生物醫學(xué)電子實(shí)驗體系研究論文

　　１實(shí)驗內容及方案的設計

　　本實(shí)驗系統采用相應的傳感器對人體心電、脈搏、呼吸等醫學(xué)信號進(jìn)行采集，采集的信號經(jīng)放大濾波、信號調理后，通過(guò)ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機處理，利用一定的通信協(xié)議發(fā)送到上位機，由上位機實(shí)現信號的顯示。

　�。保�１傳感器

　　考慮到現階段對人體心電、脈搏、呼吸信號進(jìn)行采集的各種傳感器的種類(lèi)繁多［７］，結合實(shí)際的實(shí)驗條件及可操作性，心電信號采用最為常用的心電夾進(jìn)行采集，脈搏信號采用透射式光電脈搏傳感器采集，呼吸信號采用熱敏電阻式傳感器采集。在傳感器選型的過(guò)程中可以對生物醫學(xué)相關(guān)的傳感器知識進(jìn)行擴展，如介紹各種傳感器的原理、種類(lèi)、用途等，豐富學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識以及對傳感器的認識。

　�。保�２信號放大濾波電路

　　傳感器的輸出信號一般幅值較小，需要經(jīng)過(guò)相應的放大濾波電路［８］。在實(shí)驗中，心電、脈搏、呼吸等信號頻率不同，而且相應傳感器輸出的幅值也不同，因此放大濾波電路的參數指標也要求不同，如放大倍數、濾波帶寬、截止頻率等。對學(xué)生而言，在實(shí)驗中設計３個(gè)不同參數的放大濾波電路需要花費大量時(shí)間，考慮到有限的實(shí)驗學(xué)時(shí)數，我們采用現有的放大倍數可調、濾波參數可調的專(zhuān)用集成模塊來(lái)完成相關(guān)信號的放大濾波處理。該模塊主要側重培養學(xué)生電路調試及信號測試能力。

　�。保�３信號調理電路

　　在實(shí)驗過(guò)程中會(huì )遇到放大濾波后的信號電壓與單片機集成的Ａ／Ｄ轉換器要求的轉換電壓不匹配的問(wèn)題［９－１０］，需要對放大濾波后的醫學(xué)信號進(jìn)行信號調理，使其符合Ａ／Ｄ轉換器轉換電壓的要求。信號調理電路是模擬電子技術(shù)的一個(gè)重要的知識點(diǎn)，通用的信號調理電路較多，如采用電阻分壓及電壓跟隨器組合進(jìn)行信號調理［１１－１２］。具體實(shí)驗中，我們選用由ＯＰ０７與ＩＮＡ１１４組成的電路來(lái)完成信號調理，如圖２所示。圖２中的ＩＮ＋和ＩＮ－表示經(jīng)過(guò)放大濾波后傳感器信號正端和負端，ＯＵＴ１輸入到ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機集成的Ａ／Ｄ轉換器進(jìn)行轉換。通過(guò)調節Ｒ２的阻值來(lái)改變ＩＮＡ１１４第５腳ＲＥＦ的電壓值，隨著(zhù)ＲＥＦ電壓的變化，ＯＵＴ１輸出勢必會(huì )有一個(gè)電壓的抬升，來(lái)滿(mǎn)足Ａ／Ｄ轉換器輸入的要求。同時(shí)，要充分考慮上一級專(zhuān)用放大模塊的放大倍數，放大倍數過(guò)大，信號調理就失去了作用，放大倍數過(guò)小，則不能充分發(fā)揮Ａ／Ｄ轉換分辨率的優(yōu)勢。例如：經(jīng)放大濾波后的心電信號幅值范圍為－１．５～＋１．５Ｖ，在理想狀態(tài)下，調節ＲＥＦ電壓為１．５Ｖ時(shí)，ＯＵＴ１輸出范圍為０～＋３Ｖ滿(mǎn)足ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機Ａ／Ｄ轉換輸入的要求。

