謝可瑩，毛健華，羅力瑋，黃炳益

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年大約有1000人死于電休克，而發(fā)生于低電壓中的電休克占到70%左右，其中多為家用電器觸電所致[1]。迄今，用于研究電損傷（電擊死）的實(shí)驗(yàn)裝置均較簡(jiǎn)單，目前尚無(wú)專(zhuān)門(mén)檢測(cè)的儀器實(shí)時(shí)同步分段檢測(cè)通電生物體的電流電壓，闡釋電擊時(shí)各部位組織損傷改變的物理電學(xué)基本參數(shù)變化基礎(chǔ)及其原理[2]。鑒于生物體的種屬及其不同組織生物物理變化特性的差異，各組織的阻抗存在一定差異性，特別是生物組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，電擊時(shí)體內(nèi)不同點(diǎn)和組織的電流電壓等物理電學(xué)參數(shù)變化極其復(fù)雜，目前的各類(lèi)電學(xué)參數(shù)檢測(cè)儀多為檢測(cè)均質(zhì)導(dǎo)體，不能直接用于生物體。因此，本文研制了一臺(tái)用于動(dòng)物或人尸體的十六通道電擊下生物體電流檢測(cè)儀，可在體或離體實(shí)時(shí)同步地測(cè)量出電擊下生物體16個(gè)不同部位或組織精確的電流、電壓參數(shù)。

1 測(cè)量方法

測(cè)量電壓電流分為兩步：首先，使用選擇的激勵(lì)電壓作為電擊電壓接入到被測(cè)生物體，測(cè)量探針兩端的電壓為，其示意圖如圖1（a）所示，待電壓測(cè)量完成后，系統(tǒng)使用20階的程控電壓接入，因標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的值固定不變，將生物體局部阻抗看作短時(shí)間內(nèi)固定不變，從而得到經(jīng)過(guò)生物體的電流I，其示意圖如圖1（b）所示。則加載在Rs的電壓的表達(dá)式為

圖1 測(cè)量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement method

因生物體局部阻抗與標(biāo)準(zhǔn)電阻為串聯(lián)，則加載在標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電流I的表達(dá)式為

2 硬件總體方案

系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示，主要分為程控可變交流電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、STM32F103ZET6系統(tǒng)模塊、上位機(jī)顯示及控制模塊。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram

2.1 調(diào)理電路

信號(hào)處理電路主要由過(guò)壓保護(hù)電路、差分電路、帶通濾波電路、峰值檢波電路組成。差分放大電路由AD620實(shí)現(xiàn)，調(diào)整電路中滑動(dòng)變阻器的大小和差分放大的倍數(shù)。過(guò)壓保護(hù)電路將過(guò)大的電壓信號(hào)鉗位，確保輸入電壓的峰值不超過(guò)AD620的電源電壓，防止AD620損壞，同時(shí)確保輸出的直流電壓在微處理器自帶的12位的A/D電壓采集范圍內(nèi)，以免造成單片機(jī)A/D口損壞。帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)的濾波，低通濾波電路濾除低于40Hz的噪聲，高通濾波電路濾除高于60Hz的噪聲和50Hz的高次諧波。

2.2 控制模塊

控制模塊是控制激勵(lì)電壓與程控電壓的大小選擇與通斷。首先，在上位機(jī)測(cè)量，選擇需要的激勵(lì)電壓，如220V、110V、36V和24V，激勵(lì)電壓通過(guò)控制變壓器接入到電路中，上位機(jī)將控制信號(hào)傳輸給微處理器，微處理器接收到信號(hào)后，控制電路產(chǎn)生激勵(lì)電壓接入被測(cè)生物體組織，通過(guò)儀器的測(cè)試線(xiàn)將測(cè)量的電信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理，得到測(cè)量的電壓值后，開(kāi)始測(cè)量電流。

