单片机控制多普勒血流计系统的设计和实现

摘要：激光多普勒血流计是微循环研究中用于测定组织、微区血流灌注流量、微循环状态的仪器。利用多普勒移动分量来测定血细胞流量，是一种非损伤、快速、连续、直接测量组织微区灌流量的新方法，对医学研究有重要意义。本文主要介绍了利用多普勒现象设计的激光多普勒血流计，论述了用51单片机实现的新方法和新措施。
关键词：多普勒血流计；微血管灌流量；数字滤波器；激光

0 引言
    多普勒血流计的出现标志着在微血管灌流方面取得重大进步。本设计采取双通道装置拾取多普勒信号，有效地抑制噪声信号，采用单片机来对信号进行控制及处理，既简化了电路，又有助于信号的处理及读取。运用12位的AD574A不但提高了信号精度，利用其双极性，也省去了以往信号处理中复杂的乘方、开方电路或绝对值电路。通过四位LED显示，直观、准确地读取血细胞灌流量的瞬时相对定量值，可精确到小数点后两位。并同时配有扬声器来形象表示信号的强弱和变化。还可通过绘图仪，对信号进行长时间检测、记录，以便研究和分析。

1 系统总体方案
    系统组成框图如图1所示。系统工作时，从激光探头发射出一束激光照射到组织上，并穿透组织形成一个半径为1mm的半球，半球中心在探头处。所有穿过该区域的血细胞会反射回部分光线，造成光线的多普勒移动，移动的强度和频率与穿过该区域的血细胞数量和速度有关，与其方向无关(灌流量定义为：血细胞灌流量=测量区域的血细胞量×细胞的平均速度)。部分反射回来的光由双路激光探头拾取，经光电转换器将光信号转换为反映血细胞灌流量大小的电信号。该电信号经一系列电学及数据处理后，利用51单片机控制数码管显示血流灌流量相对量
的大小，驱动绘图仪描记灌流量，控制扬声器发出反映灌流量大小的声音。



2．硬件技术方案
2．1 信号处理电路的设计
    信号处理电路是利用光纤将低功率激光传到探头，当探头放置在组织上时，被照射到的直径约1mm的半球区中运动的血红细胞将使光被重复的反射、折射，这些被反射、折射的复合光因血红细胞的移动发生了多普勒频率移动并有一部分散射回组织表面，进入两根对称的接收光导纤维。通过这两根对称馈送光纤传送给两个光电三极管进行光电转换，就可以把可知频率的多普勒信号展宽并检测出来。再经过放大、滤波、归一化处理即可滤出低频噪声及直流成分。由于两路多普勒信号是差模信号，所以经过差分放大器后，环境噪声、电网噪声、激光噪声将被大大抑制。再经信号处理单元进一步滤波、放大、补偿平滑后即可提取出正比于血细胞灌流量的电压信号。信号处理电路具体框图见图1的A／D转换前面部分。
    5G28是单片机相容输入阻抗集成运放，具有高输入阻抗及高转换速度的特点，广泛用于微电流的放大。因此，前置放大器、2KHz高通滤波器和7KHz低通滤波器均采用5G28。
    F007是单片机单增益运算放大器，它不需要外围频率补偿，有很高的共模和差模输入电压范围，因此积分器选用这个放大器。积分器时间常数和增益的改变，采用4066由单片机控制。
    由于传感器经光敏三极管转换的信号比较弱而且其中包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大选用AD521。AD521具有高输入阻抗，低失调电流，高共模抑制比特点，其增益可在O．1～1000之间调整，各种增益参数已进行了内部补偿，具有输入输出保护功能，有较强的过载能力。在使用中采用变压器耦合，通过调节外界电阻改变增益。
2．2 单片机控制电路部分硬件的设计
    综合考虑系统的实际功能和要求，本系统选用AT89S52作为控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程 Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
    根据设计指标的精度要求，采用12位逐次逼近型快速AD574A转换器，其转换精度≤0．05％，可满足0．5％的设计精度要求。其转换速度最大为 35us，因为血细胞流量速度约为0．1ms，所以信号变换缓慢，并加有积分器，无须再加其它采样保持器。根据采样原理，每个信号周期采样十次即可，这里采用中速转换器就能满足要求。综合考虑速度、精度及性能价格比，A／D转换器采用AD574A，实现由模拟量到数字量的转换，以便于采用微机去控制显示、驱动打印。
    D／A转换器，采用DAC0832。在本系统中DAC0832构成程控增益放大器，通过改变数字量来改变模拟量的输出，实现对扬声器声音的多级控制。
    由于系统中扩展了绘图仪进行长时间监测，而绘图仪的打印速度与需打印的数据的输出速度不匹配。因此，采用RAM6264来储存这些数据。
    采用74LS164作为键盘的串行接口，利用各个键的不同功能实现对仪器的总体控制，使操作一目了然。
    显示控制驱动接口电路使用MC14499，该芯片为20位移位寄存器。实现控制信号输出并实现电平转换，保证有足够的信号驱动能力。使用MC14499对数码管进行动态扫描，使用硬件少、占用CPU时间短、电路简单、耗电少。
    PP40绘图仪，用于绘制循环的相对灌流量曲线，采用74LS373作为数据缓冲寄存器，解决打印与微机的不同步。
    为了便于观察信号变化，对信号采用不同时间常数的积分以及不同的增益。为了切换这些不同的积分增益，该系统中采用了双四路模拟开关4066，并外接74LS373锁存输入数据。不同的开关闭合时，接通不同的电阻，形成不同的积分常数和增益倍数。

3 软件设计
    根据系统功能和硬件实际情况，软件要实现控制数据采集及对采集量进行A／D转换、数字滤波、键盘扫描和处理、控制模拟开关进行积分时间和增益的选择、打印控制、音量控制和数据显示控制等。软件采用模块化设计思路，从整体到局部，从上到下进行设计。主程序流程图如图3．1所示。



4 结束语
    采用多普勒现象测定组织微区血流灌流量在基础研究和临床应用中具有很高的实用价值。本文给出了采用单片机控制，利用多普勒现象测定组织微区血流灌流量的方法。该系统通过测定组织微区血流灌流量，衡量微循环状态，判断肌体生理功能变化，为外科手术提供了方便，对内科、医理学、麻醉学、骨科、儿科都有一定帮助。