李 靜

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中，壓力、溫度、流量及相對濕度等都是最基本的醫(yī)學(xué)信號，對這些信號的檢測與處理是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，只有把生物信息巧妙、如實(shí)地提取出來，才能進(jìn)行其他各種處理[1-3]。目前每種信號參數(shù)都有專門的儀器進(jìn)行測量，如溫度的測量常采用數(shù)字溫度計(jì)，壓力信號常采用數(shù)字壓力計(jì)或者壓力表進(jìn)行測量，流量的測量常采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。若對這些常用的醫(yī)學(xué)信號同時(shí)進(jìn)行檢測，則需要使用相應(yīng)的所有測試儀器，操作復(fù)雜，攜帶不便，數(shù)據(jù)處理困難，不具備現(xiàn)代醫(yī)療測試儀器便攜式、小型化和嵌入式等特點(diǎn)[4-6]。

基于上述原因，本研究結(jié)合醫(yī)療設(shè)備測試與計(jì)量的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出便攜式多參數(shù)檢測裝置，可用于測量多種信號參數(shù)。其中基本的參數(shù)包括差動(dòng)壓力、真空度和溫度，同時(shí)還包括對氣流、大氣氣體和濕度的測量，并且可用來測量嬰兒培養(yǎng)箱、環(huán)境和呼吸機(jī)的溫度和濕度等參數(shù)，以及其他需要測量的氣體流量、氣體壓力、相對濕度和溫度等技術(shù)參數(shù)的設(shè)備。

1 多參數(shù)檢測儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

圖1所示便攜式多參數(shù)檢測裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主要由傳感器及前放模塊、CPU模塊、液晶顯示模塊和串行通信模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)的具體工作過程是壓力、溫度、流量、大氣壓力和相對濕度等信號經(jīng)過傳感器檢測，前放電路放大及濾波后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行信號處理、存儲(chǔ)和顯示，并可以通過串行通信實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 傳感器及前放模塊

本系統(tǒng)被測試的信號主要包括差動(dòng)壓力、大氣壓力、氣體流量、溫度和相對濕度5種參數(shù)。

(1)傳感器：本系統(tǒng)所使用的5種傳感器見表1。

表1 5種傳感器性能指標(biāo)列表

IC-SENSER公司的HIT-1220壓力傳感器是通用的低功耗、固態(tài)性壓阻式壓力傳感器，其通過激光刻蝕的電阻實(shí)現(xiàn)了0～50 ℃的溫度補(bǔ)償，還配有一個(gè)激光刻蝕的電阻用于調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的增益來校正傳感器的壓力靈敏度的變化，從而在高電平輸出時(shí)具有良好的互換性。選擇量程范圍為-10～10 Psi，非線性為0.1%，響應(yīng)時(shí)間為1 ms；大氣壓力的測量選用摩托羅拉的NPX6115系列，內(nèi)置放大電路。量程為15～115 kPa，最大輸出電壓4.6 V，最大過載壓力400 kPa，靈敏度46 mV/kPa，響應(yīng)時(shí)間為1 ms；氣體流量信號的測量選用Honeywell公司的AWM42300氣流質(zhì)量傳感器。測量范圍：-1000～1000 ml/min，反應(yīng)時(shí)間為1 ms；溫度的測量選用美國Honeywell公司的HEL-774S(1000 Ω)，其采用薄膜鉑熱電阻，由亞微米或微米厚的鉑膜依附在基板上構(gòu)成，測溫范圍為-40～150 ℃，線性為0.1%，響應(yīng)時(shí)間為0.5 s；相對濕度的測量選用Honeywell公司的HIH-3610相對濕度傳感器，線性和重復(fù)性均為±0.5%，RH范圍在0%～100%。

(2)放大電路：系統(tǒng)中的放大電路分別對差壓、大氣壓力、溫度、濕度和流量信號進(jìn)行放大、調(diào)零、濾波等操作。壓力傳感器及流量傳感器輸出為毫伏級信號，需要設(shè)計(jì)前置放大電路，其運(yùn)算放大電路的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足高輸入阻抗，高共模抑制比和低噪聲性能等特點(diǎn)[7]。因此，設(shè)計(jì)中選用了低能耗、高共模抑制比的凌特公司的LT1496運(yùn)放組成放大器對差動(dòng)壓力、氣體流量信號進(jìn)行放大、濾波、調(diào)零等。溫度信號選用專門為RTD溫度傳感器設(shè)計(jì)的信號調(diào)理芯片ADT70來設(shè)計(jì)溫度傳感器的調(diào)理放大電路。為了避免引線電阻對溫度測量的影響，對HEL-776S型鉑電阻采用三線制的接線方式(如圖2所示)。

