設計了一種以微處理器Atmega163為核心，對人體多道生理參數進行實時采集和高速數據傳輸的電路，以此構成人體生理參數檢測儀，為醫生診斷病情提供依據。
??? 關鍵詞：微處理器，光電隔離，數據采集，串行通信

1　引　言
　　傳統的檢測儀器大多由硬件電路來完成，不僅功能單一，而且開發周期長，不易維護。隨著微電子技術和信息技術的高速發展，醫學檢測儀器正向組合式、多功能、智能化和微型化方向發展。現代數字部件的快速發展為醫學檢測儀提供了強有力的支持，醫學檢測儀器都無一例外地采用了微處理器來增強其功能。廣泛地應用微處理器芯片能增強儀器的智能化程度，提高其穩定性和數據處理的精確性，使醫學信號的采集、處理、通信一體化，并具有自診斷、自校驗等一系列優點。
　　ATMEL公司新推出的AT90系列AVR單片機是很引人注目的一款微處理器。這種芯片基于新的RISC（Reduced Instruction Set Computer）結構，在設計上采用了流水線的結構，在執行前一條指令的時候，同時取出下一條指令，它的FLASH以及強大的外圍接口能力使它成為目前最流行的單片機之一。
　　本文采用的高性能微處理器芯片Atmega163，利用結構化、模塊化程序設計的思想，實時地對8路人體生理信號進行采樣，對數據實行壓縮和優化處理，以115 200 bps的速率和上位PC機進行串行數據傳輸。
2　硬件構成
2．1　微處理器及其特點
　　Atmega163是ATMEL公司推出的高檔系列產品，是基于AVRRISC的低功耗CMOS8位單片機。在外部晶振為8MHz時，一條指令的執行時間僅為125ns，這種AVR單片機的結構有利于用C語言編程，從而能高效地開發出目標產品。為了對目標代碼大小進行優化，AVR單片機采用了大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。通過在一個時鐘周期內執行一條指令，Atmega163可以取得接近1MIPS／MHz的性能。它將32個工作寄存器和豐富的指令集聯結在一起，使所有的工作寄存器都和ALU（ArithmeticLogic Unit，計算機CPU中的算術邏輯單元）直接相連，允許在1個時鐘周期內執行的單條指令同時訪問2個獨立的寄存器。Atmega163具有16K字節的Flash存儲器，512字節在線可編程E2PROM，1024字節SRAM，外圍有全雙工UART串行通訊接口。此外，它還有2個具有比較模式的可預分頻的8位定時器／計數器，1個可預分頻，具有比較、捕捉功能的16位定時器／計數器。
　　Atmega163單片機提供了一個性能良好的10位模數轉換器。如圖1所示，A口為8路模擬信號輸入端，如果AD功能禁止，則A口是一個8位雙向I／O口。8路人體生理信號如心電、心音、頸動脈、脈搏、體溫等，經過放大、濾波、去噪處理后，分別與A口的8個引腳相連。微處理器采集數據時，通過控制ADMUX寄存器進行通道路號選擇，讀取的數據由CPU作進一步處理。
2．2　基于RS-232的串行通訊接口電路
　　如圖2所示，與上位PC機連接的J1應用了RS－232的5條信號線，其中，TX為PC機的發送信號線，RX為接收信號線，CGND為地線。而RTS和DTR不產生信號，僅在初始化時產生高低電平，RTS設為＋12V，DTR設為－12V。三極管Q1的作用是使信號反相，并輸出RS－232電平。
　　電氣的安全性，是醫學測量儀必須考慮的問題。傳統的醫學測量儀一般采用隔離放大器，對模擬信號進行隔離，這種隔離技術的不足之處是：（1）必須為不同的模擬信號采用不同的隔離技術；（2）采用這種隔離措施會在信號線性度、共模抑制以及頻率響應等方面引起問題，通常使電路穩定性變差，代價較高，且使電路變得更為復雜。而選用數字信號隔離技術，則可以克服上述缺陷。　　

　　光電隔離器6N137是把發光二極管與光敏管組合封裝在一起的器件（見圖2中方框內）。由于兩個部分之間是電氣隔離的，光電隔離器件能圓滿解決信號隔離與電平匹配的問題。通過這一隔離電路，可使PC機系統電源和測量儀器部分的電源完全隔離開來，從而保證醫學儀器的安全性，防止電擊危險，減小患者漏電流，同時也減少了計算機對檢測電路的干擾。
3　軟件設計
　　軟件流程圖如圖3所示。軟件部分采用模塊化、結構化程序設計方法，利用匯編語言編寫，有關模塊功能如下。
3．1　初始化
??? 設置SP初值，把程序用到的內部RAM區清0，給數據采集通道計數器賦初值（8），設置波特率（115 200）。
3．2　數據采集與A／D轉換
　　按預先確定的采樣順序對各路信號進行采樣，由于A／D轉換需要一定的時間，所以，延時等待的時間應略大于轉換完成時間。前一路轉換完成后，應立即啟動下一路開始轉換。由于模擬信號經A／D轉換后，成為10位數字信號，所以，我們用2個字節來存儲該數據，高字節存儲高8位數據，低字節高位存儲最低的兩位數據，后6位補0。同時，把采樣通路號加在最低3位字節上，以便與上位PC機通訊時，上位機能及時準確地判斷該數據來自哪一通道，從而方便地對各路數據作相應處理。最后把轉換完成的數據，按先后順序依次存儲在內RAM里。

3．3　數據的發送
　　利用R0間接尋址的方式，把RAM里的數據取出，按115 200 bps的波特率逐個字節向PC機發送，發送完8通道共16個字節后，進行下一輪的采樣。
3．4　上位PC機接收數據程序
　　上位機通信程序由兩部分組成：初始化子程序，中斷數據接收子程序。



4　結束語
由上面提供的硬件電路和軟件，制作成串行通信接口電路，能可靠、穩定地工作，實現多路信號的采集、轉換和數據無差錯傳輸，同時，能夠滿足醫學儀器安全性的要求，為臨床人體生理信號測量，及病理診斷提供幫助。

1　葉勇建主編．AVR高速嵌入式單片機原理與應用．北京：北京航空航天大學出版社，2000
2　吳效明，李　斌，崔文生，等．多道生理參數檢測與分析軟件系統研究．暨南大學學報，2000，21（1）
3　孫紅軍，孫秀云，周學鐵．用C語言設計高速三線串行通信程序．電子技術應用，1997（6）
4　楊福生．論生物醫學信號處理研究的學科發展戰略——生物醫學工程的今天與明天．第1版．天津：天津科技翻譯出版公司，1998：465～483