基于单片机的冠状窦血流量测量三通道数据采集系统
作者：李 吉 吉 樊英杰 陈光杰
单位：第一军医大学 (510515)
关键词：冠状窦血流量；单片机；数据采集
中国医疗器械杂志990403 提要 根据热稀释法血流量测量原理，测得血液、指示剂和血液与指示剂混合物三个温度，便可根据公式计算出血流量。本系统为带有单片微型计算机的智能化模块。详细介绍了系统的硬件组成、工作原理与软件流程。
3-Channels Data Acquisition System Based on Single-Chip-Microcomputer Used
in the Measurement of Coronary Sinus Blood Flow
in the Measurement of Coronary Sinus Blood Flow
, http://www.100md.com
Li Zhe Fan Yingjie Chen Guangjie
the First Military Madical Univerity
ABSTRACT The coronary sinus blood flow can be figured out,which based on the principle of thermodilution,so long as gets the temperature of blood、indicator and mixture of blood and indicator respectively.This system is a smart slave module with single-chip-microcomputer.The structure and principles of hardware and the flow chart of software are described in detail.
, 百拇医药
KEY WORDS Coronary Sinus Blood Flow Single-Chip-Microcomputer Data Acquisition
1 测量原理与冠状窦导管(温度传感器)结构
1.1 测量原理
指示剂与血液混合过程示意图如图1所示。假定注射点与检测点由血液、指示剂以及混合物在血管内组成的系统中热量不损失，因此，血液释放的能量等于指示剂得到的能量。
图1 指示剂与血液混合示意图
FB和FI分别代表参加混合的血液和指示剂的容量(单位ml)，TB、TI和TM分别代表血液、指示剂和血液与指示剂混合物的温度(单位℃)，SB、SI分别代表血液和指示剂的密度(单位g/cm3)；CB、CI分别表示血液和指示剂的比热(单位cal/g/℃)。血液和指示剂之间的热交换过程用公式表示如下：
, http://www.100md.com
(FB)(SB)(CB)(TB-TM)
=(FI)(SI)(CI)(TM-TI)
从而有
上式中SI×CI/SB×CB为常数，因此，只要求出TB、TI和TM便可计算出血流量。
1.2 冠状窦导管(CSC)
, 百拇医药
冠状窦导管的形状如图2所示，导管总长度为100cm，外径为2.3mm，内径为1mm。
为了方便导管插入冠状窦内做成此形状，表面热敏电阻用来感知注射指示剂前血液的温度(TB)和注射指示剂过程中血液与指示剂混合物的温度(TM)，内部热敏电阻用来测量血液与指示剂刚刚混合之前一时刻的温度(TI)。
图2 冠状窦导管结构示意图
图3 系统硬件结构原理框图
2 系统的硬件设计
系统硬件结构原理框图如图3所示。它主要包括传感器桥式测量电路、模拟放大与滤波、A/D转换与单片机接口、移位寄存器、总线发送接收器和总线发送接收器与PC机三总线接口电路。
, 百拇医药
传感器电路采用桥式测量电路，血液、指示剂及血液与指示剂的混合物的温度对应不同的电压值，电压经仪用放大器AD620放大到适当值及由滤波电路滤波后，接入高精度12位A/D转换器MAX191，转换后各数据位与AT89C51的I/O口相连，利用单片机的串行口方式0，从TXD管脚以串行方式输出数据，从RXD管脚输出同步移位脉冲，数据与时钟信号经光电耦合器件耦合到同步移位寄存器，实现串一并行转换，各数据线经总线驱动器74LS245与PC机数据总线相连。端口地址由地址译码器译码PC机地址总线而得到。
由于测量时需将冠状窦导管(温度传感器)插入心脏冠状窦内，为安全起见，必须在电路中进行电器隔离，同时隔离部分电路的电源由DC/DC隔离电源模块提供；为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到浮置电路部分，电路中采用光电耦合器件进行隔离。另外，流过热敏电阻的电流应小于20μA，远低于心脏对电流的最小敏感阈值，以保证受测者的绝对安全。
