[摘要]介紹醫(yī)療用平衡測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。本文介紹該平衡測量儀的組成，電路設(shè)計(jì)原理，ARM單片機(jī)與PC機(jī)的通信協(xié)議，ARM單片機(jī)的主要軟件模塊設(shè)計(jì)，PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，從五個(gè)方面全面系統(tǒng)地介紹了醫(yī)療用平衡測量儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

[關(guān)鍵詞] 平衡測量儀 測試平臺 信息采集 終端控制

醫(yī)療用平衡測量儀主要用于對某些有平衡障礙的病人進(jìn)行平衡功能的評價(jià)，根據(jù)不同檢測結(jié)果，判斷出被測者的病變部位，臨床上做到有的放矢。

一、醫(yī)療用平衡測量儀器的組成

1．測試平臺。通過傳感器采集各個(gè)傳感器的信息，并將采集到的信息，傳到信息采集模塊。

2．信息采集。主要將傳感器傳來的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并按照一定的格式將信息傳到終端控制模塊。

3．終端控制。終端控制模塊分析接受到的各種信息，按照協(xié)議規(guī)定控制各個(gè)模塊執(zhí)行相應(yīng)的工作，要完成的工作包括：接受信息采集模塊的信息，并把信息發(fā)送到PC機(jī)上；接受PC機(jī)傳來的控制信息，將控制信息按規(guī)定協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對測試平臺的控制，使測試平臺傾斜一定的角度。

4．PC機(jī)。處理、顯示信息，直觀、明確地反映出被測者的身體平衡情況。

二、電路設(shè)計(jì)

1．測試平臺設(shè)計(jì)。測試平臺傳感器選擇NS-TH4系列傳感器，該系列傳感器采用懸臂剪切結(jié)構(gòu)，具有精度高、防塵好、安裝容易、使用方便等特點(diǎn)。技術(shù)指標(biāo)如下：

額定載荷選擇50千克，允許過載150%F.S。測試平臺上有六個(gè)傳感器，根據(jù)測試對象，考慮使用該額定載荷的足夠。

拱橋電壓10V，額定輸出1.5MV，通過放大電路可設(shè)計(jì)成0—5V信號輸出。滿足信息采集模塊的設(shè)計(jì)要求。

測量精度不小于0.03%，即15g，滿足測量精度要求。

2．信息收集終端控制模塊設(shè)計(jì)。完成功能包括，完成信息收集、處理、傳輸。

主要是處理器選擇，處理器完成六路A/D轉(zhuǎn)換，傳輸頻率40Hz以上，測量精度要求±20g，電路盡可能簡單，信息傳輸接受采用串口與PC機(jī)通信，接受PC機(jī)控制信息，使測試平臺產(chǎn)生傾斜或轉(zhuǎn)動。

根據(jù)處理器要完成的工作，在此選擇LPC2132處理器，該處理器特點(diǎn)：

（1）帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI—S CPU，處理速度最快為0.9MIPS/MHz。方便編寫程序和調(diào)試，很好滿足傳輸速度的要求。

（2）較小的封裝和極低的功耗使其理想的用于小型系統(tǒng)中，寬范圍的串行通信接口。

（3）1個(gè)10位DAC通道，很好完成A/D轉(zhuǎn)換和精度要求。

3．PC機(jī)完成的工作。PC機(jī)完成的工作主要有：接受終端控制傳來的測試平臺各個(gè)傳感器的數(shù)字信號，按照相應(yīng)的算法得到重心座標(biāo)值，將不同測試平臺狀態(tài)下，重心座標(biāo)值分別存儲，經(jīng)過一段時(shí)間的測量，得到一組重心座標(biāo)值，進(jìn)行相應(yīng)比較，輸出要求值；另一方面PC機(jī)發(fā)信息給控制終端，控制測試平臺狀態(tài)。最后PC機(jī)綜合分析不同狀態(tài)下重心座標(biāo)值，給出被測者平衡情況的綜合評價(jià)。

三、ARM單片機(jī)與PC機(jī)通信協(xié)議

1．初始化串口時(shí)。設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，波特率為9600。

2．A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，十位精度要求，11個(gè)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。

3．轉(zhuǎn)換結(jié)果是一個(gè)十位的二進(jìn)制數(shù)，按照十次取平均值的算法實(shí)現(xiàn)。存放在兩字節(jié)中，發(fā)送時(shí)按照，低字節(jié)位先發(fā)，高字節(jié)位后發(fā)的原則，發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4．發(fā)送格式是：先發(fā)送55H、66H、77H，三個(gè)驗(yàn)證碼，然后緊接著發(fā)送轉(zhuǎn)換結(jié)果，按照傳感器轉(zhuǎn)編號A、B、C、D、E、F的順序，將轉(zhuǎn)換結(jié)果按協(xié)議第三條，依次連續(xù)發(fā)送到PC機(jī)串口。