本作品使用逼近法測(cè)量電流，先將接在被測(cè)生物體的交流電源斷開(kāi)，接下來(lái)使用“程控可變電源”給被測(cè)生物體加上程控可變的50Hz交流電壓，電壓大小為。然后，測(cè)量出“取樣電阻R”兩端的電壓有效值，將被測(cè)生物體此刻的電壓的值與在電壓測(cè)量時(shí)得到的d1、d2兩端電壓有效值進(jìn)行比較，通過(guò)上位機(jī)控制程控可變電源，改變的大小，直至與相逼近[3]。流經(jīng)取樣電阻R的電流Ir和流經(jīng)被測(cè)生物體組織的局部電擊電流I1相等。通過(guò)擬合法，得到標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流，因?yàn)樯矬w部分與標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，即流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻的電流就是流經(jīng)生物體組織的局部電流[4]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用STM32單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的中樞控制器，STM32系列基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、降低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)[5]。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示，先對(duì)上位機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行接收，進(jìn)而控制交流電的擋位，最后完成AD采集。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Single chip microcomputer program flowchart

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用在Labview平臺(tái)搭建的上位機(jī)顯示控制模塊，基于串口通信方式設(shè)計(jì)軟件程序，串口通信是一種在計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或者計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)的常用方法，通常應(yīng)用于傳統(tǒng)儀器的控制和緩慢變化信號(hào)的采集[6]。上位機(jī)設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示。上位機(jī)通過(guò)串行接收程序接收完數(shù)據(jù)之后，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑺邮盏降臄?shù)據(jù)在Labview的前面板上顯示[7]。上位機(jī)寫(xiě)的是字符類(lèi)型的數(shù)據(jù)，而后軟件將字符按照單個(gè)的字節(jié)位發(fā)送至接收端，作為接收端的下位機(jī)一方將這些位組成完整的字節(jié)，從而完成數(shù)據(jù)的傳送[8]。

圖4 上位機(jī)總體程序框圖Fig.4 Overall program block diagram of upper computer

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

使用3個(gè)精密電阻搭建測(cè)量模型，電阻的阻值為兩個(gè)16kΩ，一個(gè)1kΩ，使用萬(wàn)用表實(shí)測(cè)3個(gè)電阻的阻值分別為16.13kΩ、16.07kΩ和0.991kΩ，使用230V的激勵(lì)電壓測(cè)量，測(cè)量時(shí)市電的電壓為230V。測(cè)試時(shí)，1次測(cè)試4個(gè)通道的電流電壓，測(cè)試4次便可以測(cè)試完16個(gè)通道，16通道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 16通道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of 16 channels

通過(guò)計(jì)算，被測(cè)電阻兩端的理論電壓值為6.93V，電流為6.99mA，實(shí)測(cè)電壓與理論電壓在±0.05V以?xún)?nèi)，實(shí)測(cè)電流與理論電流的誤差，除了第4通道的電流誤差為±0.04mA，剩下15個(gè)通道的誤差數(shù)據(jù)都在±0.03mA以?xún)?nèi)。

4.2 誤差分析

本作品的主要誤差來(lái)自以下3個(gè)方面：①由于市電本身就不穩(wěn)定，導(dǎo)致激勵(lì)電壓的輸出有一定的波動(dòng)；②本作品使用數(shù)字電位器來(lái)調(diào)節(jié)程控電壓的大小，因數(shù)字電位在調(diào)節(jié)阻值時(shí)會(huì)有誤差，導(dǎo)致程控電壓有一定的誤差；③每個(gè)通道的兩根探針間距不能確保固定距離，致使存在一定誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的作品，除了可以使用16通道對(duì)生物體組織局部的電流電壓進(jìn)行檢測(cè)，還可以實(shí)時(shí)同步分段檢測(cè)生物體各部位局部電壓分布和電流流經(jīng)情況，并且可選擇220V、110V、36V、24V的激勵(lì)電壓，可模擬更多的應(yīng)用場(chǎng)景。此外，設(shè)計(jì)中將擬合法和程控電壓替換法應(yīng)用于生物體電流的檢測(cè)，提高了測(cè)量精度和安全性，誤差在±0.05V。