隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自身健康，對(duì)身體狀況自診斷的需求與日俱增。尿液檢測(cè)是重要的疾病檢測(cè)手段，從尿液信息中可清楚了解自身狀況，目前檢測(cè)尿液的方法主要有顯微鏡檢測(cè)法、干化學(xué)法、尿沉渣法等[1]。但由于操作復(fù)雜、儀器貴重等原因，普通家庭很難配置傳統(tǒng)尿液檢測(cè)裝置，因此市場(chǎng)迫切需要一種價(jià)廉、便捷、快速的家庭式尿液檢測(cè)儀。為此提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測(cè)裝置。
    基于CCD圖像傳感器的尿液信息檢測(cè)裝置通過不同波長LED照射浸過尿液的試紙，試紙上試塊的顏色信息在多波長LED照射過后轉(zhuǎn)換成反射光強(qiáng)度信息，經(jīng)線性陣列CCD圖像傳感器TCD1209D采集，供數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，由此即可得到準(zhǔn)確的診斷信息。
    本文簡介了試紙法尿液檢驗(yàn)現(xiàn)狀，并詳細(xì)闡述了尿檢儀核心模塊——CCD顏色信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 試紙法尿液檢驗(yàn)現(xiàn)狀
    試紙法是現(xiàn)代臨床檢驗(yàn)中的一種常用方法，一般是將體液涂敷在經(jīng)化學(xué)處理的試紙上，通過試紙上檢測(cè)劑與體液中特定成分反應(yīng)引起的試紙顏色變化診斷病情。試紙檢驗(yàn)法由于檢測(cè)設(shè)備成本低、使用方便等特點(diǎn)十分適合家庭醫(yī)療應(yīng)用[2]。
    試紙法屬于干化學(xué)分析方法，其結(jié)果分析方法主要有差示電位法和反射光度法兩種，尿液試紙主要采用反射光度法進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。試紙的反射率R遵循如下公式[4]：
  

    電源模塊輸出+12 V、+9 V直流電供裝置使用。EPM7064S產(chǎn)生的CCD控制信號(hào)接入6輸入的反相器以轉(zhuǎn)換電平并增加其驅(qū)動(dòng)能力，再連接至CCD各控制腳，該控制信號(hào)同時(shí)作為ARM板的采樣標(biāo)志信號(hào)。CCD圖像傳感器根據(jù)采集到的光強(qiáng)輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，其輸出電壓為2.4～5.6 V之間，使用信號(hào)處理電路將CCD輸出信號(hào)放大整形至0～3.3 V，供ARM內(nèi)置的ADC直接采樣。
3 CCD圖像傳感器TCD1209D簡介
    TCD1209D是東芝公司的低暗電流[5]、高靈敏度線陣圖像傳感器，具有2 048個(gè)有效光敏單元，光敏單元尺寸為14 μm×14 μm，其中心距亦為14 μm。TCD1209D的內(nèi)部原理圖如圖2所示。

    從原理圖可看出，TCD1209D由光敏單元區(qū)（Photo Diode）、轉(zhuǎn)移柵（Shift Gate）、CCD模擬移位寄存器和信號(hào)輸出緩沖器4部分組成。其中光敏單元區(qū)的光敏單元前面部分的D13～D31和最后面部分的D3～D39是虛設(shè)單元，虛設(shè)單元經(jīng)光學(xué)涂黑，用于校正輸出信號(hào)的基線溫漂[6]。真正有效的是中間的S1～S2048共2 048個(gè)光敏單元。轉(zhuǎn)移柵相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)其關(guān)閉時(shí)，光敏單元區(qū)和CCD模擬移位寄存器被分隔成兩個(gè)獨(dú)立部分，光敏單元根據(jù)光信號(hào)積累電荷（稱為光積分階段），而CCD模擬移位寄存器則運(yùn)行移位功能，兩部分互不干擾，獨(dú)立進(jìn)行。轉(zhuǎn)移柵打開時(shí)，光敏單元把電荷信號(hào)并行傳輸給移位寄存器，再由移位寄存器串行傳輸?shù)捷敵鼍彌_器中，此時(shí)移位寄存器的輸出是由脈沖信號(hào)Φ1和Φ2控制。輸出緩沖器將輸出的電荷信號(hào)進(jìn)行處理，使信號(hào)更加穩(wěn)定，最后在CP和RS 信號(hào)的作用下，將穩(wěn)定的模擬信號(hào)輸出到OS端，這樣即完成了整個(gè)CCD傳感器的工作流程。
    TCD1209D共有22個(gè)管腳，其中有用的管腳有9個(gè)，其功能如表1所示，時(shí)序如圖3所示。

