呂良 梁詩(shī)弋 張栲考

重慶市婦幼保健院 信息科，重慶 400021

醫(yī)院的數(shù)據(jù)采集類設(shè)備采集力、溫度、濕度、生物電等數(shù)據(jù)[2]。目前，美國(guó)、德國(guó)和日本生產(chǎn)的該類設(shè)備技術(shù)先進(jìn)、分辨率高、性能可靠，在電路設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)流程中采用了先進(jìn)的工藝和方法，使用的元器件性能優(yōu)良，掌握開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集類設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)醫(yī)院數(shù)據(jù)采集類設(shè)備的整體質(zhì)量與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距[3]。

醫(yī)院數(shù)據(jù)采集類設(shè)備包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)[4]。硬件系統(tǒng)包括傳感器、數(shù)據(jù)保持電路、數(shù)據(jù)放大系統(tǒng)、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、微處理器、數(shù)據(jù)顯示、通信、鍵盤、電源電路等模塊；系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集、濾波、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤查詢與處理、數(shù)據(jù)通信等模塊[5]。像紅外、壓力、溫度、電極等傳感器輸出的信號(hào)是模擬電壓量，經(jīng)數(shù)據(jù)保持電路、儀表放大器，將電壓信號(hào)放大到AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓的有效范圍，經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)處理和變換后送顯示系統(tǒng)，顯示器和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

傳統(tǒng)的設(shè)備開(kāi)發(fā)工藝流程包括：1）市場(chǎng)需求調(diào)研；2）總體設(shè)計(jì)；3）樣機(jī)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)和調(diào)試電路、系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)）；4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、老化試驗(yàn)；5）定制新產(chǎn)品的工藝流程，按照樣機(jī)復(fù)制出新產(chǎn)品，進(jìn)行質(zhì)檢等。傳統(tǒng)的流程產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，過(guò)程3耗時(shí)最長(zhǎng)，是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)是調(diào)試儀表放大器和ADC的線性度、測(cè)量滿量程輸出時(shí)加載在傳感器IC0上負(fù)載值、測(cè)試IC0空載時(shí)ADC輸出的數(shù)字量、通過(guò)改變儀表放大器耦合電阻值和反饋電阻值改變儀表放大器的放大倍數(shù)、建立IC0測(cè)量的物理量和輸出模擬電壓量的函數(shù)關(guān)系、模擬電壓值和ADC輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量值之間的關(guān)系[6]。人工調(diào)試多批次產(chǎn)品參數(shù)的一致性差。本研究設(shè)計(jì)一種儀器取代人工，完成人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備的校驗(yàn)、調(diào)零等過(guò)程，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高質(zhì)量。

人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備調(diào)試儀應(yīng)具備的功能包括：1）在量程范圍內(nèi)，自動(dòng)檢測(cè)傳感器輸出有效電壓范圍，零點(diǎn)校驗(yàn)，自動(dòng)定標(biāo)；2）建立傳感器的輸入物理量和輸出模擬電壓之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[7]；3）自動(dòng)檢測(cè)儀表放大器電路的線性區(qū)間；4）自動(dòng)配置儀表放大器電路的電阻值，設(shè)置放大倍數(shù)[8]；5）建立儀表放大器輸出模擬電壓值與AD輸出數(shù)字量值之間的關(guān)系[9]。

1 調(diào)試儀的總體設(shè)計(jì)

調(diào)試儀分為電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)部分。

1.1 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。在圖1中有3個(gè)虛線框，分別標(biāo)定為IC1、IC2、IC3，是型號(hào)為X9241的數(shù)字電位器，每個(gè)芯片中有4個(gè)數(shù)字電位器POT0、POT1、POT2、POT3，IC2的POT0、POT1、POT2分別用R2、R1、R3表示，IC3中的POT0、POT1、POT2、POT3分別用R6、R4、R5、R7表示，H1、H2、H3分別表示IC1、IC2、IC3的控制和數(shù)據(jù)寄存器。圖1中的 K1-K8由型號(hào)為HD74HC4066的電子模擬開(kāi)關(guān)IC7、IC8芯片組成，IC7內(nèi)部由K1-K4組成，in1-in4、out1-out4、control1-control4分別是K1-K4的輸入端、輸出端、控制端；IC8內(nèi)部由K5-K8組成，in5-in8、out5-out8、control5-control8分別是K5-K8的輸入端、輸出端、控制端。將其中的IC1、IC2、IC3換成一般電阻，去掉IC7、IC8，正常連接IC0，A1、A2、A3、IC、IC5、鍵盤和顯示器就是醫(yī)院人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備的電路。

