一、實驗內容及方案的設計

１．信號放大濾波電路

傳感器的輸出信號一般幅值較小，需要經過相應的放大濾波電路。在實驗中，心電、脈搏、呼吸等信號頻率不同，而且相應傳感器輸出的幅值也不同，因此放大濾波電路的參數指標也要求不同，如放大倍數、濾波帶寬、截止頻率等。對學生而言，在實驗中設計３個不同參數的放大濾波電路需要花費大量時間，考慮到有限的實驗學時數，我們采用現有的放大倍數可調、濾波參數可調的專用集成模塊來完成相關信號的放大濾波處理。該模塊主要側重培養學生電路調試及信號測試能力。

２．信號調理電路

在實驗過程中會遇到放大濾波后的信號電壓與單片機集成的Ａ／Ｄ轉換器要求的轉換電壓不匹配的問題［９－１０］，需要對放大濾波后的醫學信號進行信號調理，使其符合Ａ／Ｄ轉換器轉換電壓的要求。信號調理電路是模擬電子技術的一個重要的知識點，通用的信號調理電路較多，如采用電阻分壓及電壓跟隨器組合進行信號調理［１１－１２］。具體實驗中，我們選用由ＯＰ０７與ＩＮＡ１１４組成的電路來完成信號調理，如圖２所示。圖２中的ＩＮ＋和ＩＮ－表示經過放大濾波后傳感器信號正端和負端，ＯＵＴ１輸入到ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機集成的Ａ／Ｄ轉換器進行轉換。通過調節Ｒ２的阻值來改變ＩＮＡ１１４第５腳ＲＥＦ的電壓值，隨著ＲＥＦ電壓的變化，ＯＵＴ１輸出勢必會有一個電壓的抬升，來滿足Ａ／Ｄ轉換器輸入的要求。同時，要充分考慮上一級專用放大模塊的放大倍數，放大倍數過大，信號調理就失去了作用，放大倍數過小，則不能充分發揮Ａ／Ｄ轉換分辨率的優勢。例如：經放大濾波后的心電信號幅值范圍為－１．５～＋１．５Ｖ，在理想狀態下，調節ＲＥＦ電壓為１．５Ｖ時，ＯＵＴ１輸出范圍為０～＋３Ｖ滿足ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機Ａ／Ｄ轉換輸入的要求。

３．ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機處理電路

結合實驗條件及學生所學的單片機類型，實驗中，選用ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１設計單片機處理電路。ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ推出的一款１６位的自帶ＤＳＰ引擎的單片機，內部集成了１０位高速Ａ／Ｄ轉換器、ＵＡＲＴ模塊、３０個中斷源及７個中斷優先級設計模塊、Ｉ／Ｏ復用等功能［１３］。

３．１單片機硬件電路設計

實驗中完成單片機硬件電路設計、焊接調試需要花費大量的時間，為此學生可在現有的開發裝置上利用跳線的方式完成硬件電路設計。圖３為本實驗系統所用的單片機硬件電路，ＩＮ１、ＩＮ２、ＩＮ３分別連接心電、脈搏、呼吸信號，經過放大濾波模塊、信號調理模塊處理后的信號。單片機利用ＵＡＲＴ模塊經串口電壓轉換芯片ＭＡＸ３２３２與上位機進行命令的解析及數據的傳輸。

３．２單片機軟件程序設計

ｄｓＰＩＣ３０Ｆ４０１１單片機軟件設計在Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ為其所有的開發工具研發的ＭＰＬＡＢ集成環境中完成［１３］。實驗中，學生設計的單片機軟件應實現以下功能：單片機通過通信協議接收上位機傳輸的數據，同時對傳輸的數據進行命令解析，當解析到開始進行數據采集命令后，啟動Ａ／Ｄ轉換子程序；Ａ／Ｄ轉換子程序中，依次對心電、脈搏、呼吸信號進行Ａ／Ｄ通道選擇、采集、標志并存儲到相應的通道緩存區中，例如在對心電信號采集時，通道緩存區中的１６位數標志為“０００００１”（通道數）＋１０位Ａ／Ｄ轉換后的有效數據。在Ａ／Ｄ轉換完成且轉換后的數據填滿相應的通道緩存區后，單片機根據數據傳輸協議將３個通道緩存區中數據依次發送到上位機，上位機在接收完成數據后同時發送下次采集命令或停止命令。單片機軟件實現的功能是唯一的，但實現的編程思想是靈活多樣的，如軟件設計采用中斷嵌套或采用優先級由高到低或采用查詢等待，每種軟件編程思想都能實現系統要求的同一功能。這樣設計實驗，有利于挖掘學生軟件編程潛力，充分發揮學生的主觀能動性，鍛煉學生的自主學習和創新能力。

