Excelpoint -分光测色仪硬件设计方案

    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。技术型分销商Excelpoint世健公司，深耕医学诊断产品多年，本次我们通过世健公司邀请了来自 医学诊断产品企业的工程师储工跟大家分享实战 。该公司是一家 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 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， 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 ，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。 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 微恒流源（10uA），结合精密电阻可组成高 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 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，

    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。

    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、 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

    PT100采用4线制，两线用于信号采集，两线用于激励源通电流，这样无论信号线多长，都可以消除线电阻对信号检测的影响。流经RTD的电流也会流过精密基准电阻，产生基准电压。此精密基准电阻上产生的电压与RTD 上的电压成比例，因此，激励电流的波动会被消除。

    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。

    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。

    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 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； 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。