六通道數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的研制

1  引言

單片計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)微信號的采集及處理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹我們根據(jù)實(shí)際需要研發(fā)的一款六通道數(shù)據(jù)采集及處理的單片計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，共生產(chǎn)樣機(jī)兩臺，都投入了實(shí)際應(yīng)用。該系統(tǒng)分別對六個(gè)來自傳感器的微弱電信號進(jìn)行放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在PC機(jī)的控制下，用單片計(jì)算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，然后把這些數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。通過選擇不同的傳感器，系統(tǒng)可用于各種生物醫(yī)學(xué)微信號的采集及處理，具有一定的通用性。

2  系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

      圖1  系統(tǒng)組成方框圖

如圖1所示，系統(tǒng)由傳感器、微信號放大、A/D轉(zhuǎn)換、單片計(jì)算機(jī)接口、串行通信等部分組成。來自傳感器的微弱電信號經(jīng)信號放大電路放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，此電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送入單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步的數(shù)字處理，并經(jīng)串行通信接口傳送給PC機(jī)。同時(shí)，PC機(jī)的指令也可通過串行通信接口傳送給單片計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)將系統(tǒng)各部分分別介紹如下：

2.1   微信號放大電路

微信號放大電路采用美國Burr-Brown公司生產(chǎn)的精密數(shù)據(jù)放大器INA118。該運(yùn)放具有精度高、溫漂低的特點(diǎn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]。

INA118有八只腳，第1、8腳間外接一放大倍數(shù)控制電阻Rg，3、2腳分別為正、反向輸入端，7、4腳為+5V、-5V電源輸入端，6腳為輸出端，5腳為參考電壓端，一般與地相接。

         圖2  INA118內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

A1、A2、Ra、Rb和Rg組成第一級放大電路，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”特性，有VA=VIN-，VB=VIN+。所以流過Rg的電流為

A3、Rc、Rd、Re和Rf組成第二級放大電路，此級為一差分放大電路，由于Rc=Rd，Re=Rf，故其電壓放大倍數(shù)為[2]

由上式看出，要改變INA118的放大倍數(shù)，只要改變Rg的大小即可。在實(shí)際電路中，Rg采用一只1KΩ的精密電位器構(gòu)成放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路，如圖3所示。
 

由于系統(tǒng)要對來自六個(gè)傳感器的信號分別進(jìn)行放大，所以使用了六片INA118（U1~U6）組成六通道信號放大電路。六片INA118的反向輸入端 VIN-分別通過J1接線口的第1~6腳接六個(gè)傳感器的信號輸出端；正向輸入端則并接在一起，通過J1口的第8~10腳接到六個(gè)傳感器的另一端，同時(shí)通過一個(gè)1KΩ的電阻接地，以降低共模輸入分量，提高放大器的放大精度。

電位器W1~W6是電壓放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電位器，可根據(jù)需要分別對U1~U6的放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中分別把六個(gè)通道的放大倍數(shù)都預(yù)設(shè)為–200倍。 U1~U6的輸出端Vo1~Vo6分別接到A/D轉(zhuǎn)換器U7的AIN0~AIN5六個(gè)輸入端，以便把放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

2.2  A/D轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用德州儀器公司開發(fā)的串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543，它是一種11通道、12位、高精度（最大±1/4096的線性誤差）、快速（在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

TLC2543內(nèi)部由通道選擇器、輸入地址寄存器、采樣保持電路、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、輸出寄存器、并→串轉(zhuǎn)換器以及控制邏輯電路等7個(gè)部分組成。通道選擇器根據(jù)輸入地址寄存器中存放的地址選擇輸入通道，并將輸入通道中的信號送到采樣保持電路中，然后在12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器中將采樣的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，存放到輸出寄存器中，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過并行→串行轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，由DOUT端輸出到微處理器中。

