邵晟杰，葛 斌，嚴(yán)榮國，紀(jì) 達(dá)

（上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093）

0 引言

尿流率是前列腺病人康復(fù)情況評斷的重要參考指標(biāo), 它能夠客觀的反映下尿路排尿功能的一般水平，被作為對具有下尿路癥狀疾病的患者進(jìn)行一線篩選的手段[1]。

本文針對現(xiàn)有尿流率測量系統(tǒng)功能單一與便攜性之間的沖突，采用ATmaga644pa單片機(jī)配合信號采集模塊設(shè)計一種新型采集測量系統(tǒng)。

1 設(shè)計思路及設(shè)計原理

本設(shè)計基于AVR單片機(jī)尿流率采集測量系統(tǒng)，由安裝在集尿容器下的壓力傳感器采集靜水壓，通過信號放大調(diào)理模塊送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理。此種測量方式受外界的影響因素較少，定時采集尿液的靜水壓，從而建立尿液重量與時間的關(guān)系，推算尿流率，通過高頻采樣，能夠反應(yīng)尿流率的瞬時狀態(tài)。此種測量方式集尿容器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，在保證便攜性的同時也提高測量的準(zhǔn)確性。

2 硬件設(shè)計組成

系統(tǒng)硬件部分主要由信號采集端和信號處理顯示端兩部分構(gòu)成。信號采集端包括集尿容器、伸縮底座、傳感器和傳感器信號調(diào)理放大模塊。顯示處理端集成了打印機(jī)、顯示屏、鍵盤及單片機(jī)主控板。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

單片機(jī)主控板采用ATmaga644pa單片機(jī)為主控芯片，內(nèi)置一個10位逐次逼近型ADC，省去了外置AD芯片，有效節(jié)省主控板空間，同時豐富的片內(nèi)資源能夠支持更多的外設(shè)接入。上位機(jī)和微型熱敏打印機(jī)通過串口與單片機(jī)通信，通過74HC4053二選一芯片進(jìn)行通道選通，從而避免了串口數(shù)量的限制。I2C總線上外接3片EEPROM用于擴(kuò)展單片機(jī)的EEPROM存儲。單片機(jī)由12V開關(guān)電源供電，通過主控板上的LM2576降壓模塊為提供5V的工作電壓，同時電源模塊12V能夠?yàn)閭鞲衅鞣糯竽K提供電壓支持。

圖1 系統(tǒng)流程框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理

1）數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集使用SMOWO LCS-D3傳感器配合信號放大模塊。LCS-D3是一種雙孔懸臂梁式電阻應(yīng)變片傳感器，固定在集尿容器底部，通過壓力形變來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]，采集后的數(shù)據(jù)送入傳感器信號放大模塊。放大模塊由INA125集成芯片和相關(guān)外圍電路構(gòu)成，對源自壓力傳感器的一對差分信號進(jìn)行放大[6]，電路設(shè)計如圖2所示。

INA125運(yùn)算放大芯片的增益與RG關(guān)系為：時，增益 G=4～10000，可見增益從4至10000倍可調(diào)。

本電路設(shè)計中RG采用范圍0～100Ω的精密電位器，用于調(diào)節(jié)INA125P芯片放大倍數(shù)。使用INA125P芯片提供的10V精密參考電壓作為傳感器的激勵電壓,為傳感器供電，傳感器的輸出信號由V+和V-引腳接入放大芯片，信號經(jīng)放大處理后由引腳V0的輸出，輸出范圍為0～10V。由于單片機(jī)采用外部5V作為參考電壓，接受范圍為0～5V，因此在V0輸出電壓之后接2個1k電阻進(jìn)行分壓，將輸出的0～10V電壓分壓為0～5V送入單片機(jī)處理。

2）A/D轉(zhuǎn)換

放大后信號的A/D轉(zhuǎn)換由ATmaga644pa內(nèi)部的ADC完成，參考電壓選用外供5V參考電壓。AD轉(zhuǎn)換采用輪詢的方式，定時采集傳感器采集的電壓值。 ADC轉(zhuǎn)換程序部分代碼如下所示：