信号放大采用AD公司生产的高精度仪用放大器AD620，由于其内部采用了超β结构、差分双极性输入方式，使电路具有较高的输入阻抗、低噪声和高共模抑制比。在低频使用时，其噪声水平仅0.28μVPP，输入阻抗可高达10MΩ，共模抑制比可达140dB。另外，AD620的增益公式为：G=(49.4kΩ/Rg)+1，通过外接电阻Rg可方便地调节放大器的增益。
, http://www.100md.com
A/D转换器采用Maxim公司生产的单片、CMOS、12位ADC MAX191，其特点是具有差分输入端，跟踪保持电路，内部电压基准，内部或外部时钟及并行或串行微处理器接口。变换时间为7.5μS，采样时间为2μS，采样速率可保证达到100Ksps。在并行方式中，模数变换由
、
和HBEN等输入端控制。当HBEN为低电平时，在和的下降沿，跟踪/保持电路进入保持方式，并启动一次变换。变换一开始到变换结束前，
为低电平。变换结束后，为高电平，并将变换结果锁存入三特输出缓冲器。12位数据以两个8位读字节方式输出。当HBEN为低电平时，低8位数据出现在输出端D7—D0数据线上；当HBEN为高电平时，高4位出现在D2—D0数据线上，D7—D4端是4个低电平的前导位。
, 百拇医药
为了节省所用光电耦合器件的数量，减少数据传输误差，单片机串行口以方式0传输12位数据。在方式0状态下，串行口为同步移位寄存器方式，其波特率固定为fosc/12，数据由TXD端输出，RXD端输出同步移位脉冲。值得注意的是：串行口方式0下输出数据的特点是低位在先，高位在后。因此，同步移位寄存器(CC4015)的数据线D0—D7依次与总线发送接收器(74LS245)的数据线D7—D0相连接。
89C51单片机具有丰富的高速I/O端口，除用来同A/D转换器的数据线相连外，还用来控制A/D转换器的启动、高字节和低字节数据输出，控制模拟开关进行通道选择，作为测量/校准状态标志，以便CPU利用查询指令判断是进行测量还是校准操作，从而发出相应的指令，作为A/D转换后数据缓冲区的数据是否被取走的标志。各控制端口的功能如下：
P1.1——选择通道1
P1.2——选择通道2
, http://www.100md.com
P1.3——选择通道3
P2.0——测量控制
P2.1——校准控制
P2.2——缓冲区数据取走标志
P2.3——测量/校准状态标志
P2.5——A/D转换结束状态标志()
P2.6——控制A/D的HBEN(高字节使能输入端)
P2.7——控制片选输入端
, 百拇医药 测量/校准状态标志位的触发电路、单片机复位触发电路分别作为PC机的一个端口，PC机CPU利用C语言可方便对端口进行各种操作，其端口地址由地址译码器决定。地址译码器由通用阵列逻辑器件GAL20V8根据端口地址编程而得。利用GAL器件的可编程和再编程能力，使得系统内硬件的功能可以象软件一样地被编程来配制，从而可以实时地进行灵活和方便的更改和开发。
系统的采样率由单片机89C51内定时/计数器T0设定，设定T0按16位加1计数器工作于方式1，装入时间常数的大小决定采样率的大小。计数为零时能自动向CPU发出溢出中断请求，但若要它再次计数，CPU必须在其中端服务程序中为它重装初值。
3 软件设计
软件的设计与系统所要完成的任务有关。本系统的功能就是依次把三个通道采集的数据放入数据缓冲区中，等待PC机读取。PC机取走数据后，置位缓冲区数据取走标志位D14，通过光耦隔离后，置位缓冲区数据取走标志P2.2，单片机根据P2.2的值决定是否进行下次A/D转换。主程序和中断服务子程序流程图如图4、图5所示。
, 百拇医药
图4 主程序流程图 图5 T0中断服务程序流程图4 结论
本数据采集系统已成功地应用于自行研制的智能冠状窦血流速度测量仪中，从临床使用情况来看，本数据采集系统工作性能稳定、重复性好、隔离可靠，能充分确保受测者的安全。电路稍加改进，适当设置采样率就可应用于生物电数据采集和其它频率较底的信号采集。另外，设计印刷电路板时，正确的系统接地是确保各项性能的关键，要注意变换器前后两组电源的连接、光电耦合器件激励端与输出端电源与DC—DC前后两端电源与接地的正确连接、光耦合前模拟地与数字地的分离，以及只在A/D转换器的数字地与模拟地一点接地等。
参 考 文 献
1.Ganz W,et al.Measurement of Coronary Sinus Blood Flow by Continuous Thermodilution in Man.Circulation 44:181-94,1971
2.Bagger JP.Coronary sinus blood determine by the thermodilition technique:influence of catheter position and respiration.Cardiovasc Res.1984;19:27-31.
