分光測色儀硬件設(shè)計方案

醫(yī)學診斷市場持續(xù)高速增長，自疫情以來，這塊市場更備受關(guān)注。技術(shù)型分銷商Excelpoint世健公司，深耕醫(yī)學診斷產(chǎn)品多年，本次我們通過世健公司邀請了來自專業(yè)醫(yī)學診斷產(chǎn)品企業(yè)的工程師儲工跟大家分享實戰(zhàn)案例。該公司是一家專業(yè)從事醫(yī)學診斷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)的國家高新技術(shù)企業(yè)，主要產(chǎn)業(yè)為體外診斷試劑、儀器及獨立第三方醫(yī)學診斷服務(wù)。產(chǎn)品線涵蓋生化、發(fā)光、血球、尿液、質(zhì)譜、分子診斷、血脂亞組分檢測VAP和POCT等。而儲工有著豐富的設(shè)計與實戰(zhàn)經(jīng)驗。

這個實戰(zhàn)案例主要是設(shè)計一個分光測色儀的硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光源、光接收器、信號處理器等組成，基本功能框圖如圖1。光源燈采用小功率單波長LED，對于LED發(fā)光的穩(wěn)定性主要因素是電流和環(huán)境溫度。故硬件方案中需要設(shè)計恒流源電路和恒溫控制電路。

圖1

1、恒流源電路方案設(shè)計

對于小功率的恒流源設(shè)計，最常用的就是運放 + 場管方案。電路如圖2所示，該方案由分立元件組成，運放、三極管、電阻的電氣參數(shù)一致性及溫漂會極大的影響恒流源的精度，影響因素較多難以控制。

圖2

ADI公司旗下有一款產(chǎn)品（型號：LT3092）單芯片集成了多個元件，使器件一致性和溫漂更容易控制，成為恒流源方案的理想選擇器件。最大輸出電流200mA滿足小功率恒流源的需求；超寬的輸入電壓范圍及低壓差工作電壓（1.2V~40V）使得電源電壓設(shè)計更具兼容性；內(nèi)部更有高精度微恒流源（10uA），結(jié)合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內(nèi)部原理圖如圖3。

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圖3 圖4

若無需更改恒流源電流，則RSET選用固定高精度低溫漂的電阻即可。若想實時調(diào)節(jié)電流，RSET可選用數(shù)字電位器（如ADI公司產(chǎn)品AD5610），用MCU來控制。LT3092的SET引腳還可以直接連接DAC，用MCU直接控制更是一種方便簡單又省成本的方案，如圖4。

由于分光測色儀用到多個不同波長的LED，可以讓每個LED配上一個恒流源，當然更好的方案是只用一個恒流源然后用模擬開關(guān)切換通道，這樣更省成本。ADI公司有一款產(chǎn)品（型號ADG452）單芯片集成4通道模擬開關(guān)。較低的導(dǎo)通電阻（4Ω）；每通道100mA的工作電流；快速的開關(guān)頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）。電氣性能完全滿足設(shè)計需求，方案電路實現(xiàn)如圖5。

圖5

2、恒溫控制電路方案設(shè)計

恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護器 + 控制器構(gòu)成，如圖6。溫度開關(guān)用于加熱失控時的過溫保護，MCU接受來自溫度傳感器的反饋，利用PID算法去控制驅(qū)動器調(diào)節(jié)加熱器的功率輸出，達到恒溫控制的目的。

圖6

加熱器可以是恒壓驅(qū)動，用場管作為開關(guān)，MCU用PWM方式控制調(diào)節(jié)。但由于PWM方式控制頻率較高且信號存在突變，會對電路系統(tǒng)造成較大的噪聲干擾，進而影響用于精密測量的模擬電路。另一種方案是采用恒流驅(qū)動加熱器，借鑒上述LED恒流源電路方案，選擇輸出電流更大的恒流源芯片（如ADI公司產(chǎn)品LT3085），輸出電流達500mA，其他參數(shù)、功能與LT3092類似，功能框圖如圖7。

