采用單片機(jī)的多普勒血流計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

0 引言

　　多普勒血流計(jì)的出現(xiàn)標(biāo)志著在微血管灌流方面取得重大進(jìn)步。本設(shè)計(jì)采取雙通道裝置拾取多普勒信號(hào)，有效地抑制噪聲信號(hào)，采用單片機(jī)來對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制及處理，既簡化了電路，又有助于信號(hào)的處理及讀取。運(yùn)用12位的AD574A不但提高了信號(hào)精度，利用其雙極性，也省去了以往信號(hào)處理中復(fù)雜的乘方、開方電路或絕對(duì)值電路。通過四位LED顯示，直觀、準(zhǔn)確地讀取血細(xì)胞灌流量的瞬時(shí)相對(duì)定量值，可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。并同時(shí)配有揚(yáng)聲器來形象表示信號(hào)的強(qiáng)弱和變化。還可通過繪圖儀，對(duì)信號(hào)進(jìn)行長時(shí)間檢測、記錄，以便研究和分析。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，從激光探頭發(fā)射出一束激光照射到組織上，并穿透組織形成一個(gè)半徑為1mm的半球，半球中心在探頭處。所有穿過該區(qū)域的血細(xì)胞會(huì)反射回部分光線，造成光線的多普勒移動(dòng)，移動(dòng)的強(qiáng)度和頻率與穿過該區(qū)域的血細(xì)胞數(shù)量和速度有關(guān)，與其方向無關(guān)(灌流量定義為：血細(xì)胞灌流量=測量區(qū)域的血細(xì)胞量×細(xì)胞的平均速度)。部分反射回來的光由雙路激光探頭拾取，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映血細(xì)胞灌流量大小的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)一系列電學(xué)及數(shù)據(jù)處理后，利用51單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示血流灌流量相對(duì)量

　　的大小，驅(qū)動(dòng)繪圖儀描記灌流量，控制揚(yáng)聲器發(fā)出反映灌流量大小的聲音。

　　2.硬件技術(shù)方案

　　2.1 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

　　信號(hào)處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當(dāng)探頭放置在組織上時(shí)，被照射到的直徑約1mm的半球區(qū)中運(yùn)動(dòng)的血紅細(xì)胞將使光被重復(fù)的反射、折射，這些被反射、折射的復(fù)合光因血紅細(xì)胞的移動(dòng)發(fā)生了多普勒頻率移動(dòng)并有一部分散射回組織表面，進(jìn)入兩根對(duì)稱的接收光導(dǎo)纖維。通過這兩根對(duì)稱饋送光纖傳送給兩個(gè)光電三極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，就可以把可知頻率的多普勒信號(hào)展寬并檢測出來。再經(jīng)過放大、濾波、歸一化處理即可濾出低頻噪聲及直流成分。由于兩路多普勒信號(hào)是差模信號(hào)，所以經(jīng)過差分放大器后，環(huán)境噪聲、電網(wǎng)噪聲、激光噪聲將被大大抑制。再經(jīng)信號(hào)處理單元進(jìn)一步濾波、放大、補(bǔ)償平滑后即可提取出正比于血細(xì)胞灌流量的電壓信號(hào)。信號(hào)處理電路具體框圖見圖1的A/D轉(zhuǎn)換前面部分。

　　5G28是單片機(jī)相容輸入阻抗集成運(yùn)放，具有高輸入阻抗及高轉(zhuǎn)換速度的特點(diǎn)，廣泛用于微電流的放大。因此，前置放大器、2KHz高通濾波器和7KHz低通濾波器均采用5G28。

　　F007是單片機(jī)單增益運(yùn)算放大器，它不需要外圍頻率補(bǔ)償，有很高的共模和差模輸入電壓范圍，因此積分器選用這個(gè)放大器。積分器時(shí)間常數(shù)和增益的改變，采用4066由單片機(jī)控制。

　　由于傳感器經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換的信號(hào)比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調(diào)電流，高共模抑制比特點(diǎn)，其增益可在O.1～1000之間調(diào)整，各種增益參數(shù)已進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，具有輸入輸出保護(hù)功能，有較強(qiáng)的過載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過調(diào)節(jié)外界電阻改變?cè)鲆妗?/span>

　　2.2 單片機(jī)控制電路部分硬件的設(shè)計(jì)

　　綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)際功能和要求，本系統(tǒng)選用AT89S52作為控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的精度要求，采用12位逐次逼近型快速AD574A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換精度≤0.05%，可滿足0.5%的設(shè)計(jì)精度要求。其轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，因?yàn)檠?xì)胞流量速度約為0.1ms，所以信號(hào)變換緩慢，并加有積分器，無須再加其它采樣保持器。根據(jù)采樣原理，每個(gè)信號(hào)周期采樣十次即可，這里采用中速轉(zhuǎn)換器就能滿足要求。綜合考慮速度、精度及性能價(jià)格比，A/D轉(zhuǎn)換器采用AD574A，實(shí)現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以便于采用微機(jī)去控制顯示、驅(qū)動(dòng)打印。