3.齐颂扬.医学仪器.北京；高等教育出版社.1990
4.胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.1996
(1998年8月4日收稿), 百拇医药
单位：第一军医大学 (510515)
关键词：冠状窦血流量；单片机；数据采集
中国医疗器械杂志990403 提要 根据热稀释法血流量测量原理，测得血液、指示剂和血液与指示剂混合物三个温度，便可根据公式计算出血流量。本系统为带有单片微型计算机的智能化模块。详细介绍了系统的硬件组成、工作原理与软件流程。
3-Channels Data Acquisition System Based on Single-Chip-Microcomputer Used
in the Measurement of Coronary Sinus Blood Flow
in the Measurement of Coronary Sinus Blood Flow
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Li Zhe Fan Yingjie Chen Guangjie
the First Military Madical Univerity
ABSTRACT The coronary sinus blood flow can be figured out,which based on the principle of thermodilution,so long as gets the temperature of blood、indicator and mixture of blood and indicator respectively.This system is a smart slave module with single-chip-microcomputer.The structure and principles of hardware and the flow chart of software are described in detail.
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KEY WORDS Coronary Sinus Blood Flow Single-Chip-Microcomputer Data Acquisition
1 测量原理与冠状窦导管(温度传感器)结构
1.1 测量原理
指示剂与血液混合过程示意图如图1所示。假定注射点与检测点由血液、指示剂以及混合物在血管内组成的系统中热量不损失，因此，血液释放的能量等于指示剂得到的能量。
图1 指示剂与血液混合示意图
FB和FI分别代表参加混合的血液和指示剂的容量(单位ml)，TB、TI和TM分别代表血液、指示剂和血液与指示剂混合物的温度(单位℃)，SB、SI分别代表血液和指示剂的密度(单位g/cm3)；CB、CI分别表示血液和指示剂的比热(单位cal/g/℃)。血液和指示剂之间的热交换过程用公式表示如下：
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(FB)(SB)(CB)(TB-TM)
=(FI)(SI)(CI)(TM-TI)
从而有
上式中SI×CI/SB×CB为常数，因此，只要求出TB、TI和TM便可计算出血流量。
1.2 冠状窦导管(CSC)
, 百拇医药
冠状窦导管的形状如图2所示，导管总长度为100cm，外径为2.3mm，内径为1mm。
为了方便导管插入冠状窦内做成此形状，表面热敏电阻用来感知注射指示剂前血液的温度(TB)和注射指示剂过程中血液与指示剂混合物的温度(TM)，内部热敏电阻用来测量血液与指示剂刚刚混合之前一时刻的温度(TI)。
图2 冠状窦导管结构示意图
图3 系统硬件结构原理框图
2 系统的硬件设计
系统硬件结构原理框图如图3所示。它主要包括传感器桥式测量电路、模拟放大与滤波、A/D转换与单片机接口、移位寄存器、总线发送接收器和总线发送接收器与PC机三总线接口电路。
, 百拇医药
传感器电路采用桥式测量电路，血液、指示剂及血液与指示剂的混合物的温度对应不同的电压值，电压经仪用放大器AD620放大到适当值及由滤波电路滤波后，接入高精度12位A/D转换器MAX191，转换后各数据位与AT89C51的I/O口相连，利用单片机的串行口方式0，从TXD管脚以串行方式输出数据，从RXD管脚输出同步移位脉冲，数据与时钟信号经光电耦合器件耦合到同步移位寄存器，实现串一并行转换，各数据线经总线驱动器74LS245与PC机数据总线相连。端口地址由地址译码器译码PC机地址总线而得到。
由于测量时需将冠状窦导管(温度传感器)插入心脏冠状窦内，为安全起见，必须在电路中进行电器隔离，同时隔离部分电路的电源由DC/DC隔离电源模块提供；为了防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到浮置电路部分，电路中采用光电耦合器件进行隔离。另外，流过热敏电阻的电流应小于20μA，远低于心脏对电流的最小敏感阈值，以保证受测者的绝对安全。
