基于51單片機(jī)的多普勒血流計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

激光多普勒血流計(jì)是微循環(huán)研究中用于測(cè)定組織、微區(qū)血流灌注流量、微循環(huán)狀態(tài)的儀器。利用多普勒移動(dòng)分量來(lái)測(cè)定血細(xì)胞流量，是一種非損傷、快速、連續(xù)、直 接測(cè)量組織微區(qū)灌流量的新方法，對(duì)醫(yī)學(xué)研究有重要意義。本文主要介紹了利用多普勒現(xiàn)象設(shè)計(jì)的激光多普勒血流計(jì)，論述了用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的新方法和新措施。

多普勒血流計(jì)的出現(xiàn)標(biāo)志著在微血管灌流方面取得重大進(jìn)步。本設(shè)計(jì)采取雙通道裝置拾取多普勒信號(hào)，有效地抑制噪聲信號(hào)，采用單片機(jī)來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制及處理，既簡(jiǎn)化了電路，又有助于信號(hào)的處理及讀取。運(yùn)用12位的AD574A不但提高了信號(hào)精度，利用其雙極性，也省去了以往信號(hào)處理中復(fù)雜的乘方、開(kāi)方電路或絕對(duì)值電路。通過(guò)四位LED顯示，直觀、準(zhǔn)確地讀取血細(xì)胞灌流量的瞬時(shí)相對(duì)定量值，可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。并同時(shí)配有揚(yáng)聲器來(lái)形象表示信號(hào)的強(qiáng)弱和變化。還可通過(guò)繪圖儀，對(duì)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)、記錄，以便研究和分析。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，從激光探頭發(fā)射出一束激光照射到組織上，并穿透組織形成一個(gè)半徑為1mm的半球，半球中心在探頭處。所有穿過(guò)該區(qū)域的血細(xì)胞會(huì)反射回部分光線，造成光線的多普勒移動(dòng)，移動(dòng)的強(qiáng)度和頻率與穿過(guò)該區(qū)域的血細(xì)胞數(shù)量和速度有關(guān)，與其方向無(wú)關(guān)(灌流量定義為：血細(xì)胞灌流量=測(cè)量區(qū)域的血細(xì)胞量×細(xì)胞的平均速度)。部分反射回來(lái)的光由雙路激光探頭拾取，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映血細(xì)胞灌流量大小的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)一系列電學(xué)及數(shù)據(jù)處理后，利用51單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示血流灌流量相對(duì)量
的大小，驅(qū)動(dòng)繪圖儀描記灌流量，控制揚(yáng)聲器發(fā)出反映灌流量大小的聲音。

2．硬件技術(shù)方案

2．1 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當(dāng)探頭放置在組織上時(shí)，被照射到的直徑約1mm的半球區(qū)中運(yùn)動(dòng)的血紅細(xì)胞將使光被重復(fù)的反射、折射，這些被反射、折射的復(fù)合光因血紅細(xì)胞的移動(dòng)發(fā)生了多普勒頻率移動(dòng)并有一部分散射回組織表面，進(jìn)入兩根對(duì)稱(chēng)的接收光導(dǎo)纖維。通過(guò)這兩根對(duì)稱(chēng)饋送光纖傳送給兩個(gè)光電三極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，就可以把可知頻率的多普勒信號(hào)展寬并檢測(cè)出來(lái)。再經(jīng)過(guò)放大、濾波、歸一化處理即可濾出低頻噪聲及直流成分。由于兩路多普勒信號(hào)是差模信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)差分放大器后，環(huán)境噪聲、電網(wǎng)噪聲、激光噪聲將被大大抑制。再經(jīng)信號(hào)處理單元進(jìn)一步濾波、放大、補(bǔ)償平滑后即可提取出正比于血細(xì)胞灌流量的電壓信號(hào)。信號(hào)處理電路具體框圖見(jiàn)圖1的A／D轉(zhuǎn)換前面部分。

