单片机在医学信号检测仪中的应用

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1　引　言
　　
      传统的检测仪器大多由硬件电路来完成，不仅功能单一，而且开发周期长，不易维护。随着微电子技术和信息技术的高速发展，医学检测仪器正向组合式、多功能、智能化和微型化方向发展。现代数字部件的快速发展为医学检测仪提供了强有力的支持，医学检测仪器都无一例外地采用了微处理器来增强其功能。广泛地应用微处理器芯片能增强仪器的智能化程度，提高其稳定性和数据处理的精确性，使医学信号的采集、处理、通信一体化，并具有自诊断、自校验等一系列优点。
　　
      ATMEL公司新推出的AT90系列AVR单片机是很引人注目的一款微处理器。这种芯片基于新的RISC（Reduced Instruction Set Computer）结构，在设计上采用了流水线的结构，在执行前一条指令的时候，同时取出下一条指令，它的FLASH以及强大的外围接口能力使它成为目前最流行的单片机之一。
　　
      本文采用的高性能微处理器芯片Atmega163，利用结构化、模块化程序设计的思想，实时地对8路人体生理信号进行采样，对数据实行压缩和优化处理，以115 200 bps的速率和上位PC机进行串行数据传输。
      2　硬件构成
       2．1　微处理器及其特点
　　
      Atmega163是ATMEL公司推出的高档系列产品，是基于AVRRISC的低功耗CMOS8位单片机。在外部晶振为8MHz时，一条指令的执行时间仅为125ns，这种AVR单片机的结构有利于用C语言编程，从而能高效地开发出目标产品。为了对目标代码大小进行优化，AVR单片机采用了大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。通过在一个时钟周期内执行一条指令，Atmega163可以取得接近1MIPS／MHz的性能。
      它将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，使所有的工作寄存器都和ALU（ArithmeticLogic Unit，计算机CPU中的算术逻辑单元）直接相连，允许在1个时钟周期内执行的单条指令同时访问2个独立的寄存器。Atmega163具有16K字节的Flash存储器，512字节在线可编程E2PROM，1024字节SRAM，外围有全双工UART串行通讯接口。此外，它还有2个具有比较模式的可预分频的8位定时器／计数器，1个可预分频，具有比较、捕捉功能的16位定时器／计数器。
　　
      Atmega163单片机提供了一个性能良好的10位模数转换器。如图1所示，A口为8路模拟信号输入端，如果AD功能禁止，则A口是一个8位双向I／O口。8路人体生理信号如心电、心音、颈动脉、脉搏、体温等，经过放大、滤波、去噪处理后，分别与A口的8个引脚相连。微处理器采集数据时，通过控制ADMUX寄存器进行通道路号选择，读取的数据由CPU作进一步处理。
      2．2　基于RS-232的串行通讯接口电路
　　
      如图2所示，与上位PC机连接的J1应用了RS－232的5条信号线，其中，TX为PC机的发送信号线，RX为接收信号线，CGND为地线。而RTS和DTR不产生信号，仅在初始化时产生高低电平，RTS设为＋12V，DTR设为－12V。三极管Q1的作用是使信号反相，并输出RS－232电平。
　　
      电气的安全性，是医学测量仪必须考虑的问题。传统的医学测量仪一般采用隔离放大器，对模拟信号进行隔离，这种隔离技术的不足之处是：
      （1）必须为不同的模拟信号采用不同的隔离技术；
      （2）采用这种隔离措施会在信号线性度、共模抑制以及频率响应等方面引起问题，通常使电路稳定性变差，代价较高，且使电路变得更为复杂。而选用数字信号隔离技术，则可以克服上述缺陷。　　

       光电隔离器6N137是把发光二极管与光敏管组合封装在一起的器件（见图2中方框内）。由于两个部分之间是电气隔离的，光电隔离器件能圆满解决信号隔离与电平匹配的问题。通过这一隔离电路，可使PC机系统电源和测量仪器部分的电源完全隔离开来，从而保证医学仪器的安全性，防止电击危险，减小患者漏电流，同时也减少了计算机对检测电路的干扰。
       3　软件设计
　　
      软件流程图如图3所示。软件部分采用模块化、结构化程序设计方法，利用汇编语言编写，有关模块功能如下。
      3．1　初始化
       设置SP初值，把程序用到的内部RAM区清0，给数据采集通道计数器赋初值（8），设置波特率（115 200）。
       3．2　数据采集与A／D转换
　　
      按预先确定的采样顺序对各路信号进行采样，由于A／D转换需要一定的时间，所以，延时等待的时间应略大于转换完成时间。前一路转换完成后，应立即启动下一路开始转换。由于模拟信号经A／D转换后，成为10位数字信号，所以，我们用2个字节来存储该数据，高字节存储高8位数据，低字节高位存储最低的两位数据，后6位补0。同时，把采样通路号加在最低3位字节上，以便与上位PC机通讯时，上位机能及时准确地判断该数据来自哪一通道，从而方便地对各路数据作相应处理。最后把转换完成的数据，按先后顺序依次存储在内RAM里。


      3．3　数据的发送
　　
      利用R0间接寻址的方式，把RAM里的数据取出，按115 200 bps的波特率逐个字节向PC机发送，发送完8通道共16个字节后，进行下一轮的采样。
      3．4　上位PC机接收数据程序
　　
      上位机通信程序由两部分组成：初始化子程序，中断数据接收子程序。

       4　结束语
      由上面提供的硬件电路和软件，制作成串行通信接口电路，能可靠、稳定地工作，实现多路信号的采集、转换和数据无差错传输，同时，能够满足医学仪器安全性的要求，为临床人体生理信号测量，及病理诊断提供帮助。
      参考文献
       1　叶勇建主编．AVR高速嵌入式单片机原理与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2000
       2　吴效明，李　斌，崔文生，等．多道生理参数检测与分析软件系统研究．暨南大学学报，2000，21（1）
      3　孙红军，孙秀云，周学铁．用C语言设计高速三线串行通信程序．电子技术应用，1997（6）
     4　杨福生．论生物医学信号处理研究的学科发展战略——生物医学工程的今天与明天．第1版．天津：天津科技翻译出版公司，1998：465～483

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