醫(yī)用多道生理記錄儀數(shù)字化裝置研制

吉林大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，吉林 長春 130021

引言

我院機能學(xué)實驗室現(xiàn)有日本生產(chǎn)的多道生理記錄儀5臺，購于吉林大學(xué)合校之前，價值上百萬。此儀器主要用于生理、藥理和病理生理教學(xué)和科研實驗。但這種老式醫(yī)用多道生理記錄儀存在許多缺點，如記錄筆容易損壞，不能長期記錄；光敏記錄紙不能長期保存，記錄結(jié)果不便于分析和及時回放，只能記錄不能分析等，已不能滿足現(xiàn)代實驗教學(xué)需要[1]。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，既能記錄又能分析和儲存的實驗手段已成為一種發(fā)展趨勢。目前，采用多媒體計算機進行實驗教學(xué)成為新型教學(xué)模式的需要[2]。因此，本研究以MSP430F149單片機為控制中心，設(shè)計開發(fā)了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將RM-6000型醫(yī)用多道生理記錄儀改進為一種生物信號的顯示、處理、儲存和分析的數(shù)字化系統(tǒng)，并將計算機運用到醫(yī)學(xué)機能實驗教學(xué)中來，逐步改善傳統(tǒng)教學(xué)方式，同時也是開展機能實驗教學(xué)改革的一個重要方面[3]。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括電平轉(zhuǎn)換電路、中央控制電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示驅(qū)動電路、微機通信電路。

2.1 電平轉(zhuǎn)換電路

多道生理記錄儀輸出電壓范圍為正負十幾伏，而TI公司生產(chǎn)的MSP430系列單片機是一類具有超低功耗的16位單片機，其輸入電壓范圍是1.8～3.6 V，所以需要電平轉(zhuǎn)換電路和電平抬升電路。采用的放大器為OP07放大器，是一種高精度、低噪聲、非斬波、穩(wěn)零的雙極性單片運算放大器[4-5]。

2.2 中央控制電路

本研究采用低功耗MSP430149單片機系列為控制中心，整體用低電源電壓為1.8～3.6 V。MSP430F149單片機是一種高集成單片機，具有60 k閃存ROM，2 k RAM，6個端口，2個16位計算器，2路UART通信端口，5種省電模式，并具有端口和計數(shù)等多種中斷模式[6]；內(nèi)部集成有8通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，自帶采樣保持和2個串行通信接口，其最大采樣速率可以達到200 ksps[7-8]。利用單片機片內(nèi)功能實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換（將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號），使系統(tǒng)硬件電路簡單，從而可降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)的可靠性[9]。

2.3 鍵盤輸入電路和液晶顯示電路

（1）鍵盤輸入電路使用行列掃描的方法來實現(xiàn)鍵盤接口（圖2），使用MSP430單片機的I/O接口P2口的6條線來控制8個鍵盤。其中P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分別是鍵盤列線，P2.0和P2.1分別是鍵盤行線，在行線與列線的每一個交匯處有個鍵盤，由2行4列組成8個矩陣鍵盤。無按鍵時，行線輸出是高電平，列線初始化是低電平，讀列線數(shù)據(jù)為0；如果有按鍵按下，則讀列線數(shù)據(jù)為非0。由此可判斷是否有按鍵按下。

圖2 輸入鍵盤電路

（2）液晶顯示電路如圖3所示。使用MSP430單片機的I/O接口P4、P5口的11條線來控制1602液晶顯示屏的顯示，其中MSP430單片機的I/O接口P4.0～P4.7分別為數(shù)據(jù)總線與1602液晶顯示屏的數(shù)據(jù)線接口DB0～DB8相連接，MSP430單片機的I/O接口P5.0～P5.2分別為控制總線與1602液晶顯示屏的控制線使能信號E、起振/命令選擇RS和讀/寫選擇R/W相連接。MSP430F149的I/O接口電壓是+3.6 V輸出，1602液晶屏接口的電壓是+5 V驅(qū)動。使用SN74LS07芯片[10]進行MSP430單片機的I/O接口與1602液晶屏接口之間電平轉(zhuǎn)換。

圖3 液晶顯示電路

2.4 微機接口電路

微機接口電路如圖4所示。單片機MSP430F149與微型計算機的通信通過異步模塊（USART）來實現(xiàn)。使用MSP430單片機的I/O接口P3.6和P3.7作為MSP430F149的USART異步通信的接口。微型計算機COMX口（即標準RS-232口）[11]是USART異步通信的接口，微型計算機USART接口的界面是9針D型插頭（COMX）。MSP430F149的I/O接口電壓是+3.6 V輸出，微型計算機COMX口接口的電壓不是+3 V驅(qū)動，通過SP3220芯片來實現(xiàn)單片機MSP430F149的USART口與微型計算機的COMX進行連接（電平轉(zhuǎn)換）[12-13]。通過軟件對USART初始化，設(shè)置一系列寄存器后，包括USART控制寄存器、UXCTL、波特率控制寄存器，如UXBRU、UXBR1、UXMCTL波特率控制寄存器UXMCTL等。由MSP430F149單片機的USART模塊硬件自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進和移出，完成串行通訊的功能。

圖4 微機接口電路

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)的MSP430監(jiān)控軟件采用C語言編寫，微機顯示分析處理軟件采用VB語言編寫[14-15]。MSP430監(jiān)控軟件主要有內(nèi)容總控程序、硬件初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序及微機通訊程序的開發(fā)等。