信号放大采用AD公司生产的高精度仪用放大器AD620，由于其内部采用了超β结构、差分双极性输入方式，使电路具有较高的输入阻抗、低噪声和高共模抑制比。在低频使用时，其噪声水平仅0.28μVPP，输入阻抗可高达10MΩ，共模抑制比可达140dB。另外，AD620的增益公式为：G=(49.4kΩ/Rg)+1，通过外接电阻Rg可方便地调节放大器的增益。
, http://www.100md.com
A/D转换器采用Maxim公司生产的单片、CMOS、12位ADC MAX191，其特点是具有差分输入端，跟踪保持电路，内部电压基准，内部或外部时钟及并行或串行微处理器接口。变换时间为7.5μS，采样时间为2μS，采样速率可保证达到100Ksps。在并行方式中，模数变换由
、和HBEN等输入端控制。当HBEN为低电平时，在和的下降沿，跟踪/保持电路进入保持方式，并启动一次变换。变换一开始到变换结束前，为低电平。变换结束后，为高电平，并将变换结果锁存入三特输出缓冲器。12位数据以两个8位读字节方式输出。当HBEN为低电平时，低8位数据出现在输出端D7—D0数据线上；当HBEN为高电平时，高4位出现在D2—D0数据线上，D7—D4端是4个低电平的前导位。, 百拇医药
为了节省所用光电耦合器件的数量，减少数据传输误差，单片机串行口以方式0传输12位数据。在方式0状态下，串行口为同步移位寄存器方式，其波特率固定为fosc/12，数据由TXD端输出，RXD端输出同步移位脉冲。值得注意的是：串行口方式0下输出数据的特点是低位在先，高位在后。因此，同步移位寄存器(CC4015)的数据线D0—D7依次与总线发送接收器(74LS245)的数据线D7—D0相连接。
89C51单片机具有丰富的高速I/O端口，除用来同A/D转换器的数据线相连外，还用来控制A/D转换器的启动、高字节和低字节数据输出，控制模拟开关进行通道选择，作为测量/校准状态标志，以便CPU利用查询指令判断是进行测量还是校准操作，从而发出相应的指令，作为A/D转换后数据缓冲区的数据是否被取走的标志。各控制端口的功能如下：
P1.1——选择通道1
P1.2——选择通道2
, http://www.100md.com
P1.3——选择通道3
P2.0——测量控制
P2.1——校准控制
P2.2——缓冲区数据取走标志
P2.3——测量/校准状态标志
P2.5——A/D转换结束状态标志(
)P2.6——控制A/D的HBEN(高字节使能输入端)
P2.7——控制片选输入端
, 百拇医药 测量/校准状态标志位的触发电路、单片机复位触发电路分别作为PC机的一个端口，PC机CPU利用C语言可方便对端口进行各种操作，其端口地址由地址译码器决定。地址译码器由通用阵列逻辑器件GAL20V8根据端口地址编程而得。利用GAL器件的可编程和再编程能力，使得系统内硬件的功能可以象软件一样地被编程来配制，从而可以实时地进行灵活和方便的更改和开发。
系统的采样率由单片机89C51内定时/计数器T0设定，设定T0按16位加1计数器工作于方式1，装入时间常数的大小决定采样率的大小。计数为零时能自动向CPU发出溢出中断请求，但若要它再次计数，CPU必须在其中端服务程序中为它重装初值。
3 软件设计
软件的设计与系统所要完成的任务有关。本系统的功能就是依次把三个通道采集的数据放入数据缓冲区中，等待PC机读取。PC机取走数据后，置位缓冲区数据取走标志位D14，通过光耦隔离后，置位缓冲区数据取走标志P2.2，单片机根据P2.2的值决定是否进行下次A/D转换。主程序和中断服务子程序流程图如图4、图5所示。
, 百拇医药
图4 主程序流程图 图5 T0中断服务程序流程图4 结论
本数据采集系统已成功地应用于自行研制的智能冠状窦血流速度测量仪中，从临床使用情况来看，本数据采集系统工作性能稳定、重复性好、隔离可靠，能充分确保受测者的安全。电路稍加改进，适当设置采样率就可应用于生物电数据采集和其它频率较底的信号采集。另外，设计印刷电路板时，正确的系统接地是确保各项性能的关键，要注意变换器前后两组电源的连接、光电耦合器件激励端与输出端电源与DC—DC前后两端电源与接地的正确连接、光耦合前模拟地与数字地的分离，以及只在A/D转换器的数字地与模拟地一点接地等。
参 考 文 献
1.Ganz W,et al.Measurement of Coronary Sinus Blood Flow by Continuous Thermodilution in Man.Circulation 44:181-94,1971
2.Bagger JP.Coronary sinus blood determine by the thermodilition technique:influence of catheter position and respiration.Cardiovasc Res.1984;19:27-31.
3.齐颂扬.医学仪器.北京；高等教育出版社.1990
4.胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.1996
(1998年8月4日收稿), 百拇医药