圖2 三線制接法

1.2 CPU模塊

本模塊選用AD公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)芯片ADuC848單片機(jī)作為此測控單元的微處理器。ADuC848是一個(gè)SOC系統(tǒng)，內(nèi)部具有與8051兼容的內(nèi)核，最大工作頻率為12.58 MHz，3個(gè)16位定時(shí)器和(或)計(jì)數(shù)器，32條可編程I/O口線，端口3具有高電流驅(qū)動(dòng)能力，9個(gè)中斷源，并有2個(gè)優(yōu)先級。芯片中集成有62 K字節(jié)閃速和(或)電擦除程序存儲(chǔ)器，4 K字節(jié)閃速和(或)電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)充電泵(不需要外部Vpp)；16 M字節(jié)外部數(shù)據(jù)地址空間，64 K字節(jié)外部程序地址空間。在電源方面，芯片可用3 V或5 V供電，并有正常、空閑和掉電3種工作方式。ADuC848正常工作電流≤4.8 mA。設(shè)置為掉電工作模式，則工作電流僅為20 uA。集成有：UART輸入和(或)輸出口，雙線(I2C兼容)和SPI串行I/O口，看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)控電路。數(shù)據(jù)采集模塊選擇ADuC848自帶的8通道、高精度、輸入緩沖、可編程增益、最大采樣率可達(dá)1.3 kHz的16位∑-△ADC[8-10]。

1.3 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)中液晶顯示壓力、流量、溫度、濕度和大氣壓5類參數(shù)，信息量比較大，因此選用清華蓬遠(yuǎn)的240×128點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊MGL(S)-240128E，內(nèi)帶SED1332控制器，功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)圖形與文本的混合編排，配有背光功能，保證了儀器的全天候工作。SED1332與ADuC848的接口框圖如圖3所示。

圖3 ADuC848與SED1332接口框圖

1.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器模塊

本檢測裝置的存儲(chǔ)器須具有非易失性，而且存儲(chǔ)器的容量要足夠的大。因此選用了ATMEL公司的AT29C256，他是一種閃爍存儲(chǔ)器，其容量為256 K字節(jié)，待機(jī)功耗與ROM相當(dāng)，同時(shí)又提供了字節(jié)寫入能力，接法與同容量的SRAM相似，可擦寫次數(shù)達(dá)10萬次以上。與ADuC848的接口如圖4所示。

圖4 MCU與AT29C256接口框圖

2 多參數(shù)檢測儀DuC848固件編程

整個(gè)單片機(jī)的軟件開發(fā)使用Keil C編程軟件完成，并通過U-PDC通用編程器完成程序下載，使用非常簡便、快捷。

ADuC848初始化后，系統(tǒng)等待用戶按鍵，讀到有按鍵后即進(jìn)入相應(yīng)的子程序，分別對差動(dòng)壓力、大氣壓力、氣體流量、溫度和相對濕度5種參數(shù)進(jìn)行處理。其程序的流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

3 多參數(shù)檢測儀測試參數(shù)誤差

便攜式多參數(shù)檢測儀研制完畢后，需要用標(biāo)準(zhǔn)器對其測量的參數(shù)進(jìn)行誤差測試。分別選用力學(xué)計(jì)量總站的數(shù)字壓力計(jì)、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及溫濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置對差動(dòng)壓力、流量、溫度和濕度4類參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。

表2 被測參數(shù)誤差

4 結(jié)語

便攜式多參數(shù)檢測儀體積小、測量精度高、攜帶方便，采用穩(wěn)壓電源供電，全中文界面，操作簡便，所有的功能均可通過240×128點(diǎn)陣圖形LCD顯示屏上的顯示進(jìn)行設(shè)置，所測量的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)與國外同類儀器相比毫不遜色，完全可替代國外同類儀器。他的研制成功為醫(yī)療以及工業(yè)設(shè)備提供了高精度、高性能、快捷方便的測試和計(jì)量手段。

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