医院人体生理数据采集设备调试仪的设计

2019-12-27吕良梁诗弋张栲考

现代仪器与医疗 2019年6期

吕良梁诗弋张栲考

重庆市妇幼保健院信息科，重庆 400021

医院的数据采集类设备采集力、温度、湿度、生物电等数据[2]。目前，美国、德国和日本生产的该类设备技术先进、分辨率高、性能可靠，在电路设计、开发和生产流程中采用了先进的工艺和方法，使用的元器件性能优良，掌握开发数据采集类设备的关键技术。国内医院数据采集类设备的整体质量与发达国家相比还有一定差距[3]。

医院数据采集类设备包括硬件系统和软件系统[4]。硬件系统包括传感器、数据保持电路、数据放大系统、AD转换器、数据存储器、微处理器、数据显示、通信、键盘、电源电路等模块；系统软件包括数据采集、滤波、数据处理、数据显示、键盘查询与处理、数据通信等模块[5]。像红外、压力、温度、电极等传感器输出的信号是模拟电压量，经数据保持电路、仪表放大器，将电压信号放大到AD转换器输入电压的有效范围，经模拟/数字转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）转换为数字量，微处理器对采集到的数据进行滤波、数据处理和变换后送显示系统，显示器和键盘实现人机交互。

传统的设备开发工艺流程包括：1）市场需求调研；2）总体设计；3）样机设计（设计和调试电路、系统软件，系统统调）；4）现场测试、老化试验；5）定制新产品的工艺流程，按照样机复制出新产品，进行质检等。传统的流程产品的开发周期过长，过程3耗时最长，是开发新产品中关键环节，这个过程的关键技术是调试仪表放大器和ADC的线性度、测量满量程输出时加载在传感器IC0上负载值、测试IC0空载时ADC输出的数字量、通过改变仪表放大器耦合电阻值和反馈电阻值改变仪表放大器的放大倍数、建立IC0测量的物理量和输出模拟电压量的函数关系、模拟电压值和ADC输出对应的数字量值之间的关系[6]。人工调试多批次产品参数的一致性差。本研究设计一种仪器取代人工，完成人体生理数据采集设备的校验、调零等过程，缩短开发周期，提高质量。

人体生理数据采集设备调试仪应具备的功能包括：1）在量程范围内，自动检测传感器输出有效电压范围，零点校验，自动定标；2）建立传感器的输入物理量和输出模拟电压之间的数学关系[7]；3）自动检测仪表放大器电路的线性区间；4）自动配置仪表放大器电路的电阻值，设置放大倍数[8]；5）建立仪表放大器输出模拟电压值与AD输出数字量值之间的关系[9]。

1 调试仪的总体设计

调试仪分为电路设计和软件设计2个部分。

1.1 电路设计

系统电路原理图如图1所示。在图1中有3个虚线框，分别标定为IC1、IC2、IC3，是型号为X9241的数字电位器，每个芯片中有4个数字电位器POT0、POT1、POT2、POT3，IC2的POT0、POT1、POT2分别用R2、R1、R3表示，IC3中的POT0、POT1、POT2、POT3分别用R6、R4、R5、R7表示，H1、H2、H3分别表示IC1、IC2、IC3的控制和数据寄存器。图1中的 K1-K8由型号为HD74HC4066的电子模拟开关IC7、IC8芯片组成，IC7内部由K1-K4组成，in1-in4、out1-out4、control1-control4分别是K1-K4的输入端、输出端、控制端；IC8内部由K5-K8组成，in5-in8、out5-out8、control5-control8分别是K5-K8的输入端、输出端、控制端。将其中的IC1、IC2、IC3换成一般电阻，去掉IC7、IC8，正常连接IC0，A1、A2、A3、IC、IC5、键盘和显示器就是医院人体生理数据采集设备的电路。

传感器IC0的+S、-S分别接IC8的11、8脚；IC8的5、13、6、12脚分别接IC5的P4.3、P4.2、P4.1、P4.0脚，通过IC5选择IC0的+S和-S脚之间或芯片IC1的6和18脚之间输出的信号中的1路送LM324组成的仪表放大器。IC3与A3连接，两级放大器A1、A2、A3组成仪表放大器[10]。IC4是型号为AD7712AN的AD，设置AD7712AN中控制寄存器G2G1G0=000，ADC增益为1。IC5是型号为STC15F2KS2的微处理器，控制IC4进行数据转换，IC4转换后的数字量送IC5进行数据处理，处理结果通过IC9送IC10显示。IC6的型号是LM324，有4个运算放大器A1、A2、A3、A4；IC2、A1、A2组成一级放大器。

运算放大器线性校准引脚ZC-1,ZC-2,ZC-3分别接IC5的P1.7、P1.6、P3.3，为有线性校正引脚的芯片预留插孔。IC5的P3.4通过非门D接P3.2，用于软硬件中断转换，IC5的P3.0、P3.1接MAX485，实现与PC机通信。图1的电路中，用不同型号芯片IC代换时，引脚数和引脚定义不同，需要设计引脚转换插座。

