单片机在医学信号检测仪中的应用

单片机在医学信号检测仪中的应用

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。

    本文可能所用到的IC型号： QF20AA60 MIG100J201H AD846BN NMP70085 BA6302 MG25Q1BS11 SN74ALS139NS MC33363P ADCOM7AA BT812KPF27