单片机在医学信号检测仪中的应用

发布时间:2008/9/1 0:00:00 访问次数:368

　　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）。