生物醫(yī)學(xué)電子實(shí)驗(yàn)體系研究

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1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用相應(yīng)的傳感器對人體心電、脈搏、呼吸等醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行采集，采集的信號(hào)經(jīng)放大濾波、信號(hào)調(diào)理后，通過dsPIC30F4011單片機(jī)處理，利用一定的通信協(xié)議發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的顯示。

1．1傳感器

考慮到現(xiàn)階段對人體心電、脈搏、呼吸信號(hào)進(jìn)行采集的各種傳感器的種類繁多［7］，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件及可操作性，心電信號(hào)采用最為常用的心電夾進(jìn)行采集，脈搏信號(hào)采用透射式光電脈搏傳感器采集，呼吸信號(hào)采用熱敏電阻式傳感器采集。在傳感器選型的過程中可以對生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的傳感器知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，如介紹各種傳感器的原理、種類、用途等，豐富學(xué)生的專業(yè)知識(shí)以及對傳感器的認(rèn)識(shí)。

1．2信號(hào)放大濾波電路

傳感器的輸出信號(hào)一般幅值較小，需要經(jīng)過相應(yīng)的放大濾波電路［8］。在實(shí)驗(yàn)中，心電、脈搏、呼吸等信號(hào)頻率不同，而且相應(yīng)傳感器輸出的幅值也不同，因此放大濾波電路的參數(shù)指標(biāo)也要求不同，如放大倍數(shù)、濾波帶寬、截止頻率等。對學(xué)生而言，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)3個(gè)不同參數(shù)的放大濾波電路需要花費(fèi)大量時(shí)間，考慮到有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，我們采用現(xiàn)有的放大倍數(shù)可調(diào)、濾波參數(shù)可調(diào)的專用集成模塊來完成相關(guān)信號(hào)的放大濾波處理。該模塊主要側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生電路調(diào)試及信號(hào)測試能力。

1．3信號(hào)調(diào)理電路

在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)遇到放大濾波后的信號(hào)電壓與單片機(jī)集成的A／D轉(zhuǎn)換器要求的轉(zhuǎn)換電壓不匹配的問題［9－10］，需要對放大濾波后的醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，使其符合A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電壓的要求。信號(hào)調(diào)理電路是模擬電子技術(shù)的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，通用的信號(hào)調(diào)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(hào)調(diào)理［11－12］。具體實(shí)驗(yàn)中，我們選用由OP07與INA114組成的電路來完成信號(hào)調(diào)理，如圖2所示。圖2中的IN＋和IN－表示經(jīng)過放大濾波后傳感器信號(hào)正端和負(fù)端，OUT1輸入到dsPIC30F4011單片機(jī)集成的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過調(diào)節(jié)R2的阻值來改變INA114第5腳REF的電壓值，隨著REF電壓的變化，OUT1輸出勢必會(huì)有一個(gè)電壓的抬升，來滿足A／D轉(zhuǎn)換器輸入的要求。同時(shí)，要充分考慮上一級專用放大模塊的放大倍數(shù)，放大倍數(shù)過大，信號(hào)調(diào)理就失去了作用，放大倍數(shù)過小，則不能充分發(fā)揮A／D轉(zhuǎn)換分辨率的優(yōu)勢。例如：經(jīng)放大濾波后的心電信號(hào)幅值范圍為－1．5～＋1．5V，在理想狀態(tài)下，調(diào)節(jié)REF電壓為1．5V時(shí)，OUT1輸出范圍為0～＋3V滿足dsPIC30F4011單片機(jī)A／D轉(zhuǎn)換輸入的要求。