1.2 系统软件设计

图1 自动化调试仪电路原理图

系统软件主要包括系统初始化、系统线性测试、调整仪表放大器放大倍数、数据处理、人机交互等模块。图2是自动化调试的核心软件流程图，系统初始化后，第一步检测ADC线性度，第二步设置仪表放大器的放大倍数，第三步检测仪表放大器线性度，第四步数据拟合[11]。图3是控制电位器的软件结构图，图3中，(1)是4个数字电位器POT0、POT1、POT2、POT3 控制程序流程。IC10是电位器控制参数计算子程序。IC11是9241中四个电位器子的读写程序，IC12是9241四个电位器中一个电位器读写子程序。IC10调用IC11，IC11调用IC12。

2 检测与调试

2.1 ADC检测

IC4是ADC芯片，参考芯片IC4用户手册，手册中有标定输入电压最小值Ua0和最大值Uaz。定义空载时U12w=Uaa0，满量程时U12w=Uaaz。

2.1.1 ADC输出范围测量调用图3中IC10、IC11、IC12，计算出x0、x1、x2、x3值并分别写入IC1中4个电位器的WCR，使U12w=Ua0，U12w=Uaz，将Ua0、Uaz送IC4的7、8脚，ADC输出y0、yz。保存Ua0、y0、Uaz、yz的值。

2.1.2 ADC线性度检测 Ua1=(Uaz-Uao)/4+Uao；Ua2=(Uaz-Uao)/2+Ua1；Ua3=(Uaz-Ua2)*3/4+Ua2。采用2.1方法使U12w分别等于Ua1、Ua2、Ua3，将计算出的值送ADC输入端，ADC输出y1、y2、y3，保存Ua1、Ua2、Ua3、y1、y2、y3。分别计算（Uaz-Ua0）/(yz-y0)的值。在允许误差范围内判断ADC的线性度。

2.2 仪表放大器放大倍数设定

循环调节R2、R3值使R2=R3，循环调节R6、R7值使R6=R7，至IC4输出ym＜=yz且ym接近于yz，计算仪表放大器放大倍数ki=R6/R4×(1+2×R2/R1)。IC4输入Ua0、Uaz时对应输出分别是y0、yz。对应空载和满载输入时，IC4分别输出yn、ym。

图2 核心软件流程图

图3 控制电位器的软件结构图

2.2.1 ym值将满量程被测物加载在IC0，选择图1中R1=1K、R4=R5=1K固定，初值R2=R3=1K、R6=R7=1K，设Rm=63K。计算IC2中x1=QT0=int((R1/Rm)×64)、x0=x2=QU0=int((R2/Rm)×64)初值，将x0、x1、x2分别写入IC2中对应电位器的WCR。保持x1=QT0不变。计算IC3中x1=x2=QW0=int((R4/Rm)×64)、x0=x3=QE0=int((R6/Rm)×64)初值，将x0、x1、x2、x3分别写入IC3中的WCR。保持x1=x2=QW0不变。交替调节IC2的x0、x2 和IC3的x0、x3：即第n次调节IC2中x0=x2=QU0+n。IC3中x0=x3=QE0+n。重复调节，直到ADC输出的数字量值ym满足ym＜=yz且ym接近于yz时停止调节。按照图3流程，读出、计算并保存IC2中R1、R2、R3和IC3中R4、R5、R6、R7值，保存ym值，计算ki=R6/R4×(1+2×R2/R1)。

2.2.2 yn值使IC0空载，保持IC2中R1、R2、R3和IC3中R4、R5、R6、R7值不变，记录空载时ADC输出的数字量值yn，计算并保存yn。

2.3 仪表放大器线性度检测

取Ux1=(Uaaz-Uaa0)/4+Uaa0。调用图3中的IC10、IC11和IC12，计算出x0、x1、x2、x3值并分别写入IC1中4个电位器的WCR，使U12w=Ux1，将Ux1送IC4的7、8脚，ADC输出yx1。保存Ux1和yx1。

循环计算Ux2=(Uaaz-Uaa0)*2/4+Uaa0。Ux3=(Uaaz-Uaa0)*3/4+Uaa0。Ux4=Uaaz值，依次循环把Ux2、Ux3、Ux4中的一个送U12w，ADC依次对应输出yx2、yx3、yx4，再依次保存Ux2、yx2，Ux3、yx3，Ux4、yx4。

依次计算(Ux4-Ux1)/(yx4-yx1)、(Ux4-Ux2)/(yx4-yx2)、(Ux4-Ux3)/(yx4-yx3)值，判断这3个值是否在误差允许的范围内，再判断在误差允许的范围内仪表放大器的线性度[12]。

2.4 数据拟合

使IC8的8、11脚分别与9、10脚连接，IC0的+S、-S信号分别送IC6的3、5脚。IC7的8、11脚分别与9、10连接，使IC6的8脚、-V OR GND分别连接IC4的7、8脚。

选择若干个被测物理量的标准件或标准参照值w，IC4对应输出若干个y值，得到一组实验数据，采用数学方法建立被测物理量w与测量值y之间的数学关系w=f(y)，编程并写入存储器。

3 实验验证

对传感器IC0、运放LM324、R1～R7、AD7712AN等医院数据采集设备的关键器件进行自动化配置，测量和调试了系统的技术参数，对设计的样机调试完毕后，制定工艺流程，复制样机的电路和软件，调试器件替换成定制器件，去掉IC1。采用设计的医院人体生理数据采集设备调试仪进行数据采集，对有标定值的被测标准件进行测量，6次试验的数据如表1。