熒光信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

1 引言
    牙齒牙髓活力狀態(tài)是衡量人體牙齒健康與否的關(guān)鍵，在此摒棄以往用牙髓電活力測(cè)試的檢測(cè)方法，而利用激光照射牙齒而激發(fā)牙髓物質(zhì)產(chǎn)生熒光的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，熒光強(qiáng)度與牙髓活力有密切關(guān)系。能反映牙髓是否健康，牙髓是否能康復(fù)，通過牙齒的熒光現(xiàn)象判斷牙髓活力，是一種診斷牙髓疾病的客觀方法。牙齒在短波長激光的照射下可以產(chǎn)生熒光，通過入射光纖照射到牙齒表面，再由出射光纖輸出熒光信號(hào)，熒光強(qiáng)度會(huì)隨牙髓活力降低而減弱，將激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)應(yīng)用于牙髓活力檢測(cè)領(lǐng)域。介紹牙髓熒光信號(hào)采集與顯示電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光信號(hào)的采集，包括A/D采集與基于TFT-LCD顯示的程序設(shè)計(jì)。

2 熒光信號(hào)檢測(cè)原理
    某些物質(zhì)受光照射激發(fā)能發(fā)射比激發(fā)光波長更長的光。此物質(zhì)能從外界吸收并儲(chǔ)存能量(如光能、化學(xué)能等)，并進(jìn)入激發(fā)態(tài)；當(dāng)其從激發(fā)態(tài)再回到基態(tài)時(shí)，過剩的能量以電磁輻射的形式放射(即發(fā)光)，稱為熒光。產(chǎn)生熒光必須具備兩個(gè)條件：物質(zhì)的分子必須具有與照射光相同的頻率；吸收與本身特征頻率相同能量的分子。必須具有高熒光效率。
    設(shè)計(jì)原理是利用脈沖調(diào)制電路將單色激光轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制激光光源。調(diào)制激光光源作為系統(tǒng)的激發(fā)光源，通過入射光纖直接照射到牙齒表面．基于激發(fā)的熒光通過出射光纖反射輸出，選擇光電倍增管作為熒光接收的光電傳感器。由于出射的熒光較微弱，為了直觀觀察激發(fā)出的熒光，設(shè)計(jì)合理的放大電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理。利用TFT-LCD終端顯示輸出。圖1為總體設(shè)計(jì)框圖。

3 采集與顯示電路設(shè)計(jì)
    采集系統(tǒng)采用12 bit ADS7804轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部采用逐次逼近式工作原理，單通道輸入，模擬輸入電壓范圍為±10 V，采樣速率為100 kHz，采樣精度達(dá)2 mV。信號(hào)采集電路如圖2所示，AT89C51單片機(jī)為控制處理器。其通信接口通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，直接與TFT-LCD連接。

    根據(jù)ADS7804器件的采集時(shí)序要求，首先將R/C引腳變?yōu)榈碗娖?；然后在CS引腳輸入一個(gè)脈沖，并在其下降沿啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，此脈沖的寬度要求在40 ns～6μs之間；這時(shí)BUSY引腳電平拉低表示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；經(jīng)過約8μs后，轉(zhuǎn)換完成，BUSY引腳電平相應(yīng)變高；再把R/C引腳電平拉高，這樣，CS引腳脈沖的下降沿即把轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線。
    AT89C51單片機(jī)利用4個(gè)I／O端口為ADS7804器件提供工作時(shí)序，該時(shí)序由單片機(jī)軟件完成。ADS7804的CS、BUSY、BYTE、R／C分別與單片機(jī)的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3相連，將示波器連接P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引腳檢測(cè)ADS7804一次采集，單片機(jī)提供工作時(shí)序，圖3為MD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)序。

    選用TFT-LCD DMT48270S型7英寸液晶顯示器作為顯示終端。由濕示器與M600人機(jī)界面驅(qū)動(dòng)模塊組成TFT組合模塊，界面支持觸摸屏操作。TFT組合模塊的特點(diǎn)是：具有串行口，可直接與AT89C51通訊，數(shù)據(jù)通訊只需3根線；具有統(tǒng)一指令集和硬件接口；完整的TFT面板接口信號(hào)，支持所有(TTL/CMOS)RGB接口面板，功耗低。是一種理想的終端顯示組合模塊。TFT組合設(shè)有兩種數(shù)據(jù)傳輸速率模式：一種為固定模式，其波特率為921 600 b／s，另一種為可設(shè)置波特率，其波特率在1 200 b／s到115 200 b／s之間可調(diào)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇19 200 b／s波特率，輸出界面模式由單片機(jī)軟件完成。

