基于ADuC848便携式多参数检测仪的研制

李 静

在生物医学工程领域中，压力、温度、流量及相对湿度等都是最基本的医学信号，对这些信号的检测与处理是一项重要的基础工作，只有把生物信息巧妙、如实地提取出来，才能进行其他各种处理[1-3]。目前每种信号参数都有专门的仪器进行测量，如温度的测量常采用数字温度计，压力信号常采用数字压力计或者压力表进行测量，流量的测量常采用转子流量计等。若对这些常用的医学信号同时进行检测，则需要使用相应的所有测试仪器，操作复杂，携带不便，数据处理困难，不具备现代医疗测试仪器便携式、小型化和嵌入式等特点[4-6]。

基于上述原因，本研究结合医疗设备测试与计量的实际需要，设计出便携式多参数检测装置，可用于测量多种信号参数。其中基本的参数包括差动压力、真空度和温度，同时还包括对气流、大气气体和湿度的测量，并且可用来测量婴儿培养箱、环境和呼吸机的温度和湿度等参数，以及其他需要测量的气体流量、气体压力、相对湿度和温度等技术参数的设备。

1 多参数检测仪系统设计及实现

图1所示便携式多参数检测装置的系统结构。主要由传感器及前放模块、CPU模块、液晶显示模块和串行通信模块等构成。系统的具体工作过程是压力、温度、流量、大气压力和相对湿度等信号经过传感器检测，前放电路放大及滤波后，再经A/D转换将模拟信号转为数字信号送入单片机进行信号处理、存储和显示，并可以通过串行通信实现与PC机的通信。

图1 硬件系统结构框图

1.1 传感器及前放模块

本系统被测试的信号主要包括差动压力、大气压力、气体流量、温度和相对湿度5种参数。

(1)传感器：本系统所使用的5种传感器见表1。

表1 5种传感器性能指标列表

IC-SENSER公司的HIT-1220压力传感器是通用的低功耗、固态性压阻式压力传感器，其通过激光刻蚀的电阻实现了0～50 ℃的温度补偿，还配有一个激光刻蚀的电阻用于调节差动放大器的增益来校正传感器的压力灵敏度的变化，从而在高电平输出时具有良好的互换性。选择量程范围为-10～10 Psi，非线性为0.1%，响应时间为1 ms；大气压力的测量选用摩托罗拉的NPX6115系列，内置放大电路。量程为15～115 kPa，最大输出电压4.6 V，最大过载压力400 kPa，灵敏度46 mV/kPa，响应时间为1 ms；气体流量信号的测量选用Honeywell公司的AWM42300气流质量传感器。测量范围：-1000～1000 ml/min，反应时间为1 ms；温度的测量选用美国Honeywell公司的HEL-774S(1000 Ω)，其采用薄膜铂热电阻，由亚微米或微米厚的铂膜依附在基板上构成，测温范围为-40～150 ℃，线性为0.1%，响应时间为0.5 s；相对湿度的测量选用Honeywell公司的HIH-3610相对湿度传感器，线性和重复性均为±0.5%，RH范围在0%～100%。

(2)放大电路：系统中的放大电路分别对差压、大气压力、温度、湿度和流量信号进行放大、调零、滤波等操作。压力传感器及流量传感器输出为毫伏级信号，需要设计前置放大电路，其运算放大电路的设计应满足高输入阻抗，高共模抑制比和低噪声性能等特点[7]。因此，设计中选用了低能耗、高共模抑制比的凌特公司的LT1496运放组成放大器对差动压力、气体流量信号进行放大、滤波、调零等。温度信号选用专门为RTD温度传感器设计的信号调理芯片ADT70来设计温度传感器的调理放大电路。为了避免引线电阻对温度测量的影响，对HEL-776S型铂电阻采用三线制的接线方式(如图2所示)。

图2 三线制接法

1.2 CPU模块

本模块选用AD公司生产的数据采集和处理系统芯片ADuC848单片机作为此测控单元的微处理器。ADuC848是一个SOC系统，内部具有与8051兼容的内核，最大工作频率为12.58 MHz，3个16位定时器和(或)计数器，32条可编程I/O口线，端口3具有高电流驱动能力，9个中断源，并有2个优先级。芯片中集成有62 K字节闪速和(或)电擦除程序存储器，4 K字节闪速和(或)电擦除数据存储器，片内充电泵(不需要外部Vpp)；16 M字节外部数据地址空间，64 K字节外部程序地址空间。在电源方面，芯片可用3 V或5 V供电，并有正常、空闲和掉电3种工作方式。ADuC848正常工作电流≤4.8 mA。设置为掉电工作模式，则工作电流仅为20 uA。集成有：UART输入和(或)输出口，双线(I2C兼容)和SPI串行I/O口，看门狗定时器和电源监控电路。数据采集模块选择ADuC848自带的8通道、高精度、输入缓冲、可编程增益、最大采样率可达1.3 kHz的16位∑-△ADC[8-10]。

1.3 液晶显示模块

本系统中液晶显示压力、流量、温度、湿度和大气压5类参数，信息量比较大，因此选用清华蓬远的240×128点阵图形液晶显示模块MGL(S)-240128E，内带SED1332控制器，功能强大，可实现图形与文本的混合编排，配有背光功能，保证了仪器的全天候工作。SED1332与ADuC848的接口框图如图3所示。

图3 ADuC848与SED1332接口框图

1.4 数据存储器模块

本检测装置的存储器须具有非易失性，而且存储器的容量要足够的大。因此选用了ATMEL公司的AT29C256，他是一种闪烁存储器，其容量为256 K字节，待机功耗与ROM相当，同时又提供了字节写入能力，接法与同容量的SRAM相似，可擦写次数达10万次以上。与ADuC848的接口如图4所示。

图4 MCU与AT29C256接口框图

2 多参数检测仪DuC848固件编程

整个单片机的软件开发使用Keil C编程软件完成，并通过U-PDC通用编程器完成程序下载，使用非常简便、快捷。

ADuC848初始化后，系统等待用户按键，读到有按键后即进入相应的子程序，分别对差动压力、大气压力、气体流量、温度和相对湿度5种参数进行处理。其程序的流程如图5所示。

图5 系统工作流程图

3 多参数检测仪测试参数误差

便携式多参数检测仪研制完毕后，需要用标准器对其测量的参数进行误差测试。分别选用力学计量总站的数字压力计、流量标准装置及温湿度标准装置对差动压力、流量、温度和湿度4类参数进行测试，结果见表2。

表2 被测参数误差

4 结语

便携式多参数检测仪体积小、测量精度高、携带方便，采用稳压电源供电，全中文界面，操作简便，所有的功能均可通过240×128点阵图形LCD显示屏上的显示进行设置，所测量的技术参数指标与国外同类仪器相比毫不逊色，完全可替代国外同类仪器。他的研制成功为医疗以及工业设备提供了高精度、高性能、快捷方便的测试和计量手段。

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