5．利用定時(shí)器定時(shí)，每間隔40ms發(fā)送一組數(shù)據(jù)，PC機(jī)每間隔40ms采集一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

6．終端控制模塊，接收到開始數(shù)據(jù)為55H、66H、77H時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)；接收到開始數(shù)據(jù)為55H、66H、88H時(shí)，控制采集信息模塊開始采集測試平臺信息；接收到開始數(shù)據(jù)為55H、66H、99H時(shí)，結(jié)束信息采集；當(dāng)接收到開始數(shù)據(jù)為55H、66H、44H時(shí)，控制測試平臺按照指令偏轉(zhuǎn)傾斜。

四、ARM單片機(jī)的主要軟件模塊設(shè)計(jì)

將操作系統(tǒng)移植到LPC2132，基于操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，編寫各個(gè)功能模塊程序，主要軟件模塊包括以下幾個(gè)。

模塊一、移植：

操作系統(tǒng)是一個(gè)基礎(chǔ)軟件平臺建立軟件開發(fā)平臺首先需要選擇合適的操作系統(tǒng)，在這里作者將uC/OS –II移植到LPC2132作為系統(tǒng)開發(fā)平臺。

模塊二、信號的AD轉(zhuǎn)換：

分析AD轉(zhuǎn)換過程中，要完成幾項(xiàng)工作，將AD轉(zhuǎn)換分成以下幾個(gè)任務(wù)快去供操作系統(tǒng)調(diào)用，首先應(yīng)啟動定時(shí)器，并將它的任務(wù)優(yōu)先級設(shè)最高，在做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，首先調(diào)用定時(shí)器人物模塊，啟動定時(shí)，設(shè)置間隔40ms，間隔時(shí)間到，則發(fā)送一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次是，在啟動定時(shí)器后，立即進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊。最后在定時(shí)器時(shí)間到后，轉(zhuǎn)入發(fā)送模式，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過串口發(fā)送到終端控制塊。

模塊三、終端控制塊的實(shí)現(xiàn)：

終端控制塊，也可以分成以下幾個(gè)任務(wù)，由操作系統(tǒng)平臺去調(diào)用。第一，同上定時(shí)器模塊應(yīng)設(shè)置最高優(yōu)先級，確保PC機(jī)能實(shí)時(shí)采集到測試平臺的結(jié)果，并將他們存儲起來，進(jìn)行下一步處理。第二，接收到PC機(jī)傳來的控制命令后，進(jìn)行相應(yīng)的動作。

五、PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)

PC機(jī)設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)通過四步實(shí)現(xiàn)的。第一步：通過后臺程序運(yùn)行，按照固定的測量平臺實(shí)現(xiàn)原理算法，即作用力的合力矩在測試平臺上為零，這樣可以建立作用力失衡性公式，在橫軸(X)和縱軸(Y)上，力矩和為零，各個(gè)傳感器所受力和等于被測者重力G：

對X軸取力矩：

Fa+Fb+Fc+Fd+Fe+Ff=G（3）

由此得到重心在X—Y平面上的投影位置為：

X= (a * Ff + b * Fe + a *Fd –a* Fa–b * Fb–a* Fc)/G

Y= (c * Fd + c * Fc–a * Fa –b * Ff)/G

由此方程組及可求出某一時(shí)刻被測者的重心坐標(biāo)。經(jīng)過一段時(shí)間的測量，求出一組坐標(biāo)值，將這組坐標(biāo)值進(jìn)行存儲、分析，在特定的顯示屏上，顯示要得到的信息。

第二步：利用VB編寫應(yīng)用界面，顯示信息。主要包括地顯示信息有：（1）重心搬動軌跡。通過與存儲的資料進(jìn)行比較，判斷出被測者的病變部位。（2）軌跡外周面積、動搖中心偏離（X軸和Y軸）、單位面積軌跡長。

第三步：在微機(jī)中存儲一些資料，一些國際精神學(xué)及神經(jīng)科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，一些專家的研究資料和研究成果，以此作為對比參考值，來最終評判被測者各方面的情況，給出評判，結(jié)果顯示在界面上。

第四步：建立病人檔案數(shù)據(jù)庫，跟蹤治療。

此款平衡測量儀是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和人體生物力學(xué)的完美結(jié)合，快速分析檢查結(jié)果。適用于神經(jīng)內(nèi)科、耳鼻喉科、康復(fù)醫(yī)藥科、骨科等多科室用，能在很短時(shí)間內(nèi)回收投資。因此，研究開發(fā)次平衡測量儀，具有很大的社會經(jīng)濟(jì)效益、發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]李駒光，聶雪媛，江澤明，王兆衛(wèi)．ARM應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)詳解[M]．清華大學(xué)出版社，2003．

[2]周立功．ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M]．北京航空航天大學(xué)出版社．

（作者單位：河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院）