        圖4 TLC2543內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。TLC2543的模擬信號輸入端AIN0~AIN5分別接六路來自INA118的電壓信號Vo1~Vo6，各路信號的選擇通過編程設(shè)定；AIN6~AIN10以及負(fù)參考電壓端REF-都接地。 為片選信號輸入端，片選信號來自單片計(jì)算機(jī)AT892051的P1.7腳（該信號由軟件編程產(chǎn)生），當(dāng) 為低電平時(shí)，允許TLC2543輸入輸出數(shù)據(jù)，當(dāng) 為高電平時(shí)禁止其輸入輸出數(shù)據(jù)；DOUT為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到單片計(jì)算機(jī)AT892051的P1.6端，輸出方式可由高位到低位逐位輸出，也可由低位到高位逐位輸出，具體方式由編程確定；DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端，來自單片機(jī)P1.5腳的命令字（含通道選擇、輸出數(shù)據(jù)長度、輸出順序、極性選擇等信息）由此端輸入，輸入方式為先高位后低位。SCLK為輸入輸出同步時(shí)鐘端，該時(shí)鐘信號來自AT892051的P1.4腳（信號通過軟件編程產(chǎn)生）；當(dāng)數(shù)據(jù)傳送開始后，每個(gè)SCLK信號的上升沿，由單片機(jī)向TLC2543輸入一位命令字（前8個(gè)上升沿），同時(shí)由TLC2543向單片機(jī)輸出一位轉(zhuǎn)換結(jié)果（前 8、12或16個(gè)上升沿）。TLC2543的正參考電壓端REF+接+3.0V標(biāo)準(zhǔn)電壓。

標(biāo)準(zhǔn)電壓+3.0V由電源集成電路TL431產(chǎn)生。由于TL431的第1、2腳間的電壓差為標(biāo)準(zhǔn)電壓2.5V，而第1腳的工作電流可以忽略，所以TL431的第3腳輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓為：

本系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用12位輸出的方式：當(dāng)TLC2543輸入端的模擬電壓（對地電壓）等于（或略低于）0V時(shí)，TLC2543輸出結(jié)果為000H，當(dāng)模擬電壓等于（或略大于）3V時(shí)，輸出結(jié)果為FFFH（為了不損壞TLC2543，應(yīng)恰當(dāng)選擇傳感器的接法并調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)，使TLC2543的輸入電壓在-0.3V～+3.3V的范圍內(nèi)）。

        圖5 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

2.3  單片計(jì)算機(jī)接口電路

單片計(jì)算機(jī)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051。它是一種低功耗、高性能的8位CMOS微控制芯片，與MCS-51指令系統(tǒng)兼容，且片內(nèi)自帶的2KB快閃可讀寫程序存儲器已可滿足本系統(tǒng)的需要，不需要擴(kuò)展外部程序存儲器。

        圖6 接口電路

接口電路如圖6所示。其中，C0與R4構(gòu)成上電自動(dòng)復(fù)位電路；K、R5和R4構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路，X、C1、C2構(gòu)成單片機(jī)的振蕩電路。為了產(chǎn)生精確的串行通信波特率，晶振X的振蕩頻率選為11.0592MHz（它可使波特率發(fā)生器T1的初值為整數(shù)，從而消除初值誤差）。

AT89C2051的P3.0腳為串行數(shù)據(jù)接收端，接收來自MAX232的R1OUT端的串行數(shù)據(jù)；P3.1腳為串行數(shù)據(jù)輸出端，單片機(jī)發(fā)向PC機(jī)的串行數(shù)據(jù)由此傳輸?shù)組AX232的T1IN端；P1.4腳輸出同步時(shí)鐘信號，此信號輸入到TLC2543的SCLK端；P1.5腳與TLC2543的DIN端相連，單片機(jī)由此端向TLC2543輸入命令字；P1.6腳是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入端，接收來自TLC2543的DOUT端的轉(zhuǎn)換結(jié)果；P1.7腳輸出 TLC2543的片選信號，與TLC2543的 端相接。

2.4  串行通信電路

串行通信電路如圖7所示。MAX232是雙向電平轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL電平（0～5V）與EIA電平（－10V～+10V）之間的轉(zhuǎn)換：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，TTL電平信號自單片機(jī)的TXD端傳到MAX232的T1IN端，經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換成EIA電平信號后，由T1OUT端送出，通過RS-232C插座的TXD端到達(dá)PC機(jī)；接收數(shù)據(jù)時(shí)，來自PC機(jī)的EIA電平信號通過RS-232C插座的RXD端輸入到MAX232的R1IN端，經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換成TTL電平信號后，由R1OUT端送到單片機(jī)的RXD端。

     圖7 串行通信電路

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序框圖如圖8所示。

系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)為一個(gè)循環(huán)程序，在一個(gè)循環(huán)中完成以下工作：①向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送命令字，讀取A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并根據(jù)來自PC機(jī)的指令，將讀取的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行初步處理；②將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)；③接收來自PC機(jī)的命令，并對命令做出反應(yīng)。