3.1 總控程序軟件

MSP430監(jiān)控軟件總控程序流程圖如圖5所示。主控程序開始先對單片機硬件接口，其中包括輸入輸出口、定時器、A/D轉(zhuǎn)換等器件進行初始化設(shè)置，然后循環(huán)執(zhí)行鍵盤輸入程序，循環(huán)程序中等待鍵盤的輸入按鍵，根據(jù)按鍵判斷再轉(zhuǎn)到執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換、微機通信等不同功能的程序。

圖5 MSP430監(jiān)控軟件總控程序流程圖

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

A/D轉(zhuǎn)換程序采集數(shù)據(jù)是等間隔進行的。其實現(xiàn)方法是采用定時器中斷方式進行，設(shè)置定時中斷，在定時中斷服務(wù)程序中完成采集數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)等操作。為保證等間隔的采樣數(shù)據(jù)，軟件用C語言實現(xiàn)中斷服務(wù)程序的設(shè)計。

3.3 微機顯示分析處理軟件

VB采用的是面向?qū)ο篁?qū)動事件的方法。其可視化編程可分為設(shè)計界面、設(shè)置屬性和編寫代碼3個基本過程。在VB集成開發(fā)環(huán)境界面中，設(shè)計主界面窗體的所需各個對象（即往窗體中添加控件），包括菜單欄、工具欄、命令按鈕、文本框、圖片框等控件；再根據(jù)需要對所設(shè)計的控件選擇規(guī)定相應(yīng)的屬性；最后編寫控件的事件過程的程序代碼。

PC微機端采用Visual Basic6.0進行程序設(shè)計，其主要功能是對多道生物記錄數(shù)字化采集的數(shù)據(jù)進行實時顯示、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲。功能的實現(xiàn)：① 通過微型計算機與MSP430單片機之間的串口通訊程序，即通過Visual Basic的MSComm控件實現(xiàn)此功能[16]，通過串口通信程序?qū)SP430單片機控制采集的實時數(shù)字化數(shù)據(jù)傳入微型計算機內(nèi)存之中；② 在微型計算機中將采集的實時數(shù)字化數(shù)據(jù)顯示和存儲。實時數(shù)字化數(shù)據(jù)顯示是通過Visual Basic的圖片框控件實現(xiàn)此功能。在VB的圖片框控件中，建立圖形坐標系，水平方向（x軸）為橫坐標，橫坐標的值是表示等間隔的采集數(shù)據(jù)時間；垂直方向（y軸）為縱坐標，縱坐標的值代表顯示實時采集數(shù)據(jù)的電壓幅值，用函數(shù)Pset(x,y)及Line(x1,y1-x2,y2)在坐標系中顯示采集的數(shù)據(jù)。實時數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲是將內(nèi)存采集實時數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中，其目的是因為外部存儲器（磁盤存儲器）上的數(shù)據(jù)不會由于計算機斷電而丟失。在VB的文件基本操作中，通過打開文件Open語句及關(guān)閉文件Close語句實現(xiàn)實時數(shù)字化數(shù)據(jù)存儲。

4 多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測試及應(yīng)用

多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的生物信息包括血壓、呼吸和心電等，大多數(shù)的頻響范圍是在零到幾百赫茲，屬于低頻范圍?；诖耍覀冊O(shè)計數(shù)字化的采樣頻率應(yīng)從1～500 ms/s內(nèi)變化。在此采樣頻率范圍內(nèi)，根據(jù)夏濃定理，數(shù)字信號的采集不會使模擬信號失真，如此可保證多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性和可行性。

在系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計完成后，按照設(shè)計思路對系統(tǒng)進行綜合調(diào)試修改。完成總體調(diào)試后，我們對多道模擬記錄儀產(chǎn)生并輸出標壓信號進行采集，再對此數(shù)字化的信號進行測試驗證。驗證方法為對每一通道標壓信號源輸出直流信號1、5、10 mV，取6次采樣測試值的均值作為1次檢測結(jié)果并記錄，以反映采集系統(tǒng)的準確度。因8個通道的設(shè)計完全相同，在此僅以其中4個通道為例。測試系統(tǒng)實物如圖6所示，檢測結(jié)果如表1所示。

圖6 測試系統(tǒng)實物

表1 檢測結(jié)果（mV）

綜合檢測平均值和標準差結(jié)果分析可知，采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道、高準確度的數(shù)據(jù)采集。將本采集系統(tǒng)應(yīng)用于生理、藥理和病理生理機能學(xué)實驗中，對實驗動物的血壓、呼吸和心電等指標進行實時監(jiān)測、記錄、保存、分析、輸出與打印等，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的數(shù)字化，并驗證了該采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)語

通過我們研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)醫(yī)用多道生理記錄儀與微機系統(tǒng)連接，對醫(yī)用多道生理記錄儀進行了數(shù)據(jù)化的改進，克服了使用記錄紙記錄實驗數(shù)值的缺點，使老式儀器現(xiàn)代化，適應(yīng)于現(xiàn)代實驗室教學(xué)和科研的需要。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149單片機片內(nèi)集成有ADC12模塊，可以節(jié)省專用的A/D轉(zhuǎn)換芯片，不僅簡化了系統(tǒng)的硬件電路，而且使用靈活[17]；FLASH型MSP430系列單片機具有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，內(nèi)有JTAG接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，存儲容量大。將兩者結(jié)合在一起用來開發(fā)醫(yī)用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，結(jié)構(gòu)簡單，方便設(shè)計者使用。經(jīng)過改造后的裝置可以替代醫(yī)用多道生理記錄儀上的記錄儀和示波器，做到功能強化，一機多用，廣泛應(yīng)用生理、藥理和病理生理機能學(xué)實驗的生物信號采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳出、轉(zhuǎn)化與存儲。