傳感器IC0的+S、-S分別接IC8的11、8腳；IC8的5、13、6、12腳分別接IC5的P4.3、P4.2、P4.1、P4.0腳，通過(guò)IC5選擇IC0的+S和-S腳之間或芯片IC1的6和18腳之間輸出的信號(hào)中的1路送LM324組成的儀表放大器。IC3與A3連接，兩級(jí)放大器A1、A2、A3組成儀表放大器[10]。IC4是型號(hào)為AD7712AN的AD，設(shè)置AD7712AN中控制寄存器G2G1G0=000，ADC增益為1。IC5是型號(hào)為STC15F2KS2的微處理器，控制IC4進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，IC4轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送IC5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果通過(guò)IC9送IC10顯示。IC6的型號(hào)是LM324，有4個(gè)運(yùn)算放大器A1、A2、A3、A4；IC2、A1、A2組成一級(jí)放大器。

運(yùn)算放大器線性校準(zhǔn)引腳ZC-1,ZC-2,ZC-3分別接IC5的P1.7、P1.6、P3.3，為有線性校正引腳的芯片預(yù)留插孔。IC5的P3.4通過(guò)非門D接P3.2，用于軟硬件中斷轉(zhuǎn)換，IC5的P3.0、P3.1接MAX485，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信。圖1的電路中，用不同型號(hào)芯片IC代換時(shí)，引腳數(shù)和引腳定義不同，需要設(shè)計(jì)引腳轉(zhuǎn)換插座。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖1 自動(dòng)化調(diào)試儀電路原理圖

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)線性測(cè)試、調(diào)整儀表放大器放大倍數(shù)、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互等模塊。圖2是自動(dòng)化調(diào)試的核心軟件流程圖，系統(tǒng)初始化后，第一步檢測(cè)ADC線性度，第二步設(shè)置儀表放大器的放大倍數(shù)，第三步檢測(cè)儀表放大器線性度，第四步數(shù)據(jù)擬合[11]。圖3是控制電位器的軟件結(jié)構(gòu)圖，圖3中，(1)是4個(gè)數(shù)字電位器POT0、POT1、POT2、POT3 控制程序流程。IC10是電位器控制參數(shù)計(jì)算子程序。IC11是9241中四個(gè)電位器子的讀寫程序，IC12是9241四個(gè)電位器中一個(gè)電位器讀寫子程序。IC10調(diào)用IC11，IC11調(diào)用IC12。

2 檢測(cè)與調(diào)試

2.1 ADC檢測(cè)

IC4是ADC芯片，參考芯片IC4用戶手冊(cè)，手冊(cè)中有標(biāo)定輸入電壓最小值Ua0和最大值Uaz。定義空載時(shí)U12w=Uaa0，滿量程時(shí)U12w=Uaaz。

2.1.1 ADC輸出范圍測(cè)量 調(diào)用圖3中IC10、IC11、IC12，計(jì)算出x0、x1、x2、x3值并分別寫入IC1中4個(gè)電位器的WCR，使U12w=Ua0，U12w=Uaz，將Ua0、Uaz送IC4的7、8腳，ADC輸出y0、yz。保存Ua0、y0、Uaz、yz的值。

2.1.2 ADC線性度檢測(cè) Ua1=(Uaz-Uao)/4+Uao；Ua2=(Uaz-Uao)/2+Ua1；Ua3=(Uaz-Ua2)*3/4+Ua2。采用2.1方法使U12w分別等于Ua1、Ua2、Ua3，將計(jì)算出的值送ADC輸入端，ADC輸出y1、y2、y3，保存Ua1、Ua2、Ua3、y1、y2、y3。分別計(jì)算（Uaz-Ua0）/(yz-y0)的值。在允許誤差范圍內(nèi)判斷ADC的線性度。

2.2 儀表放大器放大倍數(shù)設(shè)定

循環(huán)調(diào)節(jié)R2、R3值使R2=R3，循環(huán)調(diào)節(jié)R6、R7值 使R6=R7，至IC4輸 出ym＜=yz且ym接近于yz，計(jì)算儀表放大器放大倍數(shù)ki=R6/R4×(1+2×R2/R1)。IC4輸入U(xiǎn)a0、Uaz時(shí)對(duì)應(yīng)輸出分別是y0、yz。對(duì)應(yīng)空載和滿載輸入時(shí)，IC4分別輸出yn、ym。