以下采用中斷優先級由高到低編程思想為例作具體說明。系統的軟件設計主要由：主程序、Ａ／Ｄ轉換子程序、串口通信等程序構成。（１）主程序。整個系統的運行需要對單片機一些資源進行初始化，如Ｉ／Ｏ初始化、系統時鐘選擇初始化、中斷優先級初始化等。初始化中，串口通信中斷、Ａ／Ｄ轉換中斷、ＣＰＵ內部中斷三者中斷優先級由高到低。主程序控制流程如圖４所示。（２）Ａ／Ｄ轉換子程序。實驗設計中要求對心電，脈搏、呼吸３種信號完成數據采集，考慮到３種信號的頻率（分別為０．０５～１００Ｈｚ、０．３～３．３３Ｈｚ、０．３～１０Ｈｚ）相對較低，可采用適當的Ａ／Ｄ數據采樣率。本例Ａ／Ｄ數據采樣率為７５ｋＳ／ｓ，采樣方式為三通道逐次采樣，即每個通道理論采樣為２５ｋＳ／ｓ。每個通道Ａ／Ｄ轉換后數據緩存區設為１６個字長，每個通道填滿相應的數據緩存區視為１次采集的結束。圖５所示為Ａ／Ｄ轉換流程圖。（３）串口通信子程序。為了讓單片機及時地接收到上位機發送的指令，以及將Ａ／Ｄ轉換后的數據有效地上傳上位機，本實驗系統中上位機與單片機采用全雙工異步串口通信，程序命令接收、數據發送流程如圖６所示。本例中指令作為控制系統有效運行的唯一識別條件，同時緩存區數據能否及時上傳將影響Ａ／Ｄ采樣率及整個系統的協調運行，因此將串口通信的中斷優先級設置為最高級，通過串口中斷來完成命令解析及采集數據的上傳。

二、實驗系統測試結果及擴展

本實驗系統要求采集的心電、脈搏、呼吸３種信號在上位機顯示，為此需設計相應的上位機軟件來配合單片機實現數據的接收顯示、命令的傳輸等功能。學生需要對計算機編程語言有深刻的理解才能完成上位機軟件編程。考慮到學生掌握程度的差異，在實驗中，一般提供具有通行協議的現成軟件來配合完成，學生只需按照提供的通行協議來完成單片機串口通信編程便可實現上位機與單片機的數據交互。本實驗系統經過適當的變換和擴展還可以用于其他課程設計或實驗中。本實驗是在固定采集頻率下對３種信號進行采集的，在具體實驗中可擴展為通過上位機發送命令的方式改變數據采集頻率，達到可調采樣頻率的目的。

三、結束語

本實驗系統將生物醫學傳感器技術、基礎電子、單片機技術、計算機技術等相關的知識綜合起來，通過循序漸進的模塊設計，使學生對生物醫學電子相關專業理論知識及工作原理有清晰和較完整的認識，對一般專業儀器的研制開發過程有系統的了解和掌握。本實驗系統有助于激發學生的潛能及學習興趣，增強他們的自信心和成就感，使學生的實踐能力得到提高，學生的綜合能力在實驗完成的過程中得到了很好的鍛煉。本實驗系統支撐的實驗一般安排于大三下學期及以后，學時數一般為１２～２０學時。

本文作者：趙曉明 單位：重慶大學生物工程學院現代生命科學實驗教學中心