采用單片機的多普勒血流計系統的設計實現

0 引言

　　多普勒血流計的出現標志著在微血管灌流方面取得重大進步。本設計采取雙通道裝置拾取多普勒信號，有效地抑制噪聲信號，采用單片機來對信號進行控制及處理，既簡化了電路，又有助于信號的處理及讀取。運用12位的AD574A不但提高了信號精度，利用其雙極性，也省去了以往信號處理中復雜的乘方、開方電路或絕對值電路。通過四位LED顯示，直觀、準確地讀取血細胞灌流量的瞬時相對定量值，可精確到小數點后兩位。并同時配有揚聲器來形象表示信號的強弱和變化。還可通過繪圖儀，對信號進行長時間檢測、記錄，以便研究和分析。

　　1 系統總體方案

　　系統組成框圖如圖1所示。系統工作時，從激光探頭發射出一束激光照射到組織上，并穿透組織形成一個半徑為1mm的半球，半球中心在探頭處。所有穿過該區域的血細胞會反射回部分光線，造成光線的多普勒移動，移動的強度和頻率與穿過該區域的血細胞數量和速度有關，與其方向無關(灌流量定義為：血細胞灌流量=測量區域的血細胞量×細胞的平均速度)。部分反射回來的光由雙路激光探頭拾取，經光電轉換器將光信號轉換為反映血細胞灌流量大小的電信號。該電信號經一系列電學及數據處理后，利用51單片機控制數碼管顯示血流灌流量相對量

　　的大小，驅動繪圖儀描記灌流量，控制揚聲器發出反映灌流量大小的聲音。

　　2.硬件技術方案

　　2.1 信號處理電路的設計

　　信號處理電路是利用光纖將低功率激光傳到探頭，當探頭放置在組織上時，被照射到的直徑約1mm的半球區中運動的血紅細胞將使光被重復的反射、折射，這些被反射、折射的復合光因血紅細胞的移動發生了多普勒頻率移動并有一部分散射回組織表面，進入兩根對稱的接收光導纖維。通過這兩根對稱饋送光纖傳送給兩個光電三極管進行光電轉換，就可以把可知頻率的多普勒信號展寬并檢測出來。再經過放大、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是差模信號，所以經過差分放大器后，環境噪聲、電網噪聲、激光噪聲將被大大抑制。再經信號處理單元進一步濾波、放大、補償平滑后即可提取出正比于血細胞灌流量的電壓信號。信號處理電路具體框圖見圖1的A/D轉換前面部分。

　　5G28是單片機相容輸入阻抗集成運放，具有高輸入阻抗及高轉換速度的特點，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是單片機單增益運算放大器，它不需要外圍頻率補償，有很高的共模和差模輸入電壓范圍，因此積分器選用這個放大器。積分器時間常數和增益的改變，采用4066由單片機控制。

　　由于傳感器經光敏三極管轉換的信號比較弱而且其中包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這種信號的放大選用AD521。AD521具有高輸入阻抗，低失調電流，高共模抑制比特點，其增益可在O.1～1000之間調整，各種增益參數已進行了內部補償，具有輸入輸出保護功能，有較強的過載能力。在使用中采用變壓器耦合，通過調節外界電阻改變增益。

　　2.2 單片機控制電路部分硬件的設計

　　綜合考慮系統的實際功能和要求，本系統選用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在系統可編程 Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。

　　根據設計指標的精度要求，采用12位逐次逼近型快速AD574A轉換器，其轉換精度≤0.05%，可滿足0.5%的設計精度要求。其轉換速度最大為 35us，因為血細胞流量速度約為0.1ms，所以信號變換緩慢，并加有積分器，無須再加其它采樣保持器。根據采樣原理，每個信號周期采樣十次即可，這里采用中速轉換器就能滿足要求。綜合考慮速度、精度及性能價格比，A/D轉換器采用AD574A，實現由模擬量到數字量的轉換，以便于采用微機去控制顯示、驅動打印。