1．4dsPIC30F4011單片機(jī)處理電路

結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件及學(xué)生所學(xué)的單片機(jī)類型，實(shí)驗(yàn)中，選用dsPIC30F4011設(shè)計(jì)單片機(jī)處理電路。dsPIC30F4011是Microchip推出的一款16位的自帶DSP引擎的單片機(jī)，內(nèi)部集成了10位高速A／D轉(zhuǎn)換器、UART模塊、30個(gè)中斷源及7個(gè)中斷優(yōu)先級設(shè)計(jì)模塊、I／O復(fù)用等功能［13］。1．4．1單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完成單片機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)、焊接調(diào)試需要花費(fèi)大量的時(shí)間，為此學(xué)生可在現(xiàn)有的開發(fā)裝置上利用跳線的方式完成硬件電路設(shè)計(jì)。圖3為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的單片機(jī)硬件電路，IN1、IN2、IN3分別連接心電、脈搏、呼吸信號(hào)，經(jīng)過放大濾波模塊、信號(hào)調(diào)理模塊處理后的信號(hào)。單片機(jī)利用UART模塊經(jīng)串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與上位機(jī)進(jìn)行命令的解析及數(shù)據(jù)的傳輸。1．4．2單片機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)dsPIC30F4011單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)在Microchip為其所有的開發(fā)工具研發(fā)的MPLAB集成環(huán)境中完成［13］。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生設(shè)計(jì)的單片機(jī)軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能：單片機(jī)通過通信協(xié)議接收上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時(shí)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行命令解析，當(dāng)解析到開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集命令后，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換子程序；A／D轉(zhuǎn)換子程序中，依次對心電、脈搏、呼吸信號(hào)進(jìn)行A／D通道選擇、采集、標(biāo)志并存儲(chǔ)到相應(yīng)的通道緩存區(qū)中，例如在對心電信號(hào)采集時(shí)，通道緩存區(qū)中的16位數(shù)標(biāo)志為“000001”（通道數(shù)）＋10位A／D轉(zhuǎn)換后的有效數(shù)據(jù)。在A／D轉(zhuǎn)換完成且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)填滿相應(yīng)的通道緩存區(qū)后，單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將3個(gè)通道緩存區(qū)中數(shù)據(jù)依次發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)在接收完成數(shù)據(jù)后同時(shí)發(fā)送下次采集命令或停止命令。單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的功能是唯一的，但實(shí)現(xiàn)的編程思想是靈活多樣的，如軟件設(shè)計(jì)采用中斷嵌套或采用優(yōu)先級由高到低或采用查詢等待，每種軟件編程思想都能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的同一功能。這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，有利于挖掘?qū)W生軟件編程潛力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)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明。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由：主程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、串口通信等程序構(gòu)成。（1）主程序。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行需要對單片機(jī)一些資源進(jìn)行初始化，如I／O初始化、系統(tǒng)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(zhuǎn)換中斷、CPU內(nèi)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(zhuǎn)換子程序。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要求對心電、脈搏、呼吸3種信號(hào)完成數(shù)據(jù)采集，考慮到3種信號(hào)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(dāng)?shù)腁／D數(shù)據(jù)采樣率。本例A／D數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)緩存區(qū)設(shè)為16個(gè)字長，每個(gè)通道填滿相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)視為1次采集的結(jié)束。圖5所示為A／D轉(zhuǎn)換流程圖。（3）串口通信子程序。為了讓單片機(jī)及時(shí)地接收到上位機(jī)發(fā)送的指令，以及將A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)有效地上傳上位機(jī)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中上位機(jī)與單片機(jī)采用全雙工異步串口通信，程序命令接收、數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖本例中指令作為控制系統(tǒng)有效運(yùn)行的唯一識(shí)別條件，同時(shí)緩存區(qū)數(shù)據(jù)能否及時(shí)上傳將影響A／D采樣率及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，因此將串口通信的中斷優(yōu)先級設(shè)置為最高級，通過串口中斷來完成命令解析及采集數(shù)據(jù)的上傳。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試結(jié)果及擴(kuò)展

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求采集的心電、脈搏、呼吸3種信號(hào)在上位機(jī)顯示，為此需設(shè)計(jì)相應(yīng)的上位機(jī)軟件來配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收顯示、命令的傳輸?shù)裙δ堋W(xué)生需要對計(jì)算機(jī)編程語言有深刻的理解才能完成上位機(jī)軟件編程。考慮到學(xué)生掌握程度的差異，在實(shí)驗(yàn)中，一般提供具有通行協(xié)議的現(xiàn)成軟件來配合完成，學(xué)生只需按照提供的通行協(xié)議來完成單片機(jī)串口通信編程便可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交互。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q和擴(kuò)展還可以用于其他課程設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)中。本實(shí)驗(yàn)是在固定采集頻率下對3種信號(hào)進(jìn)行采集的，在具體實(shí)驗(yàn)中可擴(kuò)展為通過上位機(jī)發(fā)送命令的方式改變數(shù)據(jù)采集頻率，達(dá)到可調(diào)采樣頻率的目的。

3結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將生物醫(yī)學(xué)傳感器技術(shù)、基礎(chǔ)電子、單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)的知識(shí)綜合起來，通過循序漸進(jìn)的模塊設(shè)計(jì)，使學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)電子相關(guān)專業(yè)理論知識(shí)及工作原理有清晰和較完整的認(rèn)識(shí)，對一般專業(yè)儀器的研制開發(fā)過程有系統(tǒng)的了解和掌握。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于激發(fā)學(xué)生的潛能及學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)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(yàn)完成的過程中得到了很好的鍛煉。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支撐的實(shí)驗(yàn)一般安排于大三下學(xué)期及以后，學(xué)時(shí)數(shù)一般為12～20學(xué)時(shí)。

作者：趙曉明 工作單位：重慶大學(xué)生物工程學(xué)院現(xiàn)代生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心