基于單片機(jī)的醫(yī)學(xué)信號檢測儀的設(shè)計(jì)應(yīng)用

1　引　言

傳統(tǒng)的檢測儀器大多由硬件電路來完成，不僅功能單一，而且開發(fā)周期長，不易維護(hù)。隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，醫(yī)學(xué)檢測儀器正向組合式、多功能、智能化和微型化方向發(fā)展。

現(xiàn)代數(shù)字部件的快速發(fā)展為醫(yī)學(xué)檢測儀提供了強(qiáng)有力的支持，醫(yī)學(xué)檢測儀器都無一例外地采用了微處理器來增強(qiáng)其功能。廣泛地應(yīng)用微處理器芯片能增強(qiáng)儀器的智能化程度，提高其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理的精確性，使醫(yī)學(xué)信號的采集、處理、通信一體化，并具有自診斷、自校驗(yàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。

ATMEL公司新推出的AT90系列AVR單片機(jī)是很引人注目的一款微處理器。這種芯片基于新的RISC(Reduced Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上采用了流水線的結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行前一條指令的時候，同時取出下一條指令，它的FLASH以及強(qiáng)大的外圍接口能力使它成為目前最流行的單片機(jī)之一。

本文采用的高性能微處理器芯片Atmega163，利用結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計(jì)的思想，實(shí)時地對8路人體生理信號進(jìn)行采樣，對數(shù)據(jù)實(shí)行壓縮和優(yōu)化處理，以115 200 bps的速率和上位PC機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸。

2　硬件構(gòu)成

2.1　微處理器及其特點(diǎn)

Atmega163是ATMEL公司推出的高檔系列產(chǎn)品，是基于AVRRISC的低功耗CMOS8位單片機(jī)。在外部晶振為8MHz時，一條指令的執(zhí)行時間僅為125ns，這種AVR單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有利于用C語言編程，從而能高效地開發(fā)出目標(biāo)產(chǎn)品。為了對目標(biāo)代碼大小進(jìn)行優(yōu)化，AVR單片機(jī)采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。通過在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，Atmega163可以取得接近1MIPS/MHz的性能。

它將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，使所有的工作寄存器都和ALU(ArithmeticLogic Unit，計(jì)算機(jī)CPU中的算術(shù)邏輯單元)直接相連，允許在1個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令同時訪問2個獨(dú)立的寄存器。Atmega163具有16K字節(jié)的Flash存儲器，512字節(jié)在線可編程E2PROM，1024字節(jié)SRAM，外圍有全雙工UART串行通訊接口。此外，它還有2個具有比較模式的可預(yù)分頻的8位定時器/計(jì)數(shù)器，1個可預(yù)分頻，具有比較、捕捉功能的16位定時器/計(jì)數(shù)器。

Atmega163單片機(jī)提供了一個性能良好的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。如圖1所示，A口為8路模擬信號輸入端，如果AD功能禁止，則A口是一個8位雙向I/O口。8路人體生理信號如心電、心音、頸動脈、脈搏、體溫等，經(jīng)過放大、濾波、去噪處理后，分別與A口的8個引腳相連。微處理器采集數(shù)據(jù)時，通過控制ADMUX寄存器進(jìn)行通道路號選擇，讀取的數(shù)據(jù)由CPU作進(jìn)一步處理。

2.2　基于RS-232的串行通訊接口電路

如圖2所示，與上位PC機(jī)連接的J1應(yīng)用了RS-232的5條信號線，其中，TX為PC機(jī)的發(fā)送信號線，RX為接收信號線，CGND為地線。而RTS和DTR不產(chǎn)生信號，僅在初始化時產(chǎn)生高低電平，RTS設(shè)為+12V，DTR設(shè)為-12V。三極管Q1的作用是使信號反相，并輸出RS-232電平。

電氣的安全性，是醫(yī)學(xué)測量儀必須考慮的問題。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)測量儀一般采用隔離放大器，對模擬信號進(jìn)行隔離，這種隔離技術(shù)的不足之處是：

(1)必須為不同的模擬信號采用不同的隔離技術(shù);

(2)采用這種隔離措施會在信號線性度、共模抑制以及頻率響應(yīng)等方面引起問題，通常使電路穩(wěn)定性變差，代價較高，且使電路變得更為復(fù)雜。而選用數(shù)字信號隔離技術(shù)，則可以克服上述缺陷。

光電隔離器6N137是把發(fā)光二極管與光敏管組合封裝在一起的器件(見圖2中方框內(nèi))。由于兩個部分之間是電氣隔離的，光電隔離器件能圓滿解決信號隔離與電平匹配的問題。通過這一隔離電路，可使PC機(jī)系統(tǒng)電源和測量儀器部分的電源完全隔離開來，從而保證醫(yī)學(xué)儀器的安全性，防止電擊危險(xiǎn)，減小患者漏電流，同時也減少了計(jì)算機(jī)對檢測電路的干擾。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖3所示。軟件部分采用模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，利用匯編語言編寫，有關(guān)模塊功能如下。

3.1　初始化

設(shè)置SP初值，把程序用到的內(nèi)部RAM區(qū)清0，給數(shù)據(jù)采集通道計(jì)數(shù)器賦初值(8)，設(shè)置波特率(115 200)。

3.2　數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換

按預(yù)先確定的采樣順序?qū)Ω髀沸盘栠M(jìn)行采樣，由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以，延時等待的時間應(yīng)略大于轉(zhuǎn)換完成時間。前一路轉(zhuǎn)換完成后，應(yīng)立即啟動下一路開始轉(zhuǎn)換。由于模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，成為10位數(shù)字信號，所以，我們用2個字節(jié)來存儲該數(shù)據(jù)，高字節(jié)存儲高8位數(shù)據(jù)，低字節(jié)高位存儲最低的兩位數(shù)據(jù)，后6位補(bǔ)0。同時，把采樣通路號加在最低3位字節(jié)上，以便與上位PC機(jī)通訊時，上位機(jī)能及時準(zhǔn)確地判斷該數(shù)據(jù)來自哪一通道，從而方便地對各路數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理。最后把轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)，按先后順序依次存儲在內(nèi)RAM里。

3.3　數(shù)據(jù)的發(fā)送

利用R0間接尋址的方式，把RAM里的數(shù)據(jù)取出，按115 200 bps的波特率逐個字節(jié)向PC機(jī)發(fā)送，發(fā)送完8通道共16個字節(jié)后，進(jìn)行下一輪的采樣。

3.4　上位PC機(jī)接收數(shù)據(jù)程序

上位機(jī)通信程序由兩部分組成：初始化子程序，中斷數(shù)據(jù)接收子程序。

4　結(jié)束語

由上面提供的硬件電路和軟件，制作成串行通信接口電路，能可靠、穩(wěn)定地工作，實(shí)現(xiàn)多路信號的采集、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)無差錯傳輸，同時，能夠滿足醫(yī)學(xué)儀器安全性的要求，為臨床人體生理信號測量，及病理診斷提供幫助。