7.第二章 便携式生化分析仪硬件设计

第2章 便携式生化分析仪硬件设计

第2章 便携式生化分析仪硬件设计

2.1仪器系统结构设计

通过对国内外情况的分析，与合作单位中国人民解放军总医院，及部分用户单位协商，我们确定实验样机应具备的主要功能如下：

◆ 可分别检测葡萄糖、尿酸、胆固醇和酮体等四种指标。

◆ 轻触式按键开关机：仪器延时按键开机，测试过程中可手动按键关

机，也可停止操作时间过长后自动关机。

◆ 电量不足提示：检测之前，如发现电源电量不足，仪器自动提示。

需要设计测试电路。

◆ 可存储500组测试数据。

◆ 记忆值显示及翻看：每次开机显示上次的测试结果，并可通过按键

翻看已存储的所有记忆值。

◆ 时间/日历功能：仪器可显示或设定时间，并可储存测试时间。 ◆ 上传数据：可通过串行通信将测试数据上传到计算机上。

◆ 低功耗：两节七号电池可完成1000次测试。

根据上述便携式生化分析仪需要实现的主要功能，设计的系统结构如图2.1所示。

图2.1 仪器整体结构框图

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◆ 仪器采用模块化的设计思想，整体上由信号检测模块、微处理器模块、液晶显示模块、数据存储模块、时间/日历功能模块以及串口通信模块等诸多模块组合而成。

◆ 当血液滴加到酶电极上时，触发电极启动信号检测电路对四种指标之一进行检测。被测物质在酶电极上发生氧化还原反应，产生电流信号。

◆ 信号检测电路对检测信号分别进行放大、滤波处理，最后经过A/D采样输入单片机，单片机接收到采样电压后，将其转换成检测成分的浓度值。

◆ 液晶模块的功能在于显示操作提示，EEPROM用于存储测试数据，时间/日历芯片用于实现仪器的时间/日历功能。串口通信模块用来实现单片机与PC机之间的信息传输。

◆ 仪器采用了三按键设计，一个按键为仪器的主控制键，长按键可实现仪器的开、关机，短按键可实现仪器功能的切换。另外两键作为调节键。通过这两个调节键，操作者可以设定仪器时间、上下翻看测试值等。

2.2 基于ADµC812的硬件电路设计

仪器选用ADµC812作为核心微控制器。主要控制其他模块实现预定功能的ADµC812是美国Analog Device公司出品的微处理器。它是全集成的12位数据采集处理系统，单个芯片内包含了自校准多通道ADC（8通道12位高精度）、2个12位的DAC、三个定时器、片内带有8kB的闪速/电擦除（Flash/EE）程序存储器、640B的闪速/电擦除数据存储器以及256B的SRAM。它还具有内部节能模式，最多可接64MB的外部数据存储器。其内核与8051兼容。指令系统也与51系列兼容，有利于缩短产品的开发周期[18]。ADµC812的功能框图如图2.2所示。

仪器包含了信号检测模块、电源管理模块、液晶模块、数据存储模块、时钟/日历模块以及串行通信模块等电路。下面分别对仪器电路的各个功能模块给以介绍。

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图2.2 ADµC812功能框图

2.2.1 信号检测电路

信号检测电路的主要功能是检测酶电极与血液反应所产生的微电流信号，经过处理使其转变成便于识别的电压信号。通过A/D转换，成为单片机能够处理的信号。图2.3是信号检测框图。

在电路设计中，要给检测所用的酶电极两端加上恒定的0.4V电压。在酶电极上滴血后产生的微电流非常小，不便于直接测量，所以先将其转换成电压信号。滤波的目的主要是去除干扰信号，使得测试更加精确。这些干扰信号主要来自电源和各种因素产生的系统噪声。经过处理后的电压值通过A/D转换后输入单片机。

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图2.3 信号检测电路框图

检测电路的技术关键在于微电流检测。经过大量相关文献的查阅和研究，参考恒电位仪的三电极检测原理[19]，自行设计出可用于便携式小型仪

器的两电极电化学检测原理。此原理的检测原理图如图2.4。WE与CE分别是生物传感器上的工作电极与辅助电极，其中工作电极上固化有酶。连接R1的运放是比较放大器，连接R2的是零阻电流计，R2是电流测量取样电阻，Vi是给定的工作电压。经过大量的实验验证，该微电流检测电路的设计是可行的。

