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。最終實現個人一儀器一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。

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FC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10Mb/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網絡活動狀態指示。

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。

軟件模塊描述

本設計軟件部分主要分成觸摸屏及LCD模塊、A/D模塊、LED控制模塊和網絡模塊，見圖3系統流程圖。

本設計采用帶觸摸屏的LCD顯示器，主要實現菜單選擇、按鍵操作、測量的數據及狀態顯示，為本設計的操作帶來極大的方便，讓使用者在輕松、愉快的環境下使用本產品，是本設計的一大亮點。

本設計可以采用外部A/D或LPC2148內部自帶的10位A/D轉換器，根據本設計對數據精度的要求，采用2148自帶的A/D。該模塊主要是檢測CPLD模塊產生的SH信號，當該信號為高時，處理檢測數據，同時設置啟動A/D轉換的條件，在SH下降沿到來時重新啟動A/D進行下次測量，直到檢測結束。在該模塊中，還有一個重要的任務—數據處理，在這里，每個參數每次采集多組數據，求出平均值，同時與標準數據進行比較，判斷參數是否屬于正常范圍，并且增加了有無試紙的軟件識別。

LED控制模塊是通過恒流帶點校正功能的LED驅動芯片控制不同波長的LED的亮度、顯示順序及顯示的時間，使光纖采集到不同參數的光信號，輸入到CCD模塊。

在網絡傳輸層有兩個協議傳輸數據，傳輸控制協議TCP和用戶數據報協議UDP，TCP協議是面向對象的協議，可靠性高，但是費用也高，UDP協議是提供最少服務和費用的傳輸層協議。UDP是最簡單的協議，具有以下特點：無連接、不可靠、提供應用層協議標識、提高UDP報的校驗和、以及緩沖和分段。Socket接口函數是TCP/IP的API。使用Socket接口函數編寫通信的任務時，分服務器和客戶機兩種方式。服務器方式是先接受到數據再進行處理，而客戶機則是先發生數據然后等待回應處理，它們所用到的socket API函數是相同的。

結語

這是一種針對家庭用戶設計的基于嵌入式的微型尿液分析儀，采用了恩智浦半導體(NXP Semiconductors)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SPI接口用于觸摸屏和以太網的通訊。復位部分采用了NXP公司的74HC125。

儀器通過檢測尿液中的10項成分來診斷人體的健康狀況。在用戶把浸過了尿液的試紙條放入儀器后，通過LPC2148控制多波長LED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LCP2148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。

本儀器的創新在于整個過程使用觸摸屏來進行操作，具有友好的人機交互接口。設計的一種光電檢測系統，消除了傳統尿液分析儀機械傳動引起的誤差，并減小了體積和功耗。后續工作可以對以太網部分做進一步的研究，使得遠程醫療得到實現，適合家庭用戶的使用。

在設計的過程中，也遇到了很多問題。比如在調LCD的時候，由于購買的LCM的控制芯片SDE1335使用的5V電壓，而LPC2148使用的是3.3V電源，數據接口需要接上拉電阻，剛開始沒有發現這個問題，浪費了不少時間，后來在數據口接上10KΩ電阻，問題才得以解決。還有制作硬件，工藝達不到和資金問題。以及調觸摸屏的時候，按鍵識別不穩定等很多時候會花費比較多的心思和時間，仍不能解決。感到過山窮水盡，不過大家都積極努力，而且互相鼓勵，在一起交流討論，最后都一一解決。

這次恩智浦杯創新設計大賽確實有很多的收獲：讓我們能夠有機會把心中的靈感和創意成功地轉化為現實，也讓我體會到了實現過程中的艱辛和不易；培養了我團隊協作的能力和意識；磨煉了永不放棄的精神。

由于系統構架很大，而時間相對不是很充分。雖然我們盡可能地開發，不過還是有一些問題難以做得完善，比如USB通訊的多樣化功能的開發，以及以太網更大的拓展。我們也會繼續把開發進行下去。