中心議題：

• 基於XMEGA的便攜式電解質分析儀的設計

解決方案：

• 采用3個運算放大器組成的測量放大電路
• 采用先進的Xmega微控製器為核心

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(C1)
、鈣(Ca)、PH值等，並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。自80年(nian)代(dai)汽(qi)巴(ba)康(kang)寧(ning)，奧(ao)林(lin)巴(ba)斯(si)等(deng)國(guo)外(wai)產(chan)品(pin)進(jin)入(ru)中(zhong)國(guo)後(hou)
，國(guo)產(chan)電(dian)解(jie)質(zhi)分(fen)析(xi)儀(yi)迅(xun)速(su)跟(gen)進(jin)

，並(bing)研(yan)製(zhi)出(chu)一(yi)批(pi)性(xing)能(neng)較(jiao)高(gao)的(de)產(chan)品(pin)。近(jin)幾(ji)年(nian)隨(sui)著(zhe)一(yi)些(xie)突(tu)發(fa)事(shi)件(jian)的(de)發(fa)生(sheng)(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。

這裏提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28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。

1 XMEGA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製器。該器件功耗超低
，並具有快速12位模擬功能、1個DMA控製器、1個創新的事件係統

，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係統性能。XMEGAl28微控製器的閃存容量為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。
由於XMEGAl28的內部豐富的資源和強勁的性能。使其非常適合應用於嵌入式係統。該便攜式電解質分析儀采用XMEGAl28作為核心微處理器，使得整個係統外圍器件大大減少
，在降低成本的同時又提高了係統安全性
、可靠性。XMEGAl28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 係統硬件設計

該係統是以ATxmegal28Al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。 顯示部分采用320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Alzongxianqudong，weiyonghutigonggengduozhiguanxinxi
，yeshicaozuogengfangbian。qianrushiweixingdayinjicaiyongxunpugongsideweixingremindayinji，bianyuyewaixianchangshuchuwendangxingziliao，yezhijieyouATxmegal28A1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後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HAl7741運算放大器。 [page]
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。後端的HAl7741實際上是一差動跟隨器，其增益近似為1。weilebaozhengfangdaqidejingdu，fufankuidianzuxuanzegaojingdudiwenpiaodejingmidianzu，qiedianlubihuanzengyibutaida。tongshiweifangzhidianlubanbiaomiandeloudianliu，duidianlubanjinxinglejubuloukong。weilenengzaiyewaieliehuanjingxiagongzuo，duidianlubanhaijinxinglefangchaochulihedianzipingbi。

電極信號有鉀、鈉、氯、鈣和pH共5路，分別經各自的放大電路後連接到ATxmegal28A1微處理器的A／D模塊端口。

2．2 鍵盤接口

為便於用戶使用，該係統共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，這些按鍵製作成6x6的薄膜開關按鍵。所有按鍵均有CH452器件控製，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鍵鍵盤控製器，基於8x8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衝輸出
；提供按鍵釋放標誌位，可供查詢按鍵按下與釋放；支持按鍵喚醒，處於低功耗節電狀態中的CH452可以被部分按鍵喚醒。
圖3為基於CH452的鍵盤接口電路。為了防止按鍵被按下後，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線製與主處理器ATxmegal28A1鏈接，占用主處理器1個中斷接口和l組SPI接口。

2．3 USB通訊接口

為便於儀器現場使用方便，該係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接口控製器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主機方式和USBDEVICE／SLAVE設備方式。在本地端CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控製線以及中斷輸出，可方便地掛接到ATxmegal28Al微控製器的係統總線上。圖4為CH375與主控製器的連接電路
，CH375的TXD引腳直接接地，從而使CH375工作於並口方式。電容C1201用於CH375內部電源節點退耦，采用0．01μF的高頻瓷片電容，可提高接口的EMI要求。電容C47和C1202用於外部電源退耦，采用0．1μF的高頻瓷片電容。晶體X11、電容C1203和C1204用於CH375的時鍾振蕩電路。USB-HOST主機方式要求時鍾頻率比較準確，X11的頻率是12 MHz±0．4‰
，C1203和C1204是容量約為15 pF的獨石電容。LEDl為數據傳送指示燈
，用戶可以直觀觀察數據傳送狀態。 [page]
3 係統軟件設計

該係統軟件開發采用ATMEL公司提供的AVRStudio開發環境，並在該開發環境中內嵌了支持C語言的GCC。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。該係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l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
、係統時鍾、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、係統設定、係統校準、電極清洗
、數據儲存及查詢和係統自檢等模塊。圖5中給出係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製作，並進行相關測試。測試結果表明，由於采用先進的Xmega微控製器為核心，係統整體功耗較低，使用36 V10Ah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幹擾能力。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。