基于线阵CCD光谱测量的尿液信息采集系统研制*

林新泉 ，倪 侃 ，游颖敏 ，王帅峰

(1.浙江省低压电器智能技术重点实验室，浙江 温州325035；2.温州大学 物理与电信学院，浙江 温州325035)

随着时代的发展，人们越来越关注自身健康，对身体状况自诊断的需求与日俱增。尿液检测是重要的疾病检测手段，从尿液信息中可清楚了解自身状况，目前检测尿液的方法主要有显微镜检测法、干化学法、尿沉渣法等[1]。但由于操作复杂、仪器贵重等原因，普通家庭很难配置传统尿液检测装置，因此市场迫切需要一种价廉、便捷、快速的家庭式尿液检测仪。为此提出了基于CCD图像传感器的尿液信息检测装置。

基于CCD图像传感器的尿液信息检测装置通过不同波长LED照射浸过尿液的试纸，试纸上试块的颜色信息在多波长LED照射过后转换成反射光强度信息，经线性阵列CCD图像传感器TCD1209D采集，供数据分析系统进行数据分析处理，由此即可得到准确的诊断信息。

本文简介了试纸法尿液检验现状，并详细阐述了尿检仪核心模块——CCD颜色信息采集系统的设计。

1 试纸法尿液检验现状

试纸法是现代临床检验中的一种常用方法，一般是将体液涂敷在经化学处理的试纸上，通过试纸上检测剂与体液中特定成分反应引起的试纸颜色变化诊断病情。试纸检验法由于检测设备成本低、使用方便等特点十分适合家庭医疗应用[2]。

试纸法属于干化学分析方法，其结果分析方法主要有差示电位法和反射光度法两种，尿液试纸主要采用反射光度法进行检验[3]。试纸的反射率R遵循如下公式[4]：

其中，X为试纸上固相反应层厚度，K为单位厚度的光吸收系数，S为固相反应层的散射系数

尿常规检验试纸瓶上通常印有色标用于比对，但这种人工比对的方法无法实现定量测量，且对于最需要家庭健康检查的中老年人群，通过细微的颜色变化进行自我诊断存在实际的困难。因此，借助仪器来判读试纸信息是有价值的。

2 系统设计

系统主要由供电模块、CPLD可编程逻辑器件、CCD图像传感器和信号的处理电路组成，其中CPLD采用Altera公司的EPM7064S，CCD图像传感器采用东芝公司的TCD1209D，控制及信号处理采用STM32系列ARM芯片。系统的总体框图如图1所示。

图1 尿液信息数据采集系统的整体方案

电源模块输出+12 V、+9 V直流电供装置使用。EPM7064S产生的CCD控制信号接入6输入的反相器以转换电平并增加其驱动能力，再连接至CCD各控制脚，该控制信号同时作为ARM板的采样标志信号。CCD图像传感器根据采集到的光强输出相应的模拟信号，其输出电压为2.4～5.6 V之间，使用信号处理电路将CCD输出信号放大整形至0～3.3 V，供ARM内置的ADC直接采样。

3 CCD图像传感器TCD1209D简介

TCD1209D是东芝公司的低暗电流[5]、高灵敏度线阵图像传感器，具有2 048个有效光敏单元，光敏单元尺寸为 14 μm×14 μm，其中心距亦为 14 μm。 TCD1209D 的内部原理图如图2所示。

图2 TCD1209D工作原理图

从原理图可看出，TCD1209D由光敏单元区（Photo Diode）、转移栅（Shift Gate）、CCD 模拟移位寄存器和信号输出缓冲器4部分组成。其中光敏单元区的光敏单元前面部分的 D13～D31和最后面部分的 D3～D39是虚设单元，虚设单元经光学涂黑，用于校正输出信号的基线温漂[6]。真正有效的是中间的S1～S2048共2 048个光敏单元。转移栅相当于开关，当其关闭时，光敏单元区和CCD模拟移位寄存器被分隔成两个独立部分，光敏单元根据光信号积累电荷（称为光积分阶段），而CCD模拟移位寄存器则运行移位功能，两部分互不干扰，独立进行。转移栅打开时，光敏单元把电荷信号并行传输给移位寄存器，再由移位寄存器串行传输到输出缓冲器中，此时移位寄存器的输出是由脉冲信号φ1和φ2控制。输出缓冲器将输出的电荷信号进行处理，使信号更加稳定，最后在CP和RS信号的作用下，将稳定的模拟信号输出到OS端，这样即完成了整个CCD传感器的工作流程。

TCD1209D共有22个管脚，其中有用的管脚有9个，其功能如表1所示，时序如图3所示。

表1 TCD1209D引脚说明

图3 TCD1209D驱动时序

从图3可知，TCD1209D传感器的驱动脉冲信号共6个，其中 φ2和 φ2B信号相同，φ1和 φ2互为反相，SH信号的高电平（电荷传输阶段）时间必须大于1 000 ns（典型值为 1 500 ns），CP和 RS信号的高电平时间须大于10 ns(典型值为100 ns)。根据脉冲间相位要求可知，当SH为高电平时，φ1必须为高电平，而 φ2和 φ2B以及RS和CP必须为低电平；在RS信号为1时，φ1脉冲信号必须比SH信号提前至少200 ns置高，且比SH信号至少延迟200 ns才能置低，以保证在SH转移门传输电荷信号时不受到移位信号的影响。同样，CP信号置低须比SH置高至少提前200 ns，而RS信号从低置高则至少比SH信号从高置低延迟200 ns。RS信号和CP信号必须出现在φ2B的高电平阶段，且RS信号相位超前于CP的相位，CP信号下降沿提前于φ2B信号下降沿的典型时间值为50 ns。在SH为低电平期间（光积分阶段），至少有前面32个虚设单元信号和后面8个虚设单元信号(其中最后一个为校验位输出)以及中间的2 048个有效的光敏单元信号，即共有2 088个信号输出，因此必须保证至少有 2 088 个 φ1、φ2、φ2B、RS、CP 信号。

