医学诊断市场持续高速增长,自疫情以来,这块市场更备受关注。世健深耕医学诊断产品多年,本次我们邀请了我们的客户——来自专业医学诊断产品企业的工程师储工来分享实战案例。该公司是一家专业从事医学诊断产品研发、生产、销售及服务的国家高新技术企业。主要产业为体外诊断试剂、仪器及独立第三方医学诊断服务。产品线涵盖生化、发光、血球、尿液、质谱、分子诊断、血脂亚组分检测VAP和POCT等。而储工有着丰富的设计与实战经验。

这个实战案例主要是设计一个分光测色仪的硬件系统,该系统主要由光源、光接收器、信号处理器等组成,基本功能框图如图1。光源灯采用小功率单波长LED,对于LED发光的稳定性主要因素是电流和环境温度。故硬件方案中需要设计恒流源电路和恒温控制电路。
图1

1、恒流源电路方案设计

对于小功率的恒流源设计,最常用的就是运放 + 场管方案。电路如图2所示,该方案由分立元件组成,运放、三极管、电阻的电气参数一致性及温漂会极大的影响恒流源的精度,影响因素较多难以控制。
 
图2

ADI公司旗下有一款产品(型号:LT3092)单芯片集成了多个元件,使器件一致性和温漂更容易控制,成为恒流源方案的理想选择器件。最大输出电流200mA满足小功率恒流源的需求;超宽的输入电压范围及低压差工作电压(1.2V~40V)使得电源电压设计更具兼容性;内部更有高精度微恒流源(10uA),结合精密电阻可组成高精度的参考电压源。内部原理图如图3。

图3
图4
若无需更改恒流源电流,则RSET选用固定高精度低温漂的电阻即可。若想实时调节电流,RSET可选用数字电位器(如ADI公司产品AD5610),用MCU来控制。LT3092的SET引脚还可以直接连接DAC,用MCU直接控制更是一种方便简单又省成本的方案,如图4。
 
由于分光测色仪用到多个不同波长的LED,可以让每个LED配上一个恒流源,当然更好的方案是只用一个恒流源然后用模拟开关切换通道,这样更省成本。ADI公司有一款产品(型号ADG452)单芯片集成4通道模拟开关。较低的导通电阻(4Ω);每通道100mA的工作电流;快速的开关频率(tON = 70ns,tOFF = 60ns)。电气性能完全满足设计需求,方案电路实现如图5。
 
图5

2、恒温控制电路方案设计

恒温控制电路由加热器 + 温度传感器 + 温度保护器 + 控制器构成,如图6。温度开关用于加热失控时的过温保护,MCU接受来自温度传感器的反馈,利用PID算法去控制驱动器调节加热器的功率输出,达到恒温控制的目的。 
图6

加热器可以是恒压驱动,用场管作为开关,MCU用PWM方式控制调节。但由于PWM方式控制频率较高且信号存在突变,会对电路系统造成较大的噪声干扰,进而影响用于精密测量的模拟电路。另一种方案是采用恒流驱动加热器,借鉴上述LED恒流源电路方案,选择输出电流更大的恒流源芯片(如ADI公司产品LT3085),输出电流达500mA,其他参数、功能与LT3092类似,功能框图如图7。

图7

配上数字电位器,MCU可以实时调节电流变化,以控制加热器的功率输出。并且恒流方式调节频率低、过程平缓不会引起电压信号的突变。部分电路原理图如图8。

图8
加热功率计算:P = I2*R(I为恒流源电流,R为加热器电阻)
                            I = 10uA * RW / R53(微恒流源电流*数字电位器/采样电阻)
 
温度传感器可以选择线性好、精度高的PT100。对于PT100的驱动电路,需要设计恒流源,信号放大电路,再加上模数转换器,模拟器件分立且数量较多,硬件成本较高,对于PCB面积受限的应用也不好布局,因此可以选择集成度高的器件如ADI公司产品(型号:AD7124-4),集成程控放大器(增益编程范围为1~128),可以直接连接小信号传感器而无需放大电路;内置激励电流源(设置范围50 μA~1 mA),正好方便给温度传感器供电;高达19 kSPS、24 位高性能多通道Σ-Δ型模数转换器,足够以高分辨率采集温度数据。应用AD7124-4设计的PT100驱动电路原理图详见图9。
图9

3、光电转换电路设计

光电转换电路一般采用光电二极管(PD) + 运放 + 模数转换器(ADC)方案(如图10)。由PD采集反射光,由运放流压转换并放大信号,然后ADC转换为数字信号给MCU。由于PD工作于光伏模式,因此负责流压转换的运放需要超低偏置电流;为了提高分辨率,ADC需要尽量高的处理位数。
 
图10
考虑使用多个高性能分立器件硬件成本过高,在性能达标的条件下可以尽量选择集成度高的器件。ADI旗下有一款产品(型号:ADPD2211),自带24倍电流放大器使之拥有超高的灵敏度,省去了外置运放;极好的脉冲响应(典型带宽达400KHz);超低电流噪声(90fA/√Hz)。其内部功能框图如图5。在输出端加上采样电阻到地,即可实现流压转换,省去众多的外围电路。其功能框图如图11。
 
图11

4、MCU选型

市面上MCU以内核区分主要是51内核和ARM内核,还有部分是个某些厂家自研的内核。当选择同一内核的MCU时,各大厂家的产品却都大同小异,而ADI公司拥有高精度ADC与高性能MCU完美结合的产品(型号:ADuCM361)其内部资源框图如图12,结合如此高性能模拟部分的MCU在市面上少有。

图12
ADuCM361内置32 位ARM Cortex-M3® 处理器,常见的外设如UART、SPI、IIC、Timer、DMA、DAC、Watchdog都有集成,非常方便使用;自带一个片内32 kHz 振荡器和一个内部16 MHz高频振荡器使硬件设计可以省去外部晶振电路;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型模数转换器(ADC),可在全差分和单端模式下工作,ADC模块集成硬件滤波器,可以选择配置高速滤波器来进行步进变化检测,也可选择低速滤波器用于精密测量;内置一个低噪声、低漂移带隙基准电压源,也可选择外部基准电压源;附带的可编程激励电流源,可以应用于许多电流驱动型的传感器。
 
ADuCM361集成的模拟部分功能正好与AD7124-4功能相似,方案本身就需要MCU 作为信号处理模块,若选择ADuCM361,则可以省去AD7124-4,ADuCM361拥有的多通道ADC模块完全可以满足光电数据采集、温度传感器驱动,DAC控制光源恒流源并可以微调电流,SPI控制数字电位器来动态调节加热器电流达到恒温目的。

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