    從圖3可知，TCD1209D傳感器的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)共6個(gè)，其中Φ2和Φ2B信號(hào)相同，Φ1和Φ2互為反相，SH信號(hào)的高電平（電荷傳輸階段）時(shí)間必須大于1 000 ns（典型值為1 500 ns），CP和RS信號(hào)的高電平時(shí)間須大于10 ns(典型值為100 ns)。根據(jù)脈沖間相位要求可知，當(dāng)SH為高電平時(shí)，?準(zhǔn)1必須為高電平，而Φ2和Φ2B以及RS和CP必須為低電平；在RS信號(hào)為1 時(shí)，Φ1脈沖信號(hào)必須比SH信號(hào)提前至少200 ns置高，且比SH信號(hào)至少延遲200 ns才能置低，以保證在SH轉(zhuǎn)移門傳輸電荷信號(hào)時(shí)不受到移位信號(hào)的影響。同樣，CP信號(hào)置低須比SH置高至少提前200 ns，而RS信號(hào)從低置高則至少比SH信號(hào)從高置低延遲200 ns。RS信號(hào)和CP信號(hào)必須出現(xiàn)在Φ2B的高電平階段，且RS信號(hào)相位超前于CP的相位，CP信號(hào)下降沿提前于?準(zhǔn)2B信號(hào)下降沿的典型時(shí)間值為50 ns。在SH為低電平期間（光積分階段），至少有前面32個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)和后面8個(gè)虛設(shè)單元信號(hào)(其中最后一個(gè)為校驗(yàn)位輸出)以及中間的2 048個(gè)有效的光敏單元信號(hào)，即共有2 088個(gè)信號(hào)輸出，因此必須保證至少有2 088個(gè)Φ1、Φ2、Φ2B、RS、CP信號(hào)。
4 CCD驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)
    尿液信息采集系統(tǒng)的硬件核心是CCD圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)。目前CCD圖像傳感器芯片的驅(qū)動(dòng)方案主要有EPROM、專用芯片、單片機(jī)、可編程邏輯器件4種[7]，考慮到對(duì)多種線陣CCD的通用性，本裝置采用基于可編程邏輯器件（CPLD）的驅(qū)動(dòng)方案。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

    由于TCD1209D的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率很高，為保證信號(hào)完整性，在反相器與TCD1209D連線上串入了小電阻，其作用主要有：(1)提高信號(hào)源與信號(hào)線間的阻抗匹配以減少信號(hào)振蕩等不利于信號(hào)傳輸?shù)那闆r；(2)削弱信號(hào)的邊沿尖峰，串聯(lián)上小電阻后電阻與信號(hào)線中的分布電容形成RC濾波電路，可以消減尖峰信號(hào)的發(fā)生，使得輸入信號(hào)更加平緩[8]。
    CCD輸出信號(hào)經(jīng)基于運(yùn)放的電平變換、放大等信號(hào)調(diào)理電路后方可送入ADC采集。須注意的是，由于CCD輸出信號(hào)的頻率比較高，典型值為1 MHz，所以對(duì)運(yùn)放的要求也非常高，須選擇高帶寬、高電壓擺率的型號(hào)，如美國Analog Devices公司的AD8031或AD8051運(yùn)放。
5 CPLD軟件設(shè)計(jì)
    線陣CCD的驅(qū)動(dòng)可分為光積分開始、光積分與電荷移位、光積分結(jié)束、電荷轉(zhuǎn)移4個(gè)階段，系統(tǒng)工作即是這4個(gè)階段的不斷循環(huán)進(jìn)行。所以只要分析出4個(gè)狀態(tài)各自的波形，再讓狀態(tài)機(jī)不斷在4個(gè)狀態(tài)中循環(huán)執(zhí)行，即可實(shí)現(xiàn)CCD信號(hào)的輸出。
    當(dāng)外部光源發(fā)生顯著變化時(shí)，需要改變光積分的時(shí)間?？赏ㄟ^改變驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的頻率或在一個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)序周期末增加空驅(qū)動(dòng)脈沖的方法實(shí)現(xiàn)。
    編寫的Verilog HDL 程序在QuartusII中仿真的波形如圖5所示（反相）。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    用尿液采集系統(tǒng)讀取尿10項(xiàng)試紙，各試紙塊上的反射光強(qiáng)度AD采集結(jié)果如表2所示。

    表2中，1、2組數(shù)據(jù)是在黑暗背景條件下相同樣品測(cè)試的結(jié)果，3~6組數(shù)據(jù)是在明亮背景條件下不同樣品測(cè)試的結(jié)果。從數(shù)據(jù)可得出，在特定環(huán)境下采集的數(shù)據(jù)具有一致性能，能滿足家庭診斷要求，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可信。但環(huán)境光對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，因此在產(chǎn)品化時(shí)應(yīng)在光學(xué)檢測(cè)機(jī)構(gòu)中增設(shè)遮光措施，同時(shí)，在數(shù)據(jù)處理過程中需要根據(jù)試紙白色基底部分的反射光數(shù)據(jù)作修正。
    本文針對(duì)目前便捷式尿液分析儀的發(fā)展及CCD圖像傳感器的應(yīng)用提出了基于CCD圖像傳感器的尿液信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合多波長LED，可采集尿液試紙的顏色信息，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)處理模塊分析。系統(tǒng)使用CPLD芯片EPM7064s作為驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在線編程，方便了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試、更新。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的布線簡潔、方便，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾的能力。該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他圖像采集場(chǎng)合中，具有顯著的實(shí)用性和推廣性。
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