论文：多通道近红外光谱血氧监测系统的研制★.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 多通道近红外光谱血氧监测系统的研制 姓名：杜烜 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：朱（艹丹）;骆清铭 20050705 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 iii 摘摘摘摘 要要要要 近红外光谱技术可实现组织中血氧代谢的实时无损伤在体测量在生物医学领 域得到了广泛应用发展了一些面向不同应用的测量方法和实验装置广泛采用的 光源与探测器间距固定的装置只能反映组织特定深度的血氧信息基于光纤设计 的单光源单探头虽然可测量不同深度的血氧代谢情况但仍不能进行同时测量 设计并制作了一套基于单片机与相敏检测的多通道近红外光谱血氧监测系统 系统选用三波长 led735nm, 805nm, 850nm光源利用 89s52 单片机产生稳定 的方波输出对光源进行脉冲调制探测器选用高灵敏度并集成前置放大器单元的 光电探测芯片 opt101所探测的电信号通过多路复用器后送入相敏检测模块 cd505r2 中解调配合数字电位器 x9c503 实现多达 50 档的程控增益调节提高了 测量系统灵敏度及动态范围该系统软件包括单片机程序和 pc 机软件单片机程 序由通道选择与增益设定程序ad 转换程序以及串口通讯程序组成采用主控程 序循环扫描的方式实现pc 机软件具有三个功能模块串口通讯测量参数设置 测量结果显示 在对暗噪声出纤功率和通道增益测试的基础上进行了标准样品及血模型实 验 证明了该系统的稳定性与有效性 进而开展了人体前臂阻断与脑血流变化实验 通过改变光源探测器间距观察到不同深度肌肉组织与前额叶血流变化状况结 果表明脂肪层厚度严重影响着近红外光学测量系统对肌氧代谢的测量光源探 测器间距越大所获得的血流信息越强脑皮层血流信息的获取则与头骨及皮层厚 度有关选取过大或过小的光源探测器间距均不利于有效获取脑皮层的血流变化 信息 因此利用光源探测器间距可调的近红外光学测量系统将有助于针对不同 的研究对象选取合适间距最大限度地获取组织中血氧信息这对血氧代谢的无损 光学检测及其应用是非常重要的 关键词关键词关键词关键词近红外光谱 光源探测器间距 氧代谢 相关检测 本文受国家自然科学基金(60278017)教育部科学技术研究重大项目(重大 10420)国家自然科学基金国际合 作项目no.60411120125及湖北省自然科学基金(no.2004aba219)资助 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 iv abstract near-infrared spectrum(nirs) technology, which can fulfill the real time and non-invasive in-vivo measurements of blood oxygen metabolizing, was widely used in biomedical field and many equipment and measure means about the technology were developed .most of those are fixed light source-detector , so it can only monitor the change of blood oxygen metabolizing in a certain depth. and the design with a single detector cant satisfy the requirement of multi-channel signal acquirement. in this thesis, we designed a set of nirs measure system base on the correlation detection theory with the use of single chip processor. it uses led as light source with wavelength of 735nm, 805nm and 850nm modulated by square wave pulse. detector is high sensitive pin chip opt101 with high responsibility and low quiescent current. the acquired signal is sent to phase sensitive detecting module cd505r2 to be demodulated. the software includes a single chip processor program and a pc program. the single chip processor program can set the amplifier gain, control ad conversion and communicate with pc. the upper site workstation also has three functional modules such as serial communication, measuring parameter setting and display acquired result. after calculating the dark