基于單片機控制多普勒血流計系統的設計和實(shí)現

多普勒血流計的出現標志著(zhù)在微血管灌流方面取得重大進(jìn)步。本設計采取雙通道裝置拾取多普勒信號，有效地抑制噪聲信號，采用單片機來(lái)對信號進(jìn)行控制及處理，既簡(jiǎn)化了電路，又有助于信號的處理及讀取。運用12位的AD574A不但提高了信號精度，利用其雙極性，也省去了以往信號處理中復雜的乘方、開(kāi)方電路或絕對值電路。通過(guò)四位LED顯示，直觀(guān)、準確地讀取血細胞灌流量的瞬時(shí)相對定量值，可精確到小數點(diǎn)后兩位。并同時(shí)配有揚聲器來(lái)形象表示信號的強弱和變化。還可通過(guò)繪圖儀，對信號進(jìn)行長(cháng)時(shí)間檢測、記錄，以便研究和分析。

1 系統總體方案

系統組成框圖如圖1所示。系統工作時(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(guò)該區域的血細胞會(huì )反射回部分光線(xiàn)，造成光線(xiàn)的多普勒移動(dòng)，移動(dòng)的強度和頻率與穿過(guò)該區域的血細胞數量和速度有關(guān)，與其方向無(wú)關(guān)(灌流量定義為：血細胞灌流量=測量區域的血細胞量×細胞的平均速度)。部分反射回來(lái)的光由雙路激光探頭拾取，經(jīng)光電轉換器將光信號轉換為反映血細胞灌流量大小的電信號。該電信號經(jīng)一系列電學(xué)及數據處理后，利用51單片機控制數碼管顯示血流灌流量相對量的大小，驅動(dòng)繪圖儀描記灌流量，控制揚聲器發(fā)出反映灌流量大小的聲音。

2．硬件技術(shù)方案

2．1 信號處理電路的設計

信號處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當探頭放置在組織上時(shí)，被照射到的直徑約1mm的半球區中運動(dòng)的血紅細胞將使光被重復的反射、折射，這些被反射、折射的復合光因血紅細胞的移動(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)入兩根對稱(chēng)的接收光導纖維。通過(guò)這兩根對稱(chēng)饋送光纖傳送給兩個(gè)光電三極管進(jìn)行光電轉換，就可以把可知頻率的多普勒信號展寬并檢測出來(lái)。再經(jīng)過(guò)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是差模信號，所以經(jīng)過(guò)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)信號處理單元進(jìn)一步濾波、放大、補償平滑后即可提取出正比于血細胞灌流量的電壓信號。信號處理電路具體框圖見(jiàn)圖1的A／D轉換前面部分。

5G28是單片機相容輸入阻抗集成運放，具有高輸入阻抗及高轉換速度的特點(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是單片機單增益運算放大器，它不需要外圍頻率補償，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)間常數和增益的改變，采用4066由單片機控制。

由于傳感器經(jīng)光敏三極管轉換的信號比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調電流，高共模抑制比特點(diǎn)，其增益可在O．1～1000之間調整，各種增益參數已進(jìn)行了內部補償，具有輸入輸出保護功能，有較強的過(guò)載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過(guò)調節外界電阻改變增益。

2．2 單片機控制電路部分硬件的設計

綜合考慮系統的實(shí)際功能和要求，本系統選用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在系統可編程 Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

根據設計指標的精度要求，采用12位逐次逼近型快速AD574A轉換器，其轉換精度≤0．05％，可滿(mǎn)足0．5％的設計精度要求。其轉換速度最大為 35us，因為血細胞流量速度約為0．1ms，所以信號變換緩慢，并加有積分器，無(wú)須再加其它采樣保持器。根據采樣原理，每個(gè)信號周期采樣十次即可，這里采用中速轉換器就能滿(mǎn)足要求。綜合考慮速度、精度及性能價(jià)格比，A／D轉換器采用AD574A，實(shí)現由模擬量到數字量的轉換，以便于采用微機去控制顯示、驅動(dòng)打印。

D／A轉換器，采用DAC0832。在本系統中DAC0832構成程控增益放大器，通過(guò)改變數字量來(lái)改變模擬量的輸出，實(shí)現對揚聲器聲音的多級控制。

由于系統中擴展了繪圖儀進(jìn)行長(cháng)時(shí)間監測，而繪圖儀的打印速度與需打印的數據的輸出速度不匹配。因此，采用RAM6264來(lái)儲存這些數據。

采用74LS164作為鍵盤(pán)的串行接口，利用各個(gè)鍵的不同功能實(shí)現對儀器的總體控制，使操作一目了然。

顯示控制驅動(dòng)接口電路使用MC14499，該芯片為20位移位寄存器。實(shí)現控制信號輸出并實(shí)現電平轉換，保證有足夠的信號驅動(dòng)能力。使用MC14499對數碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，使用硬件少、占用CPU時(shí)間短、電路簡(jiǎn)單、耗電少。

PP40繪圖儀，用于繪制循環(huán)的相對灌流量曲線(xiàn)，采用74LS373作為數據緩沖寄存器，解決打印與微機的不同步。

為了便于觀(guān)察信號變化，對信號采用不同時(shí)間常數的積分以及不同的增益。為了切換這些不同的積分增益，該系統中采用了雙四路模擬開(kāi)關(guān)4066，并外接74LS373鎖存輸入數據。不同的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，接通不同的電阻，形成不同的積分常數和增益倍數。

3 軟件設計

根據系統功能和硬件實(shí)際情況，軟件要實(shí)現控制數據采集及對采集量進(jìn)行A／D轉換、數字濾波、鍵盤(pán)掃描和處理、控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行積分時(shí)間和增益的選擇、打印控制、音量控制和數據顯示控制等。軟件采用模塊化設計思路，從整體到局部，從上到下進(jìn)行設計。主程序流程圖如圖3．1所示。

4 結束語(yǔ)

采用多普勒現象測定組織微區血流灌流量在基礎研究和臨床應用中具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文給出了采用單片機控制，利用多普勒現象測定組織微區血流灌流量的方法。該系統通過(guò)測定組織微區血流灌流量，衡量微循環(huán)狀態(tài)，判斷肌體生理功能變化，為外科手術(shù)提供了方便，對內科、醫理學(xué)、麻醉學(xué)、骨科、兒科都有一定幫助。