通用人体呼吸气体检测电子鼻仪器设计

　引言

　　通过人体的体液检测健康状况，这在临床应用中已非常成熟，也确实为诊断过程提供了十分宝贵的信息，然而体液检测一方面需要依赖于检测试剂，成本较高，另一方面大部分检测手段基于“有创”过程，均不适合进行较高频率的检测。作为身体健康状况的另一条反映途径，人体的呼吸气体(肺呼吸气体与消化道挥发气体)也能反映一些重要的生理过程与代谢信息，且检测的方法可以在一定程度上弥补前者的不足。

　　本设计的目的是利用以ARM7TDMI-S为核心的LPC2478处理器实现对电子鼻仪器系统的控制、对气体检测信号的分析与判别，以及实现在脱离PC机的情况下，提供友好的图形用户交互接口(GUI)，使用户通过自己的操作就能掌握并记录自己的身体健康状况。

　　本设计初衷在于能将本系统应用于家庭成员人体健康体征的监测，并主要着眼于检测人体呼吸气体中的乙醇、芳香烃类气体化合物和由人体消化道挥发出的气体硫化物、胺化物等的含量，从而为酗酒、吸烟人群以及呼吸道、胃肠道不适人群的健康状况作直观和方便的检查。系统在线实现对气体检测信号的主成份分析(PCA)，而由于需要大量的样本训练过程，故系统将人工神经网络(ANN)对气体进一步分析的原始数据通过USB Host写入U盘中，以便于数据的移植，而将数据拷贝至SD存储卡中，则便于将用户长期观察的结果存档。

　　系统实现

　　系统对人体呼吸气体的检测主要是通过高效的气路及其控制得以实现的。对于进样的气体，系统有两种不同的检测手段：对于较高浓度的气体，步进电机驱动六通阀，切换至“直接进样”状态，即气体由进样口进入气室，在气室中与处于加热状态的金属氧化物气体传感器阵列(Gas Sensor Array)接触;而对于较低浓度的气体，六通阀将切换至“吸附进样”状态，即气体从进样口进入气路之后，在吸附解吸附单元(EDU)中进行富集(常温)，并在富集程序完毕之后，载气由载气口进入，将标志物气体从PID控温状态下的EDU中带出，并进入气室，这是本系统实现气体检测功能基本的检测原理与流程。在这个过程中需要LPC2478对气路状态(六通阀切换、EDU控温、真空泵抽气速率与气体传感器阵列信号采样等)进行全程监控与测量，并通过TFT液晶、键盘阵列与用户实现友好的交互。

　　在检测得到气体信号之后，需要LPC2478对数据进行主成份分析(PCA)，通过数学建模的方法，本设计改进了传统PCA分析的算法，并将数据变换为在两维主成份坐标系中的“点群”，利用这些点群，对样本气体中的主成份进行聚类判断。

　　在气体检测的整个过程中，均需要为气体在气路中的流动提供动力，本系统利用LPC2478的10位DAC对真空泵的驱动电路进行控制，在实现对真空泵转速调节的同时，对气路中气体的流动速度进行较为精确的控制，一方面适应“吸附进样”过程中气体吸附的速率，另一方面又能兼顾气体与传感器充分接触时传感器的响应时间。

　　硬件平台

　　该呼吸气体检测电子鼻实验样机采用了广州致远电子有限公司生产的SmartARM2400开发板和项目小组自制的扩展板，以实现对气路硬件模块的控制和模拟信号的前置处理等功能。气路硬件模块包括吸附解吸附单元、真空泵、六通阀、电磁阀、步进电机、气室(TGS系列金属氧化物气体传感器阵列)以及气体采样袋等。系统的硬件设计框图如图1所示。

　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。

　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。

通过“数据传输”功能，可以把传感器阵列对样本气体的响应值记录下来，在USB HOST控制器的管理下，将需要记录的数据值写入USB设备中，这些数据可以作为PC人工神经网络(ANN)分析的原始数据，在提供训练案例的前提下，也希望PC通过ANN分析能给出更为准确的诊断结果。系统也可以对SD卡读写数据，其中记录了每一次样本气体分析的数据和PCA分析的结果，这有利于为用户形成长期观察的病历记录。通过UART，系统与PC相连接，在PC上利用自己开发编写的串口通讯软件对电子鼻仪器的运行状态进行实时监控，并以数据库的形式对这些数据进行管理。

　　以上过程在涉及到具体操作时，系统都将利用LPC2478强大的彩色液晶控制器与用户实现交互，使整个呼吸气体检测的过程透明化，用户可以通过系统的提示，经过简单的操作完成对身体健康状况的监测。如图3所示为液晶显示的主要操作界面。

　　结语

　　本设计的通用人体呼吸气体检测电子鼻仪器是定位于家庭使用，为那些长期酗酒、吸烟和因此导致呼吸道、胃肠道不适的人群以及其他生理性、病理性胃肠道不适或炎症的用户群体设计，仪器采用了NXP最新研发的LPC2478微处理器，充分利用其彩色液晶控制器、内部ADC、DAC、PWM、Timer等功能模块，完成对呼吸气体的检测和基于PCA的诊断分析，并结合USB HOST与SD读写控制器完成数据的移植与传输，使整个电子鼻检测仪器的功能得到完善。图4为呼吸气体检测电子鼻仪器的实验样机。

　　用户在使用该仪器对自己的呼吸气体进行检测之前，只需要用气袋收集空腹时的“吹气”，然后按照系统操作的提示完成进样与检测，易于使用，并通过无创和低成本的操作过程完成对自身健康状况的检测与记录。