noise, fiber-out power and estimating the gain between different channel, we prove the accuracy and precision of the system through a series of standard sample experiments, then we monitor the change of blood volume and oxygen concentration in different light source-detector distance in forearm and forehead. the result show that the fat and epidermis have effects on the measure result of forearm greatly, and the blood volume information in forehead are also affected by the thickness of frontal bone. the accurate measuring result lie on the appropriate selection of light source-detector distance. the application of nirs measure system with flexible light source-detector distance can help us to select the appropriate detection depth in tissue and to know the blood oxygen information as accurate as possible. it makes great sense with noninvasive detection of blood oxygen metabolizing in tissue. key words: nirs light source-detector distance correlation detection blood oxygen 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 1 1 绪论绪论绪论绪论 氧是一切生命活动的基础人体组织细胞的正常生理活动均有赖于连续而充足 的氧供应血红蛋白是组织中氧的主要载体它由氧合血红蛋白(hbo2 )和还原血红 蛋白(hb)组成组织中的氧基本上是以组织内毛细血管中的氧合血红蛋白形式存在 的随着人体有氧代谢状况的变化氧合血红蛋白在血红蛋白 (即氧合血红蛋白和 还原血红蛋白浓度之和 )中含量的百分比 (即血氧饱和度)也会改变1,2因此发 展有效的检测技术通过测量组织和血液中血红蛋白的氧合程度, 实时在体 连续监测人体组织中氧的代谢及输运过程, 对生命科学的研究有着重要意义与应 用前景3,4 在 20 世纪三四十年代随着计算机技术半导体技术光电传感器技术的发 展血氧饱和度测量方法也丰富起来5,6目前发展较为成熟的技术有极谱电极测 量法核磁共振法磷光光谱法近红外脉搏血氧计其中基于透射测量的近红外 脉搏血氧计在实时在体无损的连续检测中有其明显优势但由于近红外波段生 物组织表现为强散射特性组织的透射光过于微弱其透射式的测量原理决定了它 只能局限于在指尖和耳垂等有限部位进行测量反映全身动脉血氧饱和度的平均变 化而不能实现人体局部组织和器官供血供氧状态的定位监测 相比之下近二十年来发展起来的基于漫反射式测量的近红外光谱技术则能克 服原有的缺陷7,8与透射式测量技术相比光束不需要贯穿生物组织光源与探测 器置于体表同侧因此反射式测量比透射式测量所获得的信号强信噪比高检测 装置更方便由于该方法检测的是组织中毛细血管和静脉血管中的氧不需利用血 液搏动特性部位缺氧程度及其空间分布为组织病变成像提供数据鉴于组织含 氧的程度是有氧代谢过程中供氧和耗氧动态平衡的结果因此揭示其随时间变化规 律, 可望作为评定人体局部有氧代谢功能的客观指标这些也决定了近红外光谱技 术在医学中的广泛应用 1.1 近红外光谱技术近红外光谱技术近红外光谱技术近红外光谱技术 光辐射生物组织后光子的传播过程涉及组织体内的散射与吸收以及边界的 反射与透射图 1.1 给出了垂直入射的激光包含大量光子进入组织体后如果 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 2 是斜入射则有部分光子被直接反射的传播路径9,10组织对入射光的衰减与以 下几个因素有关1浓度固定的色团引起的吸收2浓度变化的色团引起的吸 收3散射损耗 图1.1 光在组织中的传播路线 fig1.1 the spread path of light in tissue 在可见光与近红外波段光散射是组织内的重要现象特别是在近红外波段 生物组织对近红外光有较高透明度这是因为生物组织中占主导地位的水其吸收 谱主要是在 300nm 以下和 1000nm 以上的波段而血红蛋白和黑色素仅对 400nm 650nm 的可见光有强烈吸收11,12,13因此在近红外波段各色团的总吸收量较低 使光可以在穿过数厘米后的生物组织后仍能被探测到 即使如此在近红外光区氧合血红蛋白hbo2还原血红蛋白hb的少量 吸收在临床研究中仍然很有意义如图 1.2 给出了氧合血红蛋白还原血红蛋白及 水的近红外吸收谱 由图可以看出氧合血红蛋白还原血红蛋白在近红外波段仍有一定的吸收 且两者的吸收谱存在一定的差异如在 805nm两者的吸收几乎是相等的而在这 一段附近小于或大于这一波长时还原血红蛋白的吸收值随着波长的增加而显著 