4 CCD驱动电路硬件设计

尿液信息采集系统的硬件核心是CCD图像传感器的驱动。目前CCD图像传感器芯片的驱动方案主要有EPROM、专用芯片、单片机、可编程逻辑器件 4种[7]，考虑到对多种线阵CCD的通用性，本装置采用基于可编程逻辑器件（CPLD）的驱动方案。驱动电路如图4所示。

图4 CCD驱动电路

由于TCD1209D的驱动信号频率很高，为保证信号完整性，在反相器与TCD1209D连线上串入了小电阻，其作用主要有：(1)提高信号源与信号线间的阻抗匹配以减少信号振荡等不利于信号传输的情况；(2)削弱信号的边沿尖峰，串联上小电阻后电阻与信号线中的分布电容形成RC滤波电路，可以消减尖峰信号的发生，使得输入信号更加平缓[8]。

CCD输出信号经基于运放的电平变换、放大等信号调理电路后方可送入ADC采集。须注意的是，由于CCD输出信号的频率比较高，典型值为1 MHz，所以对运放的要求也非常高，须选择高带宽、高电压摆率的型号，如美国Analog Devices公司的AD8031或AD8051运放。

5 CPLD软件设计

线阵CCD的驱动可分为光积分开始、光积分与电荷移位、光积分结束、电荷转移4个阶段，系统工作即是这4个阶段的不断循环进行。所以只要分析出4个状态各自的波形，再让状态机不断在4个状态中循环执行，即可实现CCD信号的输出。

当外部光源发生显著变化时，需要改变光积分的时间。可通过改变驱动脉冲信号的频率或在一个驱动时序周期末增加空驱动脉冲的方法实现。

编写的Verilog HDL程序在QuartusII中仿真的波形如图5所示（反相）。

图5 QuartusII波形仿真图

软件仿真和硬件调试证明，CPLD输出的波形满足TCD1209D驱动要求[9]。

6 系统调试分析

通过改变CCD外部光线强弱可得到变化的信号输出，波形如图6所示。

通过对比可知，当光线强时CCD输出的信号峰峰值大，在光饱和时甚至产生尖峰信号；当光线减弱时CCD输出信号峰峰值减小且输出电压最小值增大；当完全遮挡住时输出信号与第一个阶梯处持平。其中CCD有效输出电平均为信号最底部的平坦部分。

图6 不同外部光强时CCD输出波形

7 实验结果

用尿液采集系统读取尿10项试纸，各试纸块上的反射光强度AD采集结果如表2所示。

表2 实验结果

表2中，1、2组数据是在黑暗背景条件下相同样品测试的结果，3～6组数据是在明亮背景条件下不同样品测试的结果。从数据可得出，在特定环境下采集的数据具有一致性能，能满足家庭诊断要求，系统采集的数据稳定可信。但环境光对测量结果有影响，因此在产品化时应在光学检测机构中增设遮光措施，同时，在数据处理过程中需要根据试纸白色基底部分的反射光数据作修正。

本文针对目前便捷式尿液分析仪的发展及CCD图像传感器的应用提出了基于CCD图像传感器的尿液信息数据采集系统。该系统配合多波长LED，可采集尿液试纸的颜色信息，以供后续的数据处理模块分析。系统使用CPLD芯片EPM7064s作为驱动，可实现在线编程，方便了整个系统的调试、更新。同时整个系统的布线简洁、方便，有利于系统的稳定性和抗干扰的能力。该系统也可应用于其他图像采集场合中，具有显著的实用性和推广性。

[1]陈莹.FU-100流式尿沉渣全自动分析仪、尿干化学分析仪及显微镜检的临床应用意义探讨[J].中国社区医师，2013，15(6)：253-254.

[2]唐杰.基于试纸颜色识别的尿液分析仪设计[D].长春：吉林大学，2008.

[3]江乐.超高速尿液分析系统设计与研制[D].成都：电子科技大学，2006.

[4]章育中.薄层光密度法中的Kubelka-Munk原理及其方程式[J].中国药学杂志，1989，24(2)：99-100.

[5]TOSIBA.TCD1209D TOSIBA CCD linear image sensor datasheet[EB/OL].(2001-10-15)[2013-12-30].http：//www.alldatasheet.com.

[6]殷亚男，王晓东，李丙玉，等.CCD信号处理电路偏置漂移校正[J].电子技术应用，2012，38(11)：51-54.

[7]张智辉.线阵CCD驱动电路设计的几种方法[J].仪表技术与传感器，2004(06)：32-34.

[8]王帅.CCD器件的特性评价及其驱动和数据采集电路设计[D].杭州：浙江大学，2006.

[9]王长宏，陈朝阳，邹雪城，等.Verilog HDL设计实例及其仿真与综合[J].计算机应用，2001，27(12)：19-22.