基于線陣CCD光譜測量的尿液信息采集系統研制*

林新泉 ，倪 侃 ，游穎敏 ，王帥峰

(1.浙江省低壓電器智能技術重點實驗室，浙江 溫州325035；2.溫州大學 物理與電信學院，浙江 溫州325035)

隨著時代的發展，人們越來越關注自身健康，對身體狀況自診斷的需求與日俱增。尿液檢測是重要的疾病檢測手段，從尿液信息中可清楚了解自身狀況，目前檢測尿液的方法主要有顯微鏡檢測法、干化學法、尿沉渣法等[1]。但由于操作復雜、儀器貴重等原因，普通家庭很難配置傳統尿液檢測裝置，因此市場迫切需要一種價廉、便捷、快速的家庭式尿液檢測儀。為此提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測裝置。

基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測裝置通過不同波長LED照射浸過尿液的試紙，試紙上試塊的顏色信息在多波長LED照射過后轉換成反射光強度信息，經線性陣列CCD圖像傳感器TCD1209D采集，供數據分析系統進行數據分析處理，由此即可得到準確的診斷信息。

本文簡介了試紙法尿液檢驗現狀，并詳細闡述了尿檢儀核心模塊——CCD顏色信息采集系統的設計。

1 試紙法尿液檢驗現狀

試紙法是現代臨床檢驗中的一種常用方法，一般是將體液涂敷在經化學處理的試紙上，通過試紙上檢測劑與體液中特定成分反應引起的試紙顏色變化診斷病情。試紙檢驗法由于檢測設備成本低、使用方便等特點十分適合家庭醫療應用[2]。

試紙法屬于干化學分析方法，其結果分析方法主要有差示電位法和反射光度法兩種，尿液試紙主要采用反射光度法進行檢驗[3]。試紙的反射率R遵循如下公式[4]：

其中，X為試紙上固相反應層厚度，K為單位厚度的光吸收系數，S為固相反應層的散射系數

尿常規檢驗試紙瓶上通常印有色標用于比對，但這種人工比對的方法無法實現定量測量，且對于最需要家庭健康檢查的中老年人群，通過細微的顏色變化進行自我診斷存在實際的困難。因此，借助儀器來判讀試紙信息是有價值的。

2 系統設計

系統主要由供電模塊、CPLD可編程邏輯器件、CCD圖像傳感器和信號的處理電路組成，其中CPLD采用Altera公司的EPM7064S，CCD圖像傳感器采用東芝公司的TCD1209D，控制及信號處理采用STM32系列ARM芯片。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 尿液信息數據采集系統的整體方案

電源模塊輸出+12 V、+9 V直流電供裝置使用。EPM7064S產生的CCD控制信號接入6輸入的反相器以轉換電平并增加其驅動能力，再連接至CCD各控制腳，該控制信號同時作為ARM板的采樣標志信號。CCD圖像傳感器根據采集到的光強輸出相應的模擬信號，其輸出電壓為2.4～5.6 V之間，使用信號處理電路將CCD輸出信號放大整形至0～3.3 V，供ARM內置的ADC直接采樣。

3 CCD圖像傳感器TCD1209D簡介

TCD1209D是東芝公司的低暗電流[5]、高靈敏度線陣圖像傳感器，具有2 048個有效光敏單元，光敏單元尺寸為 14 μm×14 μm，其中心距亦為 14 μm。 TCD1209D 的內部原理圖如圖2所示。

圖2 TCD1209D工作原理圖

從原理圖可看出，TCD1209D由光敏單元區（Photo Diode）、轉移柵（Shift Gate）、CCD 模擬移位寄存器和信號輸出緩沖器4部分組成。其中光敏單元區的光敏單元前面部分的 D13～D31和最后面部分的 D3～D39是虛設單元，虛設單元經光學涂黑，用于校正輸出信號的基線溫漂[6]。真正有效的是中間的S1～S2048共2 048個光敏單元。轉移柵相當于開關，當其關閉時，光敏單元區和CCD模擬移位寄存器被分隔成兩個獨立部分，光敏單元根據光信號積累電荷（稱為光積分階段），而CCD模擬移位寄存器則運行移位功能，兩部分互不干擾，獨立進行。轉移柵打開時，光敏單元把電荷信號并行傳輸給移位寄存器，再由移位寄存器串行傳輸到輸出緩沖器中，此時移位寄存器的輸出是由脈沖信號φ1和φ2控制。輸出緩沖器將輸出的電荷信號進行處理，使信號更加穩定，最后在CP和RS信號的作用下，將穩定的模擬信號輸出到OS端，這樣即完成了整個CCD傳感器的工作流程。

