單片機在醫(yī)學(xué)信號檢測儀中的應(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。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?，F(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其功能。廣泛地應(yīng)用微處理器芯片能增強儀器的智能化程度，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、自校驗等一系列優(yōu)點。
　　

      ATMEL公司新推出的AT90系列AVR單片機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以及強大的外圍接口能力使它成為目前最流行的單片機之一。
　　

      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)計的思想，實時地對8路人體生理信號進行采樣，對數(shù)據(jù)實行壓縮和優(yōu)化處理，以115 200 bps的速率和上位PC機進行串行數(shù)據(jù)傳輸。

   

      2　硬件構(gòu)成
   

       2．1　微處理器及其特點
　　

      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。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)出目標產(chǎn)品。為了對目標代碼大小進行優(yōu)化，AVR單片機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，計算機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／計數(shù)器。
　　

      Atmega163單片機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寄存器進行通道路號選擇，讀取的數(shù)據(jù)由CPU作進一步處理。
   

      2．2　基于RS-232的串行通訊接口電路
　　

      如圖2所示，與上位PC機連接的J1應(yīng)用了RS－232的5條信號線，其中，TX為PC機的發(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，減小患者漏電流，同時也減少了計算機對檢測電路的干擾。  
   

       3　軟件設(shè)計
　　

      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機通訊時，上位機能及時準確地判斷該數(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機發(fā)送，發(fā)送完8通道共16個字節(jié)后，進行下一輪的采樣。
   

      3．4　上位PC機接收數(shù)據(jù)程序
　　

      上位機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。

   

      參考文獻

   

       1　葉勇建主編．AVR高速嵌入式單片機原理與應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000
       2　吳效明，李　斌，崔文生，等．多道生理參數(shù)檢測與分析軟件系統(tǒng)研究．暨南大學(xué)學(xué)報，2000，21（1） 
      3　孫紅軍，孫秀云，周學(xué)鐵．用C語言設(shè)計高速三線串行通信程序．電子技術(shù)應(yīng)用，1997（6）
     4　楊福生．論生物醫(yī)學(xué)信號處理研究的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略——生物醫(yī)學(xué)工程的今天與明天．第1版．天津：天津科技翻譯出版公司，1998：465～483