4 采集與顯示程序的設(shè)計(jì)
4．1 A／D采集程序設(shè)計(jì)
    首先，單片機(jī)的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引腳為ADS7804器件提供啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)序信號(hào)。然后等待A／D轉(zhuǎn)換完成，即等待BUSY引腳電平變高，完成后，ADS781M器件的轉(zhuǎn)換結(jié)果是12位，需2次讀取8位單片機(jī)，最后處理采樣數(shù)據(jù)，AT89C51的P0口讀取采集數(shù)據(jù)，P0．0~P0．7引腳分別連接ADS7804的13～6引腳，根據(jù)其使用說明，當(dāng)BYTE腳為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線上輸出高字節(jié)；反之，輸出低字節(jié)。所以將采集數(shù)據(jù)有移4位得到真正轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖4是A/D采集流程。

4．2 基于TFT-LCD顯示的程序設(shè)計(jì)
    基于硬件電路的設(shè)計(jì)，通過編寫控制與處理程序完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)顯示等功能，單片機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)所有功能程序，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

    系統(tǒng)上電后，單片機(jī)與TFT-LCD液晶屏初始化，主要設(shè)置單片機(jī)通信協(xié)議和顯示液晶屏初始化界面，該初始化界面一幀顯示2．5 s。
    初始化完成后，單片機(jī)處于等待接收觸摸屏狀態(tài)，如果接收到坐標(biāo)數(shù)據(jù)則調(diào)用坐標(biāo)判斷子程序，如果收到“自動(dòng)”或“單次”按鍵范圍內(nèi)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，就執(zhí)行調(diào)用A／D采集子程序，完成熒光信號(hào)數(shù)據(jù)的采樣與讀取。
    為能夠在TFT-LCD正確顯示，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化轉(zhuǎn)換，讀取采樣數(shù)據(jù)判斷其正負(fù)，然后調(diào)用對(duì)應(yīng)子程序處理，該子程序主要完成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)電壓值的轉(zhuǎn)換，電壓值與顯示屏的坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換。
    轉(zhuǎn)換結(jié)束后，調(diào)用顯示子程序，利用本次采樣值相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)與前一次采樣值相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)連接的方法，進(jìn)行連續(xù)A／D采集，通過TFT-LCD顯示終端實(shí)時(shí)顯示，反映熒光信號(hào)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化。每次采集時(shí)間約為500 ms，“自動(dòng)”模式下進(jìn)行多次采集，“單次”模式下進(jìn)行一次采集。為了便于顯示屏的人機(jī)界面操作，通過觸摸屏可設(shè)置停止、采集與復(fù)位清屏等功能。

5 試驗(yàn)分析
    為了測(cè)試本系統(tǒng)對(duì)牙齒的監(jiān)測(cè)性能，對(duì)兩種牙齒進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，一種為蛀牙牙齒，另一種為無蛀牙齒，做5次實(shí)驗(yàn)，牙髓熒光信號(hào)采集結(jié)果如圖6所示。

    從測(cè)量結(jié)果看，第1次熒光的相對(duì)強(qiáng)度很低，僅0．6 mV，而第2～5次熒光強(qiáng)度信號(hào)的幅值較高，同時(shí)看到信號(hào)并不是一條水平線，說明探頭照射位置的改變等因素也會(huì)帶來一定影響。無蛀牙齒的熒光強(qiáng)度相對(duì)有蛀牙齒的要高，變化較明顯，說明牙齒的牙髓活力狀況與自身的反射熒光大小有直接關(guān)系。同時(shí)，熒光相對(duì)強(qiáng)度與檢測(cè)放大電路有密切相關(guān)，檢測(cè)放大電路的放大倍數(shù)越大，熒光信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度也越高。

6 結(jié)論
    基于系統(tǒng)熒光信號(hào)的采集與顯示電路，采用12位A／D轉(zhuǎn)換器與真彩色、低功耗的TFT-LCD相結(jié)合，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的熒光信號(hào)采集程序。初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)可完成對(duì)牙髓熒光信號(hào)的采集與顯示。在試驗(yàn)中檢測(cè)的對(duì)象數(shù)量較少，程序的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)將為后來系統(tǒng)功能的升級(jí)提供幫助。