本系統(tǒng)中，TLC2543輸出結(jié)果設(shè)置成12位無符號整型數(shù)，輸出順序?yàn)楦呶辉谇?。為了使采樣結(jié)果更準(zhǔn)確，采取如下采樣方式：在每一個(gè)主程序循環(huán)中，由單片計(jì)算機(jī)依次讀取AIN0～AIN5六個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)，并將各通道的數(shù)據(jù)依次存放到單片機(jī)的RAM中，六個(gè)通道讀完一次之后，再依次讀取 AIN0～AIN5六個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)，并將新讀取的各通道的數(shù)據(jù)分別加入到前面讀取的結(jié)果中，這樣連續(xù)讀取8次，得到各通道8次采樣結(jié)果之和，然后將這些結(jié)果分別除以8，得到各通道8次采樣結(jié)果的平均值，并把它們作為各通道的采樣結(jié)果傳送給PC機(jī)。由于A/D轉(zhuǎn)換器輸出的結(jié)果并不直接表示電壓的大小（000H表示0V，F(xiàn)FFH表示3.0V），單片機(jī)可根據(jù)來自PC機(jī)的命令，將這些結(jié)果轉(zhuǎn)換成電壓值（如將FFFH轉(zhuǎn)換成003H），結(jié)果的轉(zhuǎn)換通過調(diào)用子程序完成。

         圖8 系統(tǒng)主程序框圖

系統(tǒng)主程序每循環(huán)一次，單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送一組數(shù)據(jù)，這一組數(shù)據(jù)包含三個(gè)部分：①三個(gè)同步字節(jié)#55H、#0AAH、#01H（供PC機(jī)識別發(fā)送內(nèi)容用）；②AIN0～AIN5六個(gè)通道的采樣結(jié)果；③采樣結(jié)果的累加和（供PC機(jī)校驗(yàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的正確性用）。數(shù)據(jù)的發(fā)送通過調(diào)用發(fā)送子程序?qū)崿F(xiàn)。循環(huán)程序中有一個(gè)延時(shí)程序， PC機(jī)通過傳送延時(shí)參數(shù)控制單片機(jī)完成一次循環(huán)所需的時(shí)間，從而控制單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率。來自PC機(jī)的命令通過中斷方式讀入，每當(dāng)PC機(jī)有信號傳入，就引起單片機(jī)的串行口中斷，單片機(jī)在中斷服務(wù)程序中讀入命令，并執(zhí)行收到的命令。

單片機(jī)串行口的工作方式設(shè)置成方式1，串行通信的波特率設(shè)計(jì)為4800。設(shè)波特率發(fā)生器T1的初值為x，則[4]

即      x=250(十)=#0FAH（十六）

所以    TL1=#0FAH，TH1=#0FAH.

PC機(jī)的數(shù)據(jù)接收程序采用Visual C++ 6.0編寫[5]，并用安裝程序制作軟件InstallShield Professional制作成一個(gè)名為“高澤利—串口通信”的可安裝應(yīng)用軟件，其運(yùn)行界面如圖9所示。

       圖9 “高澤利—串口通信”應(yīng)用程序窗口

 “高澤利—串口通信”完成的主要功能是：①通信參數(shù)的設(shè)置——鼠標(biāo)單擊“設(shè)置參數(shù)”按鈕，彈出一個(gè)參數(shù)設(shè)置對話框，在該對話框內(nèi)完成所使用的PC機(jī)的串口號、異步通信數(shù)據(jù)的楨格式、向單片機(jī)自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔等參數(shù)的設(shè)置；②PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制指令——可將待發(fā)送的指令用手動(dòng)或自動(dòng)兩種方式發(fā)送給單片機(jī)（待發(fā)送的內(nèi)容通過鍵盤輸入到“發(fā)送內(nèi)容”編輯框中即可被發(fā)送出去）；③接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)——通過鼠標(biāo)單擊“開始接收/停止接收”按鈕在接收與停止之間轉(zhuǎn)換，接收到的數(shù)據(jù)顯示在“接收回顯”編輯框中；④接收回顯數(shù)據(jù)的清除——鼠標(biāo)單擊“清除”按鈕可清除接收回顯編輯框中的數(shù)據(jù)，以使新接收的數(shù)據(jù)顯示在編輯框中直接可見的位置。

4  應(yīng)用

制作的兩臺樣機(jī)在臨床醫(yī)學(xué)本科學(xué)生的“神經(jīng)干動(dòng)作電位”實(shí)驗(yàn)中用于測量神經(jīng)干的動(dòng)作電位。實(shí)驗(yàn)顯示，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有很高的測量精度，在醫(yī)學(xué)信號的檢測處理中取得了初步的成功。

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