基于XMEGA的便携式电解质分析仪的设计

　　电解质分析仪可测定生物标本如血清、血浆、全血及稀释尿液中的值钾(K)、钠(Na)、氯(Cl)、钙(Ca)、PH 值等，并通过计算提供标准化离子钙(nCa)、总钙(TCa)，在临床上具有　　较重要的意义[1]。 自 80 年代汽巴康宁，奥林巴斯等国外产品进入中国后，国产电解质分析仪迅速跟进，并研制出一批性能较高的产品[2-3]。 近几年随着一些突发事件的发生(如：汶川大地震)，对便携式医疗仪器的需求大大增加，便携式电解质分析仪就是其中之一[4]。

　　这里提出一款采用 ATMEL 公司推出的高性能 XMEGA128单片机为核心器件设计的由电池供电的便携式电解质分析仪，可以满足野外使用需求。

　　1 XMEGA 简介

　　XMEGA 是 8 位 AVR 微处理器的强劲性能升级版本 。XMEGA 采用第二代 picoPower 技术， 是唯一真正使用 1.6 V工作电压的闪存微控制器。 该器件功耗超低，并具有快速 12位模拟功能、1 个 DMA 控制器、1 个创新的事件系统， 以及 1个 AES 加密引擎，全部都无需占用 CPU 资源，能够最大限度减少功耗和提高系统性能。 XMEGA128 微控制器的闪存容量为 128 Kb，采用 100 引脚的贴片封装，工作电压为 1.6～3.6 V，32 MHz 频率下处理性能可达到 32 MI/s。

　　由于 XMEGA128 的内部丰富的资源和强劲的性能，使其非常适合应用于嵌入式系统。 该便携式电解质分析仪采用XMEGA128 作为核心微处理器 ，使得整个系统外围器件大大减少， 在降低成本的同时又提高了系统安全性、 可靠性。

　　XMEGA128 较大的程序存储空间能够满足电解质分析仪的大量软件代码的存放。

　　2 系统硬件设计

　　该系统是以 ATxmega128A1 微处理器为核心，外围连接有显示、按键、打印机、传感器放大盒、电源、通讯等模块，其硬件设计结构框图如图 1 所示。

　　显示部分采用 320×240 通用的 LCD，直接由 ATxmega-128A1 总线驱动 ，为用户提供更多直观信息 ，也使操作更方便。 嵌入式微型打印机采用迅普公司的微型热敏打印机，便于野外现场输出文档型资料，也直接由 ATxmega128A1 的总线驱动。

　　2.1 传感器调理放大电路

　　该分析仪的样品液经高分子膜传感器测量后得到的电信号的幅度很小，在-250～250 mV 之间，无法直接进行 A/D转换。 因此，需要对这些模拟信号进行调理放大处理。 在电路的设计上， 为了与离子选择电极的高内阻相匹配， 采用CA3140 集成运算放大器作为一级放大 ， 二级放大采用高精度低漂移的 HA17741 运算放大器。

　　如图 2 所示， 采用 3 个运算放大器组成的测量放大电路，前段有 2 个高输入阻抗的 CA3140 构成差动输入。后端的HA17741 实际上是一差动跟随器 ，其增益近似为 1。 为了保证放大器的精度， 负反馈电阻选择高精度低温漂的精密电阻，且电路闭环增益不太大。 同时为防止电路板表面的漏电流，对电路板进行了局部镂空。 为了能在野外恶劣环境下工作，对电路板还进行了防潮处理和电子屏蔽。