2021-4-10 | 电子设计论文
一、实验内容及方案的设计
１．信号放大滤波电路
传感器的输出信号一般幅值较小，需要经过相应的放大滤波电路。在实验中，心电、脉搏、呼吸等信号频率不同，而且相应传感器输出的幅值也不同，因此放大滤波电路的参数指标也要求不同，如放大倍数、滤波带宽、截止频率等。对学生而言，在实验中设计３个不同参数的放大滤波电路需要花费大量时间，考虑到有限的实验学时数，我们采用现有的放大倍数可调、滤波参数可调的专用集成模块来完成相关信号的放大滤波处理。该模块主要侧重培养学生电路调试及信号测试能力。
２．信号调理电路
在实验过程中会遇到放大滤波后的信号电压与单片机集成的Ａ／Ｄ转换器要求的转换电压不匹配的问题［９－１０］，需要对放大滤波后的医学信号进行信号调理，使其符合Ａ／Ｄ转换器转换电压的要求。信号调理电路是模拟电子技术的一个重要的知识点，通用的信号调理电路较多，如采用电阻分压及电压跟随器组合进行信号调理［１１－１２］。具体实验中，我们选用由ＯＰ０７与ＩＮＡ１１４组成的电路来完成信号调理，如图２所示。图２中的ＩＮ＋和ＩＮ－表示经过放大滤波后传感器信号正端和负端，ＯＵＴ１输入到ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１单片机集成的Ａ／Ｄ转换器进行转换。通过调节Ｒ２的阻值来改变ＩＮＡ１１４第５脚ＲＥＦ的电压值，随着ＲＥＦ电压的变化，ＯＵＴ１输出势必会有一个电压的抬升，来满足Ａ／Ｄ转换器输入的要求。同时，要充分考虑上一级专用放大模块的放大倍数，放大倍数过大，信号调理就失去了作用，放大倍数过小，则不能充分发挥Ａ／Ｄ转换分辨率的优势。例如：经放大滤波后的心电信号幅值范围为－１．５～＋１．５Ｖ，在理想状态下，调节ＲＥＦ电压为１．５Ｖ时，ＯＵＴ１输出范围为０～＋３Ｖ满足ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１单片机Ａ／Ｄ转换输入的要求。
３．ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１单片机处理电路
结合实验条件及学生所学的单片机类型，实验中，选用ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１设计单片机处理电路。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ推出的一款１６位的自带ＤＳＰ引擎的单片机，内部集成了１０位高速Ａ／Ｄ转换器、ＵＡＲＴ模块、３０个中断源及７个中断优先级设计模块、Ｉ／Ｏ复用等功能［１３］。
３．１单片机硬件电路设计
实验中完成单片机硬件电路设计、焊接调试需要花费大量的时间，为此学生可在现有的开发装置上利用跳线的方式完成硬件电路设计。图３为本实验系统所用的单片机硬件电路，ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３分别连接心电、脉搏、呼吸信号，经过放大滤波模块、信号调理模块处理后的信号。单片机利用ＵＡＲＴ模块经串口电压转换芯片ＭＡＸ３２３２与上位机进行命令的解析及数据的传输。
３．２单片机软件程序设计
ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１单片机软件设计在Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ为其所有的开发工具研发的ＭＰＬＡＢ集成环境中完成［１３］。实验中，学生设计的单片机软件应实现以下功能：单片机通过通信协议接收上位机传输的数据，同时对传输的数据进行命令解析，当解析到开始进行数据采集命令后，启动Ａ／Ｄ转换子程序；Ａ／Ｄ转换子程序中，依次对心电、脉搏、呼吸信号进行Ａ／Ｄ通道选择、采集、标志并存储到相应的通道缓存区中，例如在对心电信号采集时，通道缓存区中的１６位数标志为“０００００１”（通道数）＋１０位Ａ／Ｄ转换后的有效数据。在Ａ／Ｄ转换完成且转换后的数据填满相应的通道缓存区后，单片机根据数据传输协议将３个通道缓存区中数据依次发送到上位机，上位机在接收完成数据后同时发送下次采集命令或停止命令。单片机软件实现的功能是唯一的，但实现的编程思想是灵活多样的，如软件设计采用中断嵌套或采用优先级由高到低或采用查询等待，每种软件编程思想都能实现系统要求的同一功能。这样设计实验，有利于挖掘学生软件编程潜力，充分发挥学生的主观能动性，锻炼学生的自主学习和创新能力。
以下采用中断优先级由高到低编程思想为例作具体说明。系统的软件设计主要由：主程序、Ａ／Ｄ转换子程序、串口通信等程序构成。（１）主程序。整个系统的运行需要对单片机一些资源进行初始化，如Ｉ／Ｏ初始化、系统时钟选择初始化、中断优先级初始化等。初始化中，串口通信中断、Ａ／Ｄ转换中断、ＣＰＵ内部中断三者中断优先级由高到低。主程序控制流程如图４所示。（２）Ａ／Ｄ转换子程序。实验设计中要求对心电，脉搏、呼吸３种信号完成数据采集，考虑到３种信号的频率（分别为０．０５～１００Ｈｚ、０．３～３．３３Ｈｚ、０．３～１０Ｈｚ）相对较低，可采用适当的Ａ／Ｄ数据采样率。本例Ａ／Ｄ数据采样率为７５ｋＳ／ｓ，采样方式为三通道逐次采样，即每个通道理论采样为２５ｋＳ／ｓ。每个通道Ａ／Ｄ转换后数据缓存区设为１６个字长，每个通道填满相应的数据缓存区视为１次采集的结束。图５所示为Ａ／Ｄ转换流程图。（３）串口通信子程序。为了让单片机及时地接收到上位机发送的指令，以及将Ａ／Ｄ转换后的数据有效地上传上位机，本实验系统中上位机与单片机采用全双工异步串口通信，程序命令接收、数据发送流程如图６所示。本例中指令作为控制系统有效运行的唯一识别条件，同时缓存区数据能否及时上传将影响Ａ／Ｄ采样率及整个系统的协调运行，因此将串口通信的中断优先级设置为最高级，通过串口中断来完成命令解析及采集数据的上传。
二、实验系统测试结果及扩展
本实验系统要求采集的心电、脉搏、呼吸３种信号在上位机显示，为此需设计相应的上位机软件来配合单片机实现数据的接收显示、命令的传输等功能。学生需要对计算机编程语言有深刻的理解才能完成上位机软件编程。考虑到学生掌握程度的差异，在实验中，一般提供具有通行协议的现成软件来配合完成，学生只需按照提供的通行协议来完成单片机串口通信编程便可实现上位机与单片机的数据交互。本实验系统经过适当的变换和扩展还可以用于其他课程设计或实验中。本实验是在固定采集频率下对３种信号进行采集的，在具体实验中可扩展为通过上位机发送命令的方式改变数据采集频率，达到可调采样频率的目的。
三、结束语
本实验系统将生物医学传感器技术、基础电子、单片机技术、计算机技术等相关的知识综合起来，通过循序渐进的模块设计，使学生对生物医学电子相关专业理论知识及工作原理有清晰和较完整的认识，对一般专业仪器的研制开发过程有系统的了解和掌握。本实验系统有助于激发学生的潜能及学习兴趣，增强他们的自信心和成就感，使学生的实践能力得到提高，学生的综合能力在实验完成的过程中得到了很好的锻炼。本实验系统支撑的实验一般安排于大三下学期及以后，学时数一般为１２～２０学时。
本文作者：赵晓明 单位：重庆大学生物工程学院现代生命科学实验教学中心