醫療用平衡測量儀的設計與實現

[摘要]介紹醫療用平衡測量儀設計與實現方案。本文介紹該平衡測量儀的組成，電路設計原理，ARM單片機與PC機的通信協議，ARM單片機的主要軟件模塊設計，PC機軟件設計及實現，從五個方面全面系統地介紹了醫療用平衡測量儀的設計和實現過程。

[關鍵詞] 平衡測量儀 測試平臺 信息采集 終端控制

醫療用平衡測量儀主要用于對某些有平衡障礙的病人進行平衡功能的評價，根據不同檢測結果，判斷出被測者的病變部位，臨床上做到有的放矢。

一、醫療用平衡測量儀器的組成

1．測試平臺。通過傳感器采集各個傳感器的信息，并將采集到的信息，傳到信息采集模塊。

2．信息采集。主要將傳感器傳來的模擬信號轉化為數字信號，并按照一定的格式將信息傳到終端控制模塊。

3．終端控制。終端控制模塊分析接受到的各種信息，按照協議規定控制各個模塊執行相應的工作，要完成的工作包括：接受信息采集模塊的信息，并把信息發送到PC機上；接受PC機傳來的控制信息，將控制信息按規定協議，實現對測試平臺的控制，使測試平臺傾斜一定的角度。

4．PC機。處理、顯示信息，直觀、明確地反映出被測者的身體平衡情況。

二、電路設計

1．測試平臺設計。測試平臺傳感器選擇NS-TH4系列傳感器，該系列傳感器采用懸臂剪切結構，具有精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點。技術指標如下：

額定載荷選擇50千克，允許過載150%F.S。測試平臺上有六個傳感器，根據測試對象，考慮使用該額定載荷的足夠。

拱橋電壓10V，額定輸出1.5MV，通過放大電路可設計成0—5V信號輸出。滿足信息采集模塊的設計要求。

測量精度不小于0.03%，即15g，滿足測量精度要求。

2．信息收集終端控制模塊設計。完成功能包括，完成信息收集、處理、傳輸。

主要是處理器選擇，處理器完成六路A/D轉換，傳輸頻率40Hz以上，測量精度要求±20g，電路盡可能簡單，信息傳輸接受采用串口與PC機通信，接受PC機控制信息，使測試平臺產生傾斜或轉動。

根據處理器要完成的工作，在此選擇LPC2132處理器，該處理器特點：

（1）帶有一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI—S CPU，處理速度最快為0.9MIPS/MHz。方便編寫程序和調試，很好滿足傳輸速度的要求。

（2）較小的封裝和極低的功耗使其理想的用于小型系統中，寬范圍的串行通信接口。

（3）1個10位DAC通道，很好完成A/D轉換和精度要求。

3．PC機完成的工作。PC機完成的工作主要有：接受終端控制傳來的測試平臺各個傳感器的數字信號，按照相應的算法得到重心座標值，將不同測試平臺狀態下，重心座標值分別存儲，經過一段時間的測量，得到一組重心座標值，進行相應比較，輸出要求值；另一方面PC機發信息給控制終端，控制測試平臺狀態。最后PC機綜合分析不同狀態下重心座標值，給出被測者平衡情況的綜合評價。

三、ARM單片機與PC機通信協議

1．初始化串口時。設置為8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，波特率為9600。

2．A/D轉換結果，十位精度要求，11個A/D轉換時鐘。

3．轉換結果是一個十位的二進制數，按照十次取平均值的算法實現。存放在兩字節中，發送時按照，低字節位先發，高字節位后發的原則，發送轉換結果。

4．發送格式是：先發送55H、66H、77H，三個驗證碼，然后緊接著發送轉換結果，按照傳感器轉編號A、B、C、D、E、F的順序，將轉換結果按協議第三條，依次連續發送到PC機串口。

5．利用定時器定時，每間隔40ms發送一組數據，PC機每間隔40ms采集一次轉換結果。

6．終端控制模塊，接收到開始數據為55H、66H、77H時，將數據傳輸給PC機；接收到開始數據為55H、66H、88H時，控制采集信息模塊開始采集測試平臺信息；接收到開始數據為55H、66H、99H時，結束信息采集；當接收到開始數據為55H、66H、44H時，控制測試平臺按照指令偏轉傾斜。

四、ARM單片機的主要軟件模塊設計

將操作系統移植到LPC2132，基于操作系統開發平臺，編寫各個功能模塊程序，主要軟件模塊包括以下幾個。

模塊一、移植：

操作系統是一個基礎軟件平臺建立軟件開發平臺首先需要選擇合適的操作系統，在這里作者將uC/OS –II移植到LPC2132作為系統開發平臺。

模塊二、信號的AD轉換：

分析AD轉換過程中，要完成幾項工作，將AD轉換分成以下幾個任務快去供操作系統調用，首先應啟動定時器，并將它的任務優先級設最高，在做好各項準備工作后，首先調用定時器人物模塊，啟動定時，設置間隔40ms，間隔時間到，則發送一次轉換結果。其次是，在啟動定時器后，立即進入AD轉換模塊。最后在定時器時間到后，轉入發送模式，將轉換結果通過串口發送到終端控制塊。

模塊三、終端控制塊的實現：

終端控制塊，也可以分成以下幾個任務，由操作系統平臺去調用。第一，同上定時器模塊應設置最高優先級，確保PC機能實時采集到測試平臺的結果，并將他們存儲起來，進行下一步處理。第二，接收到PC機傳來的控制命令后，進行相應的動作。

五、PC機軟件設計思想及實現

PC機設計思想和實現通過四步實現的。第一步：通過后臺程序運行，按照固定的測量平臺實現原理算法，即作用力的合力矩在測試平臺上為零，這樣可以建立作用力失衡性公式，在橫軸(X)和縱軸(Y)上，力矩和為零，各個傳感器所受力和等于被測者重力G：

對X軸取力矩：

Fa+Fb+Fc+Fd+Fe+Ff=G（3）

由此得到重心在X—Y平面上的投影位置為：

X= (a * Ff + b * Fe + a *Fd –a* Fa–b * Fb–a* Fc)/G

Y= (c * Fd + c * Fc–a * Fa –b * Ff)/G

由此方程組及可求出某一時刻被測者的重心坐標。經過一段時間的測量，求出一組坐標值，將這組坐標值進行存儲、分析，在特定的顯示屏上，顯示要得到的信息。

第二步：利用VB編寫應用界面，顯示信息。主要包括地顯示信息有：（1）重心搬動軌跡。通過與存儲的資料進行比較，判斷出被測者的病變部位。（2）軌跡外周面積、動搖中心偏離（X軸和Y軸）、單位面積軌跡長。

第三步：在微機中存儲一些資料，一些國際精神學及神經科學的標準，一些專家的研究資料和研究成果，以此作為對比參考值，來最終評判被測者各方面的情況，給出評判，結果顯示在界面上。

第四步：建立病人檔案數據庫，跟蹤治療。

此款平衡測量儀是現代醫學、計算機技術和人體生物力學的完美結合，快速分析檢查結果。適用于神經內科、耳鼻喉科、康復醫藥科、骨科等多科室用，能在很短時間內回收投資。因此，研究開發次平衡測量儀，具有很大的社會經濟效益、發展前景和應用價值。

參考文獻

[1]李駒光，聶雪媛，江澤明，王兆衛．ARM應用系統開發詳解[M]．清華大學出版社，2003．

[2]周立功．ARM微控制器基礎與實戰[M]．北京航空航天大學出版社．

（作者單位：河南工業貿易職業學院）