　�。保�４ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機處理電路

　　結合實(shí)驗條件及學(xué)生所學(xué)的單片機類(lèi)型，實(shí)驗中，選用ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１設計單片機處理電路。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ推出的一款１６位的自帶ＤＳＰ引擎的單片機，內部集成了１０位高速Ａ／Ｄ轉換器、ＵＡＲＴ模塊、３０個(gè)中斷源及７個(gè)中斷優(yōu)先級設計模塊、Ｉ／Ｏ復用等功能［１３］。１．４．１單片機硬件電路設計實(shí)驗中完成單片機硬件電路設計、焊接調試需要花費大量的時(shí)間，為此學(xué)生可在現有的開(kāi)發(fā)裝置上利用跳線(xiàn)的方式完成硬件電路設計。圖３為本實(shí)驗系統所用的單片機硬件電路，ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３分別連接心電、脈搏、呼吸信號，經(jīng)過(guò)放大濾波模塊、信號調理模塊處理后的信號。單片機利用ＵＡＲＴ模塊經(jīng)串口電壓轉換芯片ＭＡＸ３２３２與上位機進(jìn)行命令的解析及數據的傳輸。１．４．２單片機軟件程序設計ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機軟件設計在Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ為其所有的開(kāi)發(fā)工具研發(fā)的ＭＰＬＡＢ集成環(huán)境中完成［１３］。實(shí)驗中，學(xué)生設計的單片機軟件應實(shí)現以下功能：?jiǎn)纹瑱C通過(guò)通信協(xié)議接收上位機傳輸的數據，同時(shí)對傳輸的數據進(jìn)行命令解析，當解析到開(kāi)始進(jìn)行數據采集命令后，啟動(dòng)Ａ／Ｄ轉換子程序；Ａ／Ｄ轉換子程序中，依次對心電、脈搏、呼吸信號進(jìn)行Ａ／Ｄ通道選擇、采集、標志并存儲到相應的通道緩存區中，例如在對心電信號采集時(shí)，通道緩存區中的１６位數標志為“０００００１”（通道數）＋１０位Ａ／Ｄ轉換后的有效數據。在Ａ／Ｄ轉換完成且轉換后的數據填滿(mǎn)相應的通道緩存區后，單片機根據數據傳輸協(xié)議將３個(gè)通道緩存區中數據依次發(fā)送到上位機，上位機在接收完成數據后同時(shí)發(fā)送下次采集命令或停止命令。單片機軟件實(shí)現的功能是唯一的，但實(shí)現的編程思想是靈活多樣的，如軟件設計采用中斷嵌套或采用優(yōu)先級由高到低或采用查詢(xún)等待，每種軟件編程思想都能實(shí)現系統要求的同一功能。這樣設計實(shí)驗，有利于挖掘學(xué)生軟件編程潛力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習和創(chuàng )新能力。以下采用中斷優(yōu)先級由高到低編程思想為例作具體說(shuō)明。系統的軟件設計主要由：主程序、Ａ／Ｄ轉換子程序、串口通信等程序構成。（１）主程序。整個(gè)系統的運行需要對單片機一些資源進(jìn)行初始化，如Ｉ／Ｏ初始化、系統時(shí)鐘選擇初始化、中斷優(yōu)先級初始化等。初始化中，串口通信中斷、Ａ／Ｄ轉換中斷、ＣＰＵ內部中斷三者中斷優(yōu)先級由高到低。主程序控制流程如圖４所示。（２）Ａ／Ｄ轉換子程序。實(shí)驗設計中要求對心電、脈搏、呼吸３種信號完成數據采集，考慮到３種信號的頻率（分別為０．０５～１００Ｈｚ、０．３～３．３３Ｈｚ、０．３～１０Ｈｚ）相對較低，可采用適當的Ａ／Ｄ數據采樣率。本例Ａ／Ｄ數據采樣率為７５ｋＳ／ｓ，采樣方式為三通道逐次采樣，即每個(gè)通道理論采樣為２５ｋＳ／ｓ。每個(gè)通道Ａ／Ｄ轉換后數據緩存區設為１６個(gè)字長(cháng)，每個(gè)通道填滿(mǎn)相應的數據緩存區視為１次采集的結束。圖５所示為Ａ／Ｄ轉換流程圖。（３）串口通信子程序。為了讓單片機及時(shí)地接收到上位機發(fā)送的指令，以及將Ａ／Ｄ轉換后的數據有效地上傳上位機，本實(shí)驗系統中上位機與單片機采用全雙工異步串口通信，程序命令接收、數據發(fā)送流程如圖本例中指令作為控制系統有效運行的唯一識別條件，同時(shí)緩存區數據能否及時(shí)上傳將影響Ａ／Ｄ采樣率及整個(gè)系統的協(xié)調運行，因此將串口通信的中斷優(yōu)先級設置為最高級，通過(guò)串口中斷來(lái)完成命令解析及采集數據的上傳。

　　２實(shí)驗系統測試結果及擴展

　　本實(shí)驗系統要求采集的心電、脈搏、呼吸３種信號在上位機顯示，為此需設計相應的上位機軟件來(lái)配合單片機實(shí)現數據的接收顯示、命令的傳輸等功能。學(xué)生需要對計算機編程語(yǔ)言有深刻的理解才能完成上位機軟件編程�？紤]到學(xué)生掌握程度的差異，在實(shí)驗中，一般提供具有通行協(xié)議的現成軟件來(lái)配合完成，學(xué)生只需按照提供的通行協(xié)議來(lái)完成單片機串口通信編程便可實(shí)現上位機與單片機的數據交互。本實(shí)驗系統經(jīng)過(guò)適當的變換和擴展還可以用于其他課程設計或實(shí)驗中。本實(shí)驗是在固定采集頻率下對３種信號進(jìn)行采集的，在具體實(shí)驗中可擴展為通過(guò)上位機發(fā)送命令的方式改變數據采集頻率，達到可調采樣頻率的目的。

　　３結束語(yǔ)

　　本實(shí)驗系統將生物醫學(xué)傳感器技術(shù)、基礎電子、單片機技術(shù)、計算機技術(shù)等相關(guān)的知識綜合起來(lái)，通過(guò)循序漸進(jìn)的模塊設計，使學(xué)生對生物醫學(xué)電子相關(guān)專(zhuān)業(yè)理論知識及工作原理有清晰和較完整的認識，對一般專(zhuān)業(yè)儀器的研制開(kāi)發(fā)過(guò)程有系統的了解和掌握。本實(shí)驗系統有助于激發(fā)學(xué)生的潛能及學(xué)習興趣，增強他們的自信心和成就感，使學(xué)生的實(shí)踐能力得到提高，學(xué)生的綜合能力在實(shí)驗完成的過(guò)程中得到了很好的鍛煉。本實(shí)驗系統支撐的實(shí)驗一般安排于大三下學(xué)期及以后，學(xué)時(shí)數一般為１２～２０學(xué)時(shí)。

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