基于XMEGA128的便携式电解质分析仪设计

　　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(C1)、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。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。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。

　　这里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28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。

　　XMEGAl28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XMEGAl28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XMEGAl28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。XMEGAl28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ATxmegal28Al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320x240通用的LCD，直接由ATxmega128Al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ATxmegal28A1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HAl7741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HAl7741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。

　　电极信号有钾、钠、氯、钙和pH共5路，分别经各自的放大电路后连接到ATxmegal28A1微处理器的A/D模块端口。