|
作者：世健 醫學診斷市場持續高速增長，自疫情以來，這塊市場更備受關注。技術型分銷商Excelpoint世健公司，深耕醫學診斷產品多年，本次我們通過世健公司邀請了來自專業醫學診斷產品企業的工程師儲工跟大家分享實戰案例。該公司是一家專業從事醫學診斷產品研發、生產、銷售及服務的國家高新技術企業，主要產業為體外診斷試劑、儀器及獨立第三方醫學診斷服務。產品線涵蓋生化、發光、血球、尿液、質譜、分子診斷、血脂亞組分檢測VAP和POCT等。而儲工有著豐富的設計與實戰經驗. 這個實戰案例主要是設計一個分光測色儀的硬件系統，該系統主要由光源、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發光的穩定性主要因素是電流和環境溫度。故硬件方案中需要設計恒流源電路和恒溫控制電路。 
圖1 1、恒流源電路方案設計 對于小功率的恒流源設計，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）使得電源電壓設計更具兼容性；內部更有高精度微恒流源（10uA），結合精密電阻可組成高精度的參考電壓源。內部原理圖如圖3。
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。若想實時調節電流，RSET可選用數字電位器（如ADI公司產品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切換通道，這樣更省成本。ADI公司有一款產品（型號ADG452）單芯片集成4通道模擬開關。較低的導通電阻（4Ω）；每通道100mA的工作電流；快速的開關頻率（tON = 70ns，tOFF = 60ns）。電氣性能完全滿足設計需求，方案電路實現如圖5。
圖5 2、恒溫控制電路方案設計 恒溫控制電路由加熱器 + 溫度傳感器 + 溫度保護器 + 控制器構成，如圖6。溫度開關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算法去控制驅動器調節加熱器的功率輸出，達到恒溫控制的目的。
圖6 加熱器可以是恒壓驅動，用場管作為開關，MCU用PWM方式控制調節。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公司產品LT3085），輸出電流達500mA，其他參數、功能與LT3092類似，功能框圖如圖7。
圖7 配上數字電位器，MCU可以實時調節電流變化，以控制加熱器的功率輸出。并且恒流方式調節頻率低、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的驅動電路，需要設計恒流源，信號放大電路，再加上模數轉換器，模擬器件分立且數量較多，硬件成本較高，對于PCB面積受限的應用也不好布局，因此可以選擇集成度高的器件如ADI公司產品（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；內置激勵電流源（設置范圍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型模數轉換器，足夠以高分辨率采集溫度數據。應用AD7124-4設計的PT100驅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RTD的電流也會流過精密基準電阻，產生基準電壓。此精密基準電阻上產生的電壓與RTD 上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動會被消除。 3、光電轉換電路設計 光電轉換電路一般采用光電二極管（PD） + 運放 + 模數轉換器（ADC）方案（如圖10）。由PD采集反射光，由運放流壓轉換并放大信號，然后ADC轉換為數字信號給MCU。由于PD工作于光伏模式，因此負責流壓轉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。
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（典型帶寬達400KHz）；超低電流噪聲（90fA/√Hz）。其內部功能框圖如圖5。在輸出端加上采樣電阻到地，即可實現流壓轉換，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以內核區分主要是51內核和ARM內核，還有部分是個某些廠家自研的內核。當選擇同一內核的MCU時，各大廠家的產品卻都大同小異，而ADI公司擁有高精度ADC與高性能MCU完美結合的產品（型號：ADuCM361）其內部資源框圖如圖12，結合如此高性能模擬部分的MCU在市面上少有。
圖12 ADuCM361內置32 位ARM Cortex-M3 處理器，常見的外設如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成，非常方便使用；自帶一個片內32 kHz 振蕩器和一個內部16 MHz高頻振蕩器使硬件設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型模數轉換器(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，可以應用于許多電流驅動型的傳感器。 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據采集、溫度傳感器驅動，DAC控制光源恒流源并可以微調電流，SPI控制數字電位器來動態調節加熱器電流達到恒溫目的。 |