ADMUX=0x40;//AVCC,AREF 引腳外加濾波電容

ADCSRA=_BV(ADEN);//使能ADC

…{轉(zhuǎn)換代碼}

ADCSRA|=_BV(ADSC);//ADC置位，開始轉(zhuǎn)換

_delay_us(2);

while(ADCSRA&_BV(ADSC))；//轉(zhuǎn)換中讀取ADSC值為1，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束

ret=ADCL;

ret|=(uint)(ADCH＜＜8);

g_aAdValue[i]=ret;

ADCSRA=0;//關(guān)閉ADC

尿液采集時，尿液對集尿容器壁的沖擊造成所采值的一定波動，因而在AD轉(zhuǎn)換程序中連續(xù)進(jìn)行8次采樣結(jié)果取平均值從而獲得一個平滑的尿量曲線。

ADC采樣頻率通過ATmaga644pa內(nèi)部的Timer/Counter0控制，采樣頻率為200ms一次采樣。當(dāng)測試開始之后，TIMSK0寄存器使能位TOIE0置位1，Timer/Counter0開始工作，200ms觸發(fā)一次定時中斷進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的尿液重量值送入固定數(shù)組。當(dāng)測試結(jié)束后，TIMSK0寄存器使能位TOIE0置位0，關(guān)閉使能。

2.2 程序設(shè)計

本系統(tǒng)ATmaga644pa單片機(jī)程序是基于AVR Studio平臺開發(fā)，由多個子塊組成。核心子塊測試采集子塊設(shè)計為全自動測試采集，當(dāng)點(diǎn)擊測試開始后首先進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，并根據(jù)零點(diǎn)設(shè)定啟動閾值，之后輪詢采樣等待尿液進(jìn)入集尿容器。當(dāng)采樣值超過啟動閾值時，認(rèn)為有尿液排入，進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)收集，將所采樣數(shù)據(jù)按順序存入采樣值數(shù)組。

為了防止因誤碰集尿容器所造成測試誤開始，比對采樣值第1秒、第2秒與零點(diǎn)值之間的關(guān)系，若前兩秒采樣值均大于零點(diǎn)采樣值且呈上升態(tài)勢，則認(rèn)為測試開始，繼續(xù)將采集數(shù)據(jù)送入采樣值數(shù)組。若否則判定為誤碰，程序回歸至等待開始狀態(tài)。當(dāng)測試開始后，所采集的數(shù)據(jù)超過10秒未增加，則判定測試結(jié)束，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)分析處理。程序操作流程簡圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

3 測試結(jié)果分析

測試的采樣間隔為200ms一次，由此通過采樣值數(shù)組下標(biāo)可建立采樣值與時間的相對關(guān)系，推算尿流率等所需測量結(jié)果，因此測量結(jié)果的準(zhǔn)確性即由靜水壓的壓力測量值保證。

表1中第一組第二組數(shù)據(jù)為清空集尿容器后連續(xù)兩次定量倒水測試采樣數(shù)據(jù)，第三組數(shù)據(jù)位集尿容器預(yù)先有水情況下測試采樣數(shù)據(jù)。從而檢驗(yàn)在不同測量初值情況下，測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

由三組測試采樣數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，本測試系統(tǒng)在三種不同起始條件下重復(fù)性良好，測量誤差100～500ml均小于±5ml,能夠滿足尿流率的趨勢測量。

表1 尿流率重復(fù)性測試結(jié)果

4 結(jié)論

尿流率是前列腺病人康復(fù)情況的重要參考指標(biāo)，也是泌尿外科有關(guān)尿癥狀的基本檢測項(xiàng)目。

本文設(shè)計基于高性能AVR單片機(jī)的尿流率采集測量系統(tǒng)，充分發(fā)揮了AVR單片機(jī)片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)，使本系統(tǒng)控制端體積小巧，成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時全自動的測試過程，與糾錯機(jī)制，能夠有效避免無效測量的發(fā)生。然而不足之處在于信號采集端和信號處理顯示端采用有線傳輸，限制了使用距離和場合，更進(jìn)一步無線傳輸尚待開發(fā)。

[1] ATMEL Inc. ATmaga644pa Product data sheet[M]. 186-199.

[2] 馬潮. AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐(第2版)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[3] 高國富, 羅均. 智能傳感器及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[4] 上海天賀自動化儀表有限公司 LCS-D3傳感器產(chǎn)品手冊.

[5] Burr-Brown Corporation. INA125 Product datasheet[M].

[6] PHILIPS Semiconductor. 74HC4053 Product data sheet[M]1-6.