基于單片機的醫學(xué)信號檢測儀的設計應用

1　引　言

傳統的檢測儀器大多由硬件電路來(lái)完成，不僅功能單一，而且開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，不易維護。隨著(zhù)微電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，醫學(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。

現代數字部件的快速發(fā)展為醫學(xué)檢測儀提供了強有力的支持，醫學(xué)檢測儀器都無(wú)一例外地采用了微處理器來(lái)增強其功能。廣泛地應用微處理器芯片能增強儀器的智能化程度，提高其穩定性和數據處理的精確性，使醫學(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(diǎn)。

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)結構，在設計上采用了流水線(xiàn)的結構，在執行前一條指令的時(shí)候，同時(shí)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，利用結構化、模塊化程序設計的思想，實(shí)時(shí)地對8路人體生理信號進(jìn)行采樣，對數據實(shí)行壓縮和優(yōu)化處理，以115 200 bps的速率和上位PC機進(jìn)行串行數據傳輸。

2　硬件構成

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A(yíng)VRRISC的低功耗CMOS8位單片機。在外部晶振為8MHz時(shí)，一條指令的執行時(shí)間僅為125ns，這種AVR單片機的結構有利于用C語(yǔ)言編程，從而能高效地開(kāi)發(fā)出目標產(chǎn)品。為了對目標代碼大小進(jìn)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(guò)在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行一條指令，Atmega163可以取得接近1MIPS/MHz的性能。

它將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起，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(gè)時(shí)鐘周期內執行的單條指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)2個(gè)獨立的寄存器。Atmega163具有16K字節的Flash存儲器，512字節在線(xiàn)可編程E2PROM，1024字節SRAM，外圍有全雙工UART串行通訊接口。此外，它還有2個(gè)具有比較模式的可預分頻的8位定時(shí)器/計數器，1個(gè)可預分頻，具有比較、捕捉功能的16位定時(shí)器/計數器。

Atmega163單片機提供了一個(gè)性能良好的10位模數轉換器。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(gè)8位雙向I/O口。8路人體生理信號如心電、心音、頸動(dòng)脈、脈搏、體溫等，經(jīng)過(guò)放大、濾波、去噪處理后，分別與A口的8個(gè)引腳相連。微處理器采集數據時(shí)，通過(guò)控制ADMUX寄存器進(jìn)行通道路號選擇，讀取的數據由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機連接的J1應用了RS-232的5條信號線(xiàn)，其中，TX為PC機的發(fā)送信號線(xiàn)，RX為接收信號線(xiàn)，CGND為地線(xiàn)。而RTS和DTR不產(chǎn)生信號，僅在初始化時(shí)產(chǎn)生高低電平，RTS設為+12V，DTR設為-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，是醫學(xué)測量?jì)x必須考慮的問(wèn)題。傳統的醫學(xué)測量?jì)x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(huì )在信號線(xiàn)性度、共模抑制以及頻率響應等方面引起問(wèn)題，通常使電路穩定性變差，代價(jià)較高，且使電路變得更為復雜。而選用數字信號隔離技術(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(jiàn)圖2中方框內)。由于兩個(gè)部分之間是電氣隔離的，光電隔離器件能圓滿(mǎn)解決信號隔離與電平匹配的問(wèn)題。通過(guò)這一隔離電路，可使PC機系統電源和測量?jì)x器部分的電源完全隔離開(kāi)來(lái)，從而保證醫學(xué)儀器的安全性，防止電擊危險，減小患者漏電流，同時(shí)也減少了計算機對檢測電路的干擾。

3　軟件設計

軟件流程圖如圖3所示。軟件部分采用模塊化、結構化程序設計方法，利用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，有關(guān)模塊功能如下。

3.1　初始化

設置SP初值，把程序用到的內部RAM區清0，給數據采集通道計數器賦初值(8)，設置波特率(115 200)。

3.2　數據采集與A/D轉換

按預先確定的采樣順序對各路信號進(jìn)行采樣，由于A(yíng)/D轉換需要一定的時(shí)間，所以，延時(shí)等待的時(shí)間應略大于轉換完成時(shí)間。前一路轉換完成后，應立即啟動(dòng)下一路開(kāi)始轉換。由于模擬信號經(jīng)A/D轉換后，成為10位數字信號，所以，我們用2個(gè)字節來(lái)存儲該數據，高字節存儲高8位數據，低字節高位存儲最低的兩位數據，后6位補0。同時(shí)，把采樣通路號加在最低3位字節上，以便與上位PC機通訊時(shí)，上位機能及時(shí)準確地判斷該數據來(lái)自哪一通道，從而方便地對各路數據作相應處理。最后把轉換完成的數據，按先后順序依次存儲在內RAM里。

3.3　數據的發(fā)送

利用R0間接尋址的方式，把RAM里的數據取出，按115 200 bps的波特率逐個(gè)字節向PC機發(fā)送，發(fā)送完8通道共16個(gè)字節后，進(jìn)行下一輪的采樣。

3.4　上位PC機接收數據程序

上位機通信程序由兩部分組成：初始化子程序，中斷數據接收子程序。

4　結束語(yǔ)

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、穩定地工作，實(shí)現多路信號的采集、轉換和數據無(wú)差錯傳輸，同時(shí)，能夠滿(mǎn)足醫學(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。