醫用多道生理記錄儀數字化裝置研制

吉林大學 基礎醫學院，吉林 長春 130021

引言

我院機能學實驗室現有日本生產的多道生理記錄儀5臺，購于吉林大學合校之前，價值上百萬。此儀器主要用于生理、藥理和病理生理教學和科研實驗。但這種老式醫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，已不能滿足現代實驗教學需要[1]。隨著現代電子技術和計算機技術的發展，既能記錄又能分析和儲存的實驗手段已成為一種發展趨勢。目前，采用多媒體計算機進行實驗教學成為新型教學模式的需要[2]。因此，本研究以MSP430F149單片機為控制中心，設計開發了一種數據采集系統，將RM-6000型醫用多道生理記錄儀改進為一種生物信號的顯示、處理、儲存和分析的數字化系統，并將計算機運用到醫學機能實驗教學中來，逐步改善傳統教學方式，同時也是開展機能實驗教學改革的一個重要方面[3]。

1 數據采集系統的總體結構設計

數據采集系統分為硬件設計和軟件設計兩大部分，其總體結構如圖1所示。

圖1 數據采集系統總體結構

2 硬件設計

硬件設計包括電平轉換電路、中央控制電路、鍵盤輸入電路、液晶顯示驅動電路、微機通信電路。

2.1 電平轉換電路

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，并具有端口和計數等多種中斷模式[6]；內部集成有8通道12位精度的A/D轉換模塊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]。利用單片機片內功能實現A/D轉換（將放大后的模擬信號轉換成數字信號），使系統硬件電路簡單，從而可降低系統的開發成本，提高系統的可靠性[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，讀列線數據為0；如果有按鍵按下，則讀列線數據為非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分別為數據總線與1602液晶顯示屏的數據線接口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。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驅動，通過SP3220芯片來實現單片機MSP430F149的USART口與微型計算機的COMX進行連接（電平轉換）[12-13]。通過軟件對USART初始化，設置一系列寄存器后，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模塊硬件自動實現數據的移進和移出，完成串行通訊的功能。

圖4 微機接口電路

3 軟件設計

軟件系統的MSP430監控軟件采用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監控軟件主要有內容總控程序、硬件初始化程序、A/D轉換程序及微機通訊程序的開發等。

3.1 總控程序軟件

MSP430監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轉換等器件進行初始化設置，然后循環執行鍵盤輸入程序，循環程序中等待鍵盤的輸入按鍵，根據按鍵判斷再轉到執行A/D轉換、微機通信等不同功能的程序。

圖5 MSP430監控軟件總控程序流程圖

3.2 A/D轉換程序

A/D轉換程序采集數據是等間隔進行的。其實現方法是采用定時器中斷方式進行，設置定時中斷，在定時中斷服務程序中完成采集數據、儲存數據、傳輸數據等操作。為保證等間隔的采樣數據，軟件用C語言實現中斷服務程序的設計。

3.3 微機顯示分析處理軟件

VB采用的是面向對象驅動事件的方法。其可視化編程可分為設計界面、設置屬性和編寫代碼3個基本過程。在VB集成開發環境界面中，設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；再根據需要對所設計的控件選擇規定相應的屬性；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進行程序設計，其主要功能是對多道生物記錄數字化采集的數據進行實時顯示、數據處理和數據存儲。功能的實現：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控件實現此功能[16]，通過串口通信程序將MSP430單片機控制采集的實時數字化數據傳入微型計算機內存之中；② 在微型計算機中將采集的實時數字化數據顯示和存儲。實時數字化數據顯示是通過Visual Basic的圖片框控件實現此功能。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據時間；垂直方向（y軸）為縱坐標，縱坐標的值代表顯示實時采集數據的電壓幅值，用函數Pset(x,y)及Line(x1,y1-x2,y2)在坐標系中顯示采集的數據。實時數字化數據存儲是將內存采集實時數據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）上的數據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語句及關閉文件Close語句實現實時數字化數據存儲。

4 多道數據采集系統測試及應用

多道數據采集系統實現模擬量向數字量的轉化。多道數據采集系統采集的生物信息包括血壓、呼吸和心電等，大多數的頻響范圍是在零到幾百赫茲，屬于低頻范圍。基于此，我們設計數字化的采樣頻率應從1～500 ms/s內變化。在此采樣頻率范圍內，根據夏濃定理，數字信號的采集不會使模擬信號失真，如此可保證多道數據采集系統的有效性和可行性。

在系統軟、硬件設計完成后，按照設計思路對系統進行綜合調試修改。完成總體調試后，我們對多道模擬記錄儀產生并輸出標壓信號進行采集，再對此數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次檢測結果并記錄，以反映采集系統的準確度。因8個通道的設計完全相同，在此僅以其中4個通道為例。測試系統實物如圖6所示，檢測結果如表1所示。

圖6 測試系統實物

表1 檢測結果（mV）

綜合檢測平均值和標準差結果分析可知，采集系統能夠實現多通道、高準確度的數據采集。將本采集系統應用于生理、藥理和病理生理機能學實驗中，對實驗動物的血壓、呼吸和心電等指標進行實時監測、記錄、保存、分析、輸出與打印等，實現實驗數據的數字化，并驗證了該采集系統的穩定性和可靠性。

5 結語

通過我們研制的數據采集系統，可以實現醫用多道生理記錄儀與微機系統連接，對醫用多道生理記錄儀進行了數據化的改進，克服了使用記錄紙記錄實驗數值的缺點，使老式儀器現代化，適應于現代實驗室教學和科研的需要。該數據采集系統以MSP430F149單片機片內集成有ADC12模塊，可以節省專用的A/D轉換芯片，不僅簡化了系統的硬件電路，而且使用靈活[17]；FLASH型MSP430系列單片機具有十分方便的開發調試環境，內有JTAG接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，存儲容量大。將兩者結合在一起用來開發醫用多通道數據采集系統，降低系統的開發成本，結構簡單，方便設計者使用。經過改造后的裝置可以替代醫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，廣泛應用生理、藥理和病理生理機能學實驗的生物信號采集，實現數據的傳出、轉化與存儲。