图2.4微电流检测电路简化原理图

2.2.2 液晶显示模块

LCM04QH是根据仪器的功能自行设计的14位17段液晶显示模块，有3-4线串行接口，可与绝大部分单片机、接口IC连接。具有低功耗特性，

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显示状态50μA（典型值），省电模式

图2.5 液晶显示器设计图

液晶显示器的设计如图2.5所示。显示器的设计要求做到操作提示简单易懂。合理设计测试值及单位显示的大小，使得液晶显示美观。数据上方的一排文字依次是“血糖 胆固醇 尿酸 酮体 电量不足”。前四个分别指示当前测试的是何种指标；“电量不足”提示仪器所用电池的电量不足。数据下方的一排文字分别是“插入试条 滴血 错误 联机”。“插入试条”指示使用者开机后插入试条的时间；“滴血”提示可以滴加血样到酶电极上。如果在这个测试过程中有误操作，仪器将显示“错误”；当仪器选择“联机”的时候，表明此时可以同PC机进行串行通信。液晶下方显示时间/日历。数据和右部的两组单位“mmol/L”和“mg/dl”在测试结束后交替显示两种单位下的测试数据。

液晶与单片机之间只需连接/CS、/WR、DATA三线即可。接口框图如图2.6。

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图2.6 液晶接口应用方框图

2.2.3外围扩展EEPROM

仪器选用Microchip公司的93LC86作为仪器的存储芯片。93LC86是2048×8或1024×16位串行CMOS EEPROM，具有数据在线改写和掉电保存功能，重复擦写次数可达百万次，数据保存期在二百年以上；当采用＋5V单电源工作时，输入输出电平与TTL兼容；片内有定时发生器，擦除和写入操作均由此定时电路自动控制；具有整体编程使能和禁止功能，增强了数据的保护能力。

图2.7为93LC86管脚定义及与单片机接口示意图。该芯片由片选信号使能，通过由数据输入、数据输出和移位时钟等组成的三线串行接口进行数据存取。93LC86的管脚中：（1）CS是片选信号，高电平有效，在每次CS有效期间，芯片只接收一条合法指令。（2）CLK为串行数据移位时钟，该信号的上升沿将DI端的数据锁存入芯片，或将芯片内待输出的数据移出到DO端。其时钟频率范围为0~1MHz。（3）DI是串行数据输入端。（4）DO是串行数据输出端（读操作时）；擦写操作时，DO脚用作忙闲状态指示（READY/BUSY）；其余状态时，DO脚处于高阻态。（5）PE为编程使能端，高电平有效。（6）ORG是存储器结构选择端，决定储存器处于×8位结构还是×16位结构。高电位是2048×8位结构。

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图2.7 93lc86与单片机接口电路图

实际设计中，存储器选用×16位结构，每3个单元存储一个测试结果，包括测试的样品种类（2位）、测试时间（32位）、测试值（12位）三个信息。

2.2.4 时钟/日历芯片RS1302

为了便于病人查看测试时间，以及为PC机上的辅助诊断系统提供时间参数，我们设计了时间/日历功能。选取DS1302芯片为系统提供这一功能。

图2.8 DS1302电路连接图

如图2.8所示，X1和X2为外接晶振引脚，为保证时钟计时精度，建议选用

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的晶振频率为32.1768KHz。在断电时，DS1302由电池通过VCC2引脚供电，以保证时钟芯片的正常工作和内部RAM中的数据不丢失。GND为公共接地引脚。RST是芯片复位引脚。当RST为高电平时，启动数据传输；当RST为低电平时，禁止数据传输。I/O为数据输入、输出引脚。SCLK是串行时钟引脚。VCC1，VCC2为工作电源引脚。VCC1为系统电源引入脚，VCC2为备份电源引入脚。

DS1302慢速充电时钟芯片包括实时时间/日历和31字节的静态RAM，它经过串行接口与微处理器通信。实时时间/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AM(上午)/PM(下午)的12小时格式，使用同步串行通信，简化了DS1302与微处理器的通信。与时钟/RAM通信仅需三根线： RST、I/O和SCLK，数据可以以每次一个字节或多达31个字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。DS1302能在非常低的功耗下工作，小于1µw的功率即能保存数据和时钟信息。

2.2.5 串口通信模块

串口通信模块主要负责单片机程序的加载以及与仪器的客户端软件之间进行数据传输。ADµC812通过UART串行接口实现与PC机的RS232通信功能。

ADµC812配置了很强的串行接口。共有3种串行接口：UART串行接口、SPI串行接口和与I²C兼容的串行接口。其中UART串行接口是全工的，可以同时发送和接收数据。它也是接收缓冲的，表示在接收寄存器读出先前接收到的字节之前，可以开始接收第2个字节。但如果在第2个字节的接收完成时，第1个字节仍未被读出，那么字节之一就会被丢失。它可以作UART通用异步接收和发送器用，也可以作同步移位寄存器用。其帧格式和波特率可以通过软件编程设置，在使用上非常方便[20]。

