分析儀可測定生物標本如血清、血漿、全血及稀釋尿液中的值鉀（K）、鈉（Na）、氯（Cl）、鈣（Ca）、PH 值等，并通過計算提供標準化離子鈣（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，奧林巴斯等國外產品進入中國后，國產電解質分析儀迅速跟進，并研制出一批性能較高的產品[2-3]。近幾年隨著一些突發事件的發生（如：汶川大地震），對便攜式醫療儀器的需求大大增加，便攜式電解質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單片機為核心器件設計的由電池供電的便攜式電解質分析儀，可以滿足野外使用需求。

1XMEGA簡介

XMEGA是8位AVR微處理器的強勁性能升級版本。XMEGA采用第二代picoPower技術，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個創新的事件系統，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到32 MI/s。

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

2 系統硬件設計

該系統是以ATxmega128A1微處理器為核心，外圍連接有顯示、按鍵、打印機、傳感器放大盒、電源、通訊等模塊，其硬件設計結構框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計結構框圖

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

2.1 傳感器調理放大電路

該分析儀的樣品液經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，無法直接進行 A/D轉換。因此，需要對這些模擬信號進行調理放大處理。在電路的設計上，為了與離子選擇電極的高內阻相匹配，采用CA3140集成運算放大器作為一級放大，二級放大采用高精度低漂移的HA17741運算放大器。

如圖2所示，采用3個運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構成差動輸入。后端的HA17741實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，負反饋電阻選擇高精度低溫漂的精密電阻，且電路閉環增益不太大。同時為防止電路板表面的漏電流，對電路板進行了局部鏤空。為了能在野外惡劣環境下工作，對電路板還進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擔，大大簡化了軟件編寫程序。CH452內置64鍵鍵盤控制器，基于8×8矩陣鍵盤掃描；內置按鍵狀態輸入的下拉電阻；內置去抖動電路；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，處于低功耗節電狀態中的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

為便于儀器現場使用方便，該系統設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主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設備方式。在本地端CH375具有8位數據總線和讀、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內部電源節點退耦，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主機方式要求時鐘頻率比較準確，X11的頻率是12 MHz±0.4‰，C1203和C1204是容量約為15 pF的獨石電容。LED1為數據傳送指示燈，用戶可以直觀觀察數據傳送狀態。

圖4 CH375與主控制器的連接電路

3 系統軟件設計

該系統軟件開發采用ATMEL公司提供的AVRStudio開發環境，并在該開發環境中內嵌了支持C語言的GCC[5-6]。分析儀軟件全部采用C語言編寫，這樣開發周期縮短，維護便捷。該系統軟件設計采用層次化模塊化結構設計，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的驅動和接口程序，包括液晶顯示、打印機、按鍵處理、步進電機、A/D采集轉換、系統時鐘、檢測和電源管理等模塊；第2層是在第1層的基礎上按照使用功能編寫的應用程序模塊，有主菜單、樣本分析、質控分析、質控統計、系統設定、系統校準、電極清洗、數據儲存及查詢和系統自檢等模塊。圖5中給出系統整體軟件設計流程。

圖5 系統整體軟件設計流程

4 結 論

該設計的便攜式電解質分析儀已經完成樣機制作，并進行相關測試。測試結果表明，由于采用先進的Xmega微控制器為核心，系統整體功耗較低，使用36 V10 Ah的鋰電池供電可以連續工作8小時左右。樣機已經通過了GE認證的電磁兼容測試，表明該儀器有較好的抗干擾能力。由此可見，所設計的便攜式電解質分析儀完全適應野外工作的需求。

[1]呂紅芳，王慧.醫用電解質分析儀的研制[J].上海電機學院學報，2006（3）：66-69.

[2]馬貞立，嚴錫君，王志堅.全自動電解質分析儀的設計與實現[J].測控技術，2004，23（8）：9-11.

[3]陶義訓，吳文俊.現代醫學檢驗儀器導論[M].上海：上海科學技術出版社，2002：80.

[4]蘇承昌，梁淑萍，揭新明.分析儀器[M].北京：軍事醫學科學出版社，2000：40-55.

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

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