通用人体呼吸气体检测电子鼻仪器设计

　　该电子鼻仪器采用的嵌入式系统微控制器是由NXP研发生产、基于ARM7TDMI-S内核的LPC2478，它具有512KB片上Flash程序存储器，98KB片内SRAM，双AHB总线系统，先进的向量中断控制器(VIC)，支持多达32个向量中断，优秀的真彩液晶控制器，支持STN和TFT显示屏的显示，具有包括USB Host、USB OTG、2通道CAN、SPI、2个SSP和4路UART控制器等在内的串行接口，以及3个I2C总线接口和I2S音频接口。此外，它还具有SD/MMC存储卡接口、10位ADC、10位DAC、2个PWM模块、带有独立电源的RTC、4个通用定时器/计数器模块和丰富的可灵活配置上拉/下拉电阻的GPIO引脚。可以说，LPC2478优越的性能与灵活多样的外围模块设计为其在医疗仪器与检测设备中的应用奠定了扎实的基础。

　　系统设计中，主要应用到LPC2478功能模块有彩色液晶控制器、RTC、PWM、USB Host、SD/MMC控制器、ADC、DAC、UART、Timer、GPIO等。将LPC2478的控制、输入模块与扩展板上的气体、温度信号采样电路、D/A控制真空泵驱动模块、PWM步进电机控制模块、键盘阵列模块、EDU与气体传感器加热控制模块以及电磁阀控制模块相互连接，从而构成整台电子鼻检测仪器的硬件基础。整台仪器是由220V的开关电源供电。

　　在对呼吸气体检测的实际应用中，气体传感器的选择与气室的制作是该仪器设计的关键，表1列出的是样机设计阶段所采用的金属氧化物传感器，敏感气体与相应的气体浓度检测范围。

　　在实际的人体呼吸气体中，标志气体的浓度是比较低的，然而电子鼻检测技术的应用，能够显著地降低仪器对标志气体的检测下限，约为0.1～0.5ppm。在单个传感器无法完成对低浓度气体的检测时，传感器阵列检测技术、EDU高效富集作用和气体在气路中流动速度的优化都能帮助仪器完成对呼吸气体检测的任务。

　　软件模块

　　仪器软件设计部分主要包括气体进样控制流程、PCA主成份分析与判断流程、数据传输控制流程。如图2所示为软件执行的具体流程。

　　在气体进样控制流程中包括直接进样流程与吸附进样流程，两个流程的切换是基于对气体浓度的定性判断。同时，气路切换是由LPC2478控制步进电机带动六通阀实现的。

　　吸附进样相比于直接进样增加了对EDU的温控流程，并分阶段实现对低浓度样本气体的检测。而在进样过程结束之后，系统均会程序化执行“降温延时”与“冲洗气路”流程，为下一次进样做好准备。

　　进样过程最后，系统都将把气体传感器阵列输出的响应值实时描绘在TFT液晶屏的T(时间)-C(浓度)坐标系上，该采样过程是由LPC2478的Timer2定时产生中断实现的。传感器响应曲线将在“数据分析”的第一页重现，并对一次采样结束之后的数据作主成份分析，在标准气体实验的基础上，可以通过该分析过程判断出样本呼吸气体中的主要成分，并将LPC2478判断的结果显示在液晶屏幕上。