在实现单片机与PC机的通信设计中，选取了MAX232[21]实现TTL与RS232之间的电平转换。具体连接如图2.9所示。

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图2.9 MAX232应用电路图

2.2.6 电源管理模块

电源管理模块电路由开机自锁电路和稳压电路两部分构成。便携式生化分析仪上使用的是轻触式开关，开机自锁电路的作用是使电路在开机按键结束后可以维持供电。并可由软件切断电源供电，以达到节电的目的。 稳压电路主要是为仪器测试时提供稳定的电压，并保证供电电池电压下降到一定范围内时，仪器能正常工作。这样可以提高电池的使用寿命。

（1）开机自锁电路

在手持便携式仪器上，如果仍然使用机械电源开关则会使用户操作时感到不方便。笨重的机械开关也与轻巧的仪器形成鲜明的反差。而且机械开关的寿命短、可靠性差等缺点又将从总体上影响仪器的质量。所以仪器在设计时使用了轻触式电源开关。

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图2.10 轻触式电源开关原理图

电源开关一般多具有双稳态的特性。如图2.10所示为轻触式电源开关的基本原理方框图[22]。图中所示的双稳态电路和电子开关是轻触式开关所必须的基本条件，而附属的其它电路则可使轻触式开关增加许多机械式开关难以具备的附加功能，如延时关闭，有信号时自动开启，或者由微处理器控制关闭等。

图2.11 仪器开机自锁电路

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根据上述原理自行设计的仪器开机自锁电路如图2.11所示。PLAY即为开机键，按此键后Q1导通，产生VCC使Q3导通，这样I/O口1变为低电位，单片机读此电位后使I/O口2变高电位，从而使Q2和Q1稳定导通，VCC稳定输出高电位，开机成功。关机时只要使I/O口2变低电位即可。

（2）稳压电路

便携式生化分析仪采用3V干电池供电，为了满足电路的供电要求，需要一个升压芯片提供电压。MAX866是超小型高效的CMOS步升DC－DC变换器，它们可用在单电池供电的电路中。MAX866的输入为一个在0.8V到Vout 之间正的输入电压，并可把它转换成一个可选择的3.3V或5V的电压输出。其典型的工作效率为80％，无负载时的供电电流为100µA,关机时为1 µA。图2.12为MAX866的工作电路图。实际设计中，选择3.3V的输出以减小仪器的功耗。

图2.12 MAX866工作电路图

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2.3 电路的抗干扰设计

基于单片机的数据采集与检测系统的可靠性是由多种因数决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。各种干扰对系统造成的结果主要有以下表现：

◆ 仪器失灵。仪器的些环节中，如果存在干扰的入侵，则会造成条件状态的输入误差，致使输出误差加大，甚至失常。

◆ 采样数据受干扰精度降低。干扰进入系统的处理电路中，叠加在信号上，致使数据采集误差增大。特别是在本仪器中，原始信号是一个很小的电流信号，干扰的影响更加明显。

◆ 存储数据丢失。由于仪器中的EEPROM是可以进行读/写操作的，因此，在受到干扰的情况下，其中的数据就有可能丢失或发生篡改。

◆ 程序失常。仪器受到较强干扰后，造成程序计数器值的改变，破坏了程序的正常运行。而被干扰后的数据是随机的，可能会造成程序的混乱，程序在计数器值的引导下将有可能执行毫无意义的指令，最后进入死循环。

针对以上后果，本课题采用了一些必要的抗干扰措施，主要有以下几种。

2.3.1 电路板的布线设计

◆ 电源线设计。根据印制线路板电流的大小，加粗了电源线的宽度，以减少环路电阻。设计中电源线的宽度是0.5mm。同时为了增强抗噪声能力，布线时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致。

◆ 地线设计。设计的电路板上既有逻辑电路又有线性电路，所以要使数字地和模拟地尽量分开。为增强抗噪性能，设计中地线宽度为0.5mm。接地线的加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。

2.3.2 去耦电容配置

PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键的部位配置适当的

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去耦电容。

◆ 电源输入端跨接了100µF的电解电容器。

◆ 每个集成电路芯片都布置一个0.01pF的瓷片电容。

◆ 对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如仪器中的EEPROM数据存储器件，在芯片的电源线和地线之间直接接入去耦电容。

◆ 所有电容引线设计的很短。

此外，为了避免在操作印制板中的按键时，会产生较大的放电火花，采用了RC电路来吸收放电电流。其中R＝2kΩ，C＝4.7µF。CMOS的输入阻抗很高，且易受感应，因此所用元器件的空置端口都接地或接正电源

[23]。