圖2 核心軟件流程圖

圖3 控制電位器的軟件結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 ym值 將滿量程被測(cè)物加載在IC0，選擇圖1中R1=1K、R4=R5=1K固定，初 值R2=R3=1K、R6=R7=1K，設(shè)Rm=63K。計(jì)算IC2中x1=QT0=int((R1/Rm)×64)、x0=x2=QU0=int((R2/Rm)×64)初值，將x0、x1、x2分別寫入IC2中對(duì)應(yīng)電位器的WCR。保持x1=QT0不變。計(jì)算IC3中x1=x2=QW0=int((R4/Rm)×64)、x0=x3=QE0=int((R6/Rm)×64)初值，將x0、x1、x2、x3分 別寫入IC3中 的WCR。保持x1=x2=QW0不變。交替調(diào)節(jié)IC2的x0、x2 和IC3的x0、x3：即第n次調(diào)節(jié)IC2中x0=x2=QU0+n。IC3中x0=x3=QE0+n。重復(fù)調(diào)節(jié)，直到ADC輸出的數(shù)字量值ym滿足ym＜=yz且ym接近于yz時(shí)停止調(diào)節(jié)。按照?qǐng)D3流程，讀出、計(jì)算并保存IC2中R1、R2、R3和IC3中R4、R5、R6、R7值，保存ym值，計(jì)算ki=R6/R4×(1+2×R2/R1)。

2.2.2 yn值 使IC0空載，保持IC2中R1、R2、R3和IC3中R4、R5、R6、R7值不變，記錄空載時(shí)ADC輸出的數(shù)字量值yn，計(jì)算并保存yn。

2.3 儀表放大器線性度檢測(cè)

取Ux1=(Uaaz-Uaa0)/4+Uaa0。調(diào)用圖3中的IC10、IC11和IC12，計(jì)算出x0、x1、x2、x3值并分別寫入IC1中4個(gè)電位器的WCR，使U12w=Ux1，將Ux1送IC4的7、8腳，ADC輸出yx1。保存Ux1和yx1。

循環(huán)計(jì)算Ux2=(Uaaz-Uaa0)*2/4+Uaa0。Ux3=(Uaaz-Uaa0)*3/4+Uaa0。Ux4=Uaaz值，依次循環(huán)把Ux2、Ux3、Ux4中的一個(gè)送U12w，ADC依次對(duì)應(yīng)輸出yx2、yx3、yx4，再依次保存Ux2、yx2，Ux3、yx3，Ux4、yx4。

依次計(jì)算(Ux4-Ux1)/(yx4-yx1)、(Ux4-Ux2)/(yx4-yx2)、(Ux4-Ux3)/(yx4-yx3)值，判斷這3個(gè)值是否在誤差允許的范圍內(nèi)，再判斷在誤差允許的范圍內(nèi)儀表放大器的線性度[12]。

2.4 數(shù)據(jù)擬合

使IC8的8、11腳分別與9、10腳連接，IC0的+S、-S信號(hào)分別送IC6的3、5腳。IC7的8、11腳分別與9、10連接，使IC6的8腳、-V OR GND分別連接IC4的7、8腳。

選擇若干個(gè)被測(cè)物理量的標(biāo)準(zhǔn)件或標(biāo)準(zhǔn)參照值w，IC4對(duì)應(yīng)輸出若干個(gè)y值，得到一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法建立被測(cè)物理量w與測(cè)量值y之間的數(shù)學(xué)關(guān)系w=f(y)，編程并寫入存儲(chǔ)器。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)傳感器IC0、運(yùn)放LM324、R1～R7、AD7712AN等醫(yī)院數(shù)據(jù)采集設(shè)備的關(guān)鍵器件進(jìn)行自動(dòng)化配置，測(cè)量和調(diào)試了系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)調(diào)試完畢后，制定工藝流程，復(fù)制樣機(jī)的電路和軟件，調(diào)試器件替換成定制器件，去掉IC1。采用設(shè)計(jì)的醫(yī)院人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備調(diào)試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)有標(biāo)定值的被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測(cè)量，6次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表1。

表1 測(cè)量值與被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件值關(guān)系表

對(duì)表1中每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得y=1.37463x+1153，即x=(y-1153)/1.37463，絕對(duì)誤差小于1/10000。

4 小結(jié)

設(shè)計(jì)的人體生理數(shù)據(jù)采集調(diào)試儀，采集人體生物信號(hào)電壓幅值范圍自50uV至1mV，采集信號(hào)的頻率在0～3MHz范圍。在25°時(shí)，調(diào)試儀調(diào)試的人體生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備相對(duì)精度在10%左右，工作穩(wěn)定。