圖7

配上數(shù)字電位器，MCU可以實時調(diào)節(jié)電流變化，以控制加熱器的功率輸出。并且恒流方式調(diào)節(jié)頻率低、過程平緩不會引起電壓信號的突變。部分電路原理圖如圖8。

圖8

加熱功率計算：P = I2*R（I為恒流源電流，R為加熱器電阻）

I = 10uA * RW / R53（微恒流源電流*數(shù)字電位器/采樣電阻）

溫度傳感器可以選擇線性好、精度高的PT100。對于PT100的驅(qū)動電路，需要設(shè)計恒流源，信號放大電路，再加上模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬器件分立且數(shù)量較多，硬件成本較高，對于PCB面積受限的應(yīng)用也不好布局，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產(chǎn)品（型號：AD7124-4），集成程控放大器（增益編程范圍為1~128），可以直接連接小信號傳感器而無需放大電路；內(nèi)置激勵電流源（設(shè)置范圍50 μA~1 mA），正好方便給溫度傳感器供電；高達19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，足夠以高分辨率采集溫度數(shù)據(jù)。應(yīng)用AD7124-4設(shè)計的PT100驅(qū)動電路原理圖詳見圖9。

圖9

PT100采用4線制，兩線用于信號采集，兩線用于激勵源通電流，這樣無論信號線多長，都可以消除線電阻對信號檢測的影響。流經(jīng)RTD的電流也會流過精密基準電阻，產(chǎn)生基準電壓。此精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD 上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動會被消除。

3、光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

光電轉(zhuǎn)換電路一般采用光電二極管（PD） + 運放 + 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）方案（如圖10）。由PD采集反射光，由運放流壓轉(zhuǎn)換并放大信號，然后ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號給MCU。由于PD工作于光伏模式，因此負責流壓轉(zhuǎn)換的運放需要超低偏置電流；為了提高分辨率，ADC需要盡量高的處理位數(shù)。

圖10

考慮使用多個高性能分立器件硬件成本過高，在性能達標的條件下可以盡量選擇集成度高的器件。ADI旗下有一款產(chǎn)品（型號：ADPD2211），自帶24倍電流放大器使之擁有超高的靈敏度，省去了外置運放；極好的脈沖響應(yīng)（典型帶寬達400KHz）；超低電流噪聲（90fA/√Hz）。其內(nèi)部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換，省去眾多的外圍電路。其功能框圖如圖11。

圖11

4、MCU選型

市面上MCU以內(nèi)核區(qū)分主要是51內(nèi)核和ARM內(nèi)核，還有部分是個某些廠家自研的內(nèi)核。當選擇同一內(nèi)核的MCU時，各大廠家的產(chǎn)品卻都大同小異，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結(jié)合的產(chǎn)品（型號：ADuCM361）其內(nèi)部資源框圖如圖12，結(jié)合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有。

圖12

ADuCM361內(nèi)置32 位ARM Cortex-M3? 處理器，常見的外設(shè)如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成，非常方便使用；自帶一個片內(nèi)32 kHz 振蕩器和一個內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器使硬件設(shè)計可以省去外部晶振電路；最令人刮目相看的是它集成了4 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可在全差分和單端模式下工作，ADC模塊集成硬件濾波器，可以選擇配置高速濾波器來進行步進變化檢測，也可選擇低速濾波器用于精密測量；內(nèi)置一個低噪聲、低漂移帶隙基準電壓源，也可選擇外部基準電壓源；附帶的可編程激勵電流源，可以應(yīng)用于許多電流驅(qū)動型的傳感器。

ADuCM361集成的模擬部分功能正好與AD7124-4功能相似，方案本身就需要MCU 作為信號處理模塊，若選擇ADuCM361，則可以省去AD7124-4，ADuCM361擁有的多通道ADC模塊完全可以滿足光電數(shù)據(jù)采集、溫度傳感器驅(qū)動，DAC控制光源恒流源并可以微調(diào)電流，SPI控制數(shù)字電位器來動態(tài)調(diào)節(jié)加熱器電流達到恒溫目的。
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