5G28是單片機(jī)相容輸入阻抗集成運(yùn)放，具有高輸入阻抗及高轉(zhuǎn)換速度的特點(diǎn)，廣泛用于微電流的放大。因此，前置放大器、2KHz高通濾波器和7KHz低通濾波器均采用5G28。

F007是單片機(jī)單增益運(yùn)算放大器，它不需要外圍頻率補(bǔ)償，有很高的共模和差模輸入電壓范圍，因此積分器選用這個(gè)放大器。積分器時(shí)間常數(shù)和增益的改變，采用4066由單片機(jī)控制。

由于傳感器經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換的信號(hào)比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調(diào)電流，高共模抑制比特點(diǎn)，其增益可在O．1～1000之間調(diào)整，各種增益參數(shù)已進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，具有輸入輸出保護(hù)功能，有較強(qiáng)的過(guò)載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過(guò)調(diào)節(jié)外界電阻改變?cè)鲆妗?br />
2．2 單片機(jī)控制電路部分硬件的設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)際功能和要求，本系統(tǒng)選用AT89S52作為控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的精度要求，采用12位逐次逼近型快速AD574A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換精度≤0．05％，可滿足0．5％的設(shè)計(jì)精度要求。其轉(zhuǎn)換速度最大為 35us，因?yàn)檠?xì)胞流量速度約為0．1ms，所以信號(hào)變換緩慢，并加有積分器，無(wú)須再加其它采樣保持器。根據(jù)采樣原理，每個(gè)信號(hào)周期采樣十次即可，這里采用中速轉(zhuǎn)換器就能滿足要求。綜合考慮速度、精度及性能價(jià)格比，A／D轉(zhuǎn)換器采用AD574A，實(shí)現(xiàn)由模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以便于采用微機(jī)去控制顯示、驅(qū)動(dòng)打印。
D／A轉(zhuǎn)換器，采用DAC0832。在本系統(tǒng)中DAC0832構(gòu)成程控增益放大器，通過(guò)改變數(shù)字量來(lái)改變模擬量的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)揚(yáng)聲器聲音的多級(jí)控制。

由于系統(tǒng)中擴(kuò)展了繪圖儀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，而繪圖儀的打印速度與需打印的數(shù)據(jù)的輸出速度不匹配。因此，采用RAM6264來(lái)儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)。

采用74LS164作為鍵盤(pán)的串行接口，利用各個(gè)鍵的不同功能實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的總體控制，使操作一目了然。

顯示控制驅(qū)動(dòng)接口電路使用MC14499，該芯片為20位移位寄存器。實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)輸出并實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，保證有足夠的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。使用MC14499對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，使用硬件少、占用CPU時(shí)間短、電路簡(jiǎn)單、耗電少。

PP40繪圖儀，用于繪制循環(huán)的相對(duì)灌流量曲線，采用74LS373作為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，解決打印與微機(jī)的不同步。

為了便于觀察信號(hào)變化，對(duì)信號(hào)采用不同時(shí)間常數(shù)的積分以及不同的增益。為了切換這些不同的積分增益，該系統(tǒng)中采用了雙四路模擬開(kāi)關(guān)4066，并外接74LS373鎖存輸入數(shù)據(jù)。不同的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，接通不同的電阻，形成不同的積分常數(shù)和增益倍數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能和硬件實(shí)際情況，軟件要實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集及對(duì)采集量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、鍵盤(pán)掃描和處理、控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行積分時(shí)間和增益的選擇、打印控制、音量控制和數(shù)據(jù)顯示控制等。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，從整體到局部，從上到下進(jìn)行設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖3．1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用多普勒現(xiàn)象測(cè)定組織微區(qū)血流灌流量在基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文給出了采用單片機(jī)控制，利用多普勒現(xiàn)象測(cè)定組織微區(qū)血流灌流量的方法。該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定組織微區(qū)血流灌流量，衡量微循環(huán)狀態(tài)，判斷肌體生理功能變化，為外科手術(shù)提供了方便，對(duì)內(nèi)科、醫(yī)理學(xué)、麻醉學(xué)、骨科、兒科都有一定幫助。