TCD1209D共有22個管腳，其中有用的管腳有9個，其功能如表1所示，時序如圖3所示。

表1 TCD1209D引腳說明

圖3 TCD1209D驅動時序

從圖3可知，TCD1209D傳感器的驅動脈沖信號共6個，其中 φ2和 φ2B信號相同，φ1和 φ2互為反相，SH信號的高電平（電荷傳輸階段）時間必須大于1 000 ns（典型值為 1 500 ns），CP和 RS信號的高電平時間須大于10 ns(典型值為100 ns)。根據脈沖間相位要求可知，當SH為高電平時，φ1必須為高電平，而 φ2和 φ2B以及RS和CP必須為低電平；在RS信號為1時，φ1脈沖信號必須比SH信號提前至少200 ns置高，且比SH信號至少延遲200 ns才能置低，以保證在SH轉移門傳輸電荷信號時不受到移位信號的影響。同樣，CP信號置低須比SH置高至少提前200 ns，而RS信號從低置高則至少比SH信號從高置低延遲200 ns。RS信號和CP信號必須出現在φ2B的高電平階段，且RS信號相位超前于CP的相位，CP信號下降沿提前于φ2B信號下降沿的典型時間值為50 ns。在SH為低電平期間（光積分階段），至少有前面32個虛設單元信號和后面8個虛設單元信號(其中最后一個為校驗位輸出)以及中間的2 048個有效的光敏單元信號，即共有2 088個信號輸出，因此必須保證至少有 2 088 個 φ1、φ2、φ2B、RS、CP 信號。

4 CCD驅動電路硬件設計

尿液信息采集系統的硬件核心是CCD圖像傳感器的驅動。目前CCD圖像傳感器芯片的驅動方案主要有EPROM、專用芯片、單片機、可編程邏輯器件 4種[7]，考慮到對多種線陣CCD的通用性，本裝置采用基于可編程邏輯器件（CPLD）的驅動方案。驅動電路如圖4所示。

圖4 CCD驅動電路

由于TCD1209D的驅動信號頻率很高，為保證信號完整性，在反相器與TCD1209D連線上串入了小電阻，其作用主要有：(1)提高信號源與信號線間的阻抗匹配以減少信號振蕩等不利于信號傳輸的情況；(2)削弱信號的邊沿尖峰，串聯上小電阻后電阻與信號線中的分布電容形成RC濾波電路，可以消減尖峰信號的發生，使得輸入信號更加平緩[8]。

CCD輸出信號經基于運放的電平變換、放大等信號調理電路后方可送入ADC采集。須注意的是，由于CCD輸出信號的頻率比較高，典型值為1 MHz，所以對運放的要求也非常高，須選擇高帶寬、高電壓擺率的型號，如美國Analog Devices公司的AD8031或AD8051運放。

5 CPLD軟件設計

線陣CCD的驅動可分為光積分開始、光積分與電荷移位、光積分結束、電荷轉移4個階段，系統工作即是這4個階段的不斷循環進行。所以只要分析出4個狀態各自的波形，再讓狀態機不斷在4個狀態中循環執行，即可實現CCD信號的輸出。

當外部光源發生顯著變化時，需要改變光積分的時間。可通過改變驅動脈沖信號的頻率或在一個驅動時序周期末增加空驅動脈沖的方法實現。

編寫的Verilog HDL程序在QuartusII中仿真的波形如圖5所示（反相）。

圖5 QuartusII波形仿真圖

軟件仿真和硬件調試證明，CPLD輸出的波形滿足TCD1209D驅動要求[9]。

6 系統調試分析

通過改變CCD外部光線強弱可得到變化的信號輸出，波形如圖6所示。

通過對比可知，當光線強時CCD輸出的信號峰峰值大，在光飽和時甚至產生尖峰信號；當光線減弱時CCD輸出信號峰峰值減小且輸出電壓最小值增大；當完全遮擋住時輸出信號與第一個階梯處持平。其中CCD有效輸出電平均為信號最底部的平坦部分。

圖6 不同外部光強時CCD輸出波形

7 實驗結果

用尿液采集系統讀取尿10項試紙，各試紙塊上的反射光強度AD采集結果如表2所示。

表2 實驗結果

表2中，1、2組數據是在黑暗背景條件下相同樣品測試的結果，3～6組數據是在明亮背景條件下不同樣品測試的結果。從數據可得出，在特定環境下采集的數據具有一致性能，能滿足家庭診斷要求，系統采集的數據穩定可信。但環境光對測量結果有影響，因此在產品化時應在光學檢測機構中增設遮光措施，同時，在數據處理過程中需要根據試紙白色基底部分的反射光數據作修正。

本文針對目前便捷式尿液分析儀的發展及CCD圖像傳感器的應用提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息數據采集系統。該系統配合多波長LED，可采集尿液試紙的顏色信息，以供后續的數據處理模塊分析。系統使用CPLD芯片EPM7064s作為驅動，可實現在線編程，方便了整個系統的調試、更新。同時整個系統的布線簡潔、方便，有利于系統的穩定性和抗干擾的能力。該系統也可應用于其他圖像采集場合中，具有顯著的實用性和推廣性。

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[5]TOSIBA.TCD1209D TOSIBA CCD linear image sensor datasheet[EB/OL].(2001-10-15)[2013-12-30].http：//www.alldatasheet.com.

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[7]張智輝.線陣CCD驅動電路設計的幾種方法[J].儀表技術與傳感器，2004(06)：32-34.

[8]王帥.CCD器件的特性評價及其驅動和數據采集電路設計[D].杭州：浙江大學，2006.

[9]王長宏，陳朝陽，鄒雪城，等.Verilog HDL設計實例及其仿真與綜合[J].計算機應用，2001，27(12)：19-22.