减小而氧合血红蛋白则随着波长的增加而增加正是两者对近红外光吸收所表现 出来的差异使近红外光谱技术 nirs(near-infrared spectroscopy)得以迅速发展并 在临床研究中有着广泛的应用 近红外光谱技术是以氧合和还原血红蛋白细胞色素氧化酶等的吸收光谱为基 z laser light air tissue totally reflected absorbed a1 a2 a3 absorbed remitted 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 3 础考虑到氧合血红蛋白与还原血红蛋白在近红外光波段吸收谱的差异性结合光 在组织中的传播规律利用近红外光对组织良好的穿透能力研究光在组织中历经 一系列吸收散射后出射光携带的与吸收谱相关的组织生化信息通过对这些吸收 色团浓度的定量测量获取组织中的氧代谢信息 14-16 图1.2氧合血红蛋白hbo2还原血红蛋白hb及水的近红外吸收谱 fig.1.2 absorption spectrum of oxy-hemoglobin, deoxy-hemoglobin and water 1.2 近红外光谱技术的研究概况近红外光谱技术的研究概况近红外光谱技术的研究概况近红外光谱技术的研究概况 近红外光谱技术的研究很早就已出现1977 年jobsis 在science杂志上首 次报道了血红蛋白和细胞色素在特定近红外区的吸收特性并发现氧合血红蛋白和 还原血红蛋白分别在 735nm 和 850nm 处有两个吸收峰其变化可以反映血红蛋白 的载氧情况该报道引起了生物医学界的广泛重视 此后很多研究小组从各自不同的角度将这种方法推广开来在不同的领域对 其进行了深入的研究chance, cooper, gratton, fallgatter, hoshi, maki,villringer 等人 深入研究了近红外光谱测量在大脑活动监测方面的应用17-26chance, ferrari 将其用 于肌肉组织的测量27-30 目前开发出了不同类型的近红外光谱测量系统主要可分为三大类连续波 测量系统时间分辨测量系统与频域测量系统21-26相比之下连续波的近红外系 统最为简单价格也最为便宜在系统的微型化便携式上有其独特的优势这是 后两种测量技术不能取代的因此基于连续波测量的近红外光谱技术在临床有着 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 4 广泛的应用前景 在现有的连续波测量系统中 普遍采用多个分立波长的光源 半导体激光器 ld 或发光二极管 led通过测量经过组织的后向散射光强来获取血氧代谢信息 无论是用于大脑功能成像研究还是用于肌氧或器官血氧代谢功能的研究光 源与探测器间距常采用固定间距的设置 可用于反映特定组织深度的血氧信息测量 而基于光纤设计的单光源单探头虽然能够测量不同深度的血氧代谢情况但仍难 以同时获取不同深度的情况niwayamat31,32等考虑到了脂肪层对肌氧近红外测量 的影响试图用统一的方法去消除这种影响但由于人体个体差异的存在这种固 定模式的系统或统一的修正方法其通用不可避免地会因个体的影响而大打折扣 为此本文设计并制作了一套基于单片机与相敏检测的三波长多通道近红外测 量系统通过肌肉阻断实验及脑功能活动实验研究脂肪及头骨厚度对测量的血氧 测量的影响 1.3 连续波近红外光谱测量血氧含量的理论基础连续波近红外光谱测量血氧含量的理论基础连续波近红外光谱测量血氧含量的理论基础连续波近红外光谱测量血氧含量的理论基础 由于生物组织的非均匀性麦克斯韦方程的解析法已被取而代之33描述光子 在生物组织中的迁移大多基于传输理论根据传输理论位置为r 单位方向矢量s 的辐射度 ) , (srl(w*m-2*sr-1)会因为散射和吸收而减小同时也会因来自其它方向 s 的散射而增加光与组织相互作用可用如下辐射传输方程方程来描述 ) , ( ) , ( ) , ()( ) , () ( 4 dsrlsspsrlsrls ssa += 1.1 式中吸收系数 a (mm-1)与散射系数 s (mm-1)分别是指光子在单位无限小自由程 的迁移中被吸收与散射的概率它们的倒数表示光子在介质中被吸收或散射前所走 过的平均距离为 s 方向的微分立体角相函数 ) , (srp描述的是入射辐射被散射 后光强的角度分布为便于处理通常假设相函数为 s 和 s 方向的夹角的函数 将相函数积分归一化则相函数 ) , (srp表示方向s 至方向 s 的光散射的概率函数 1 ) , ( 4 = dssp 1.2 相函数的形式通常是未知的 在多数情况下 并不需要采用相函数这样复杂的 函数来描述光子散射的方向特性取而代之的是以一些较简单的函数或参数用相 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 5 函数的平均余弦 g 来描述 = 4 ) )( , (dsssspg 1.3 参数 g 亦称为各向异性因子它是单次散射模式非对称性的量度g 的取值在 1 到 1 之间根据它的值可粗略地了解散射光在不同方向的分配情况当 g 为 1 0 和-1 时分别表示极端前向各向同性和高度的后向散射 事实上生物组织的吸收系数 a 反映的是组织原子能级结构性质而散射系数 s 及散射相函数()iop , ( 或各向异性因子 g )则由组织原子能级的电磁性质和折射 率及其分布决定 当光通量的空间分布变化不是很大时或在远离边界及光源的区域散射各向 异性的细节并不重要也常将 s 和 g 简化成单一的散射系数()g ss =1即约化 散射系数 这些组织光学特性参数是诊断与激光治疗 科研与临床实践的基础28-31 据文献报道多数生物组织的吸收系数和散射系数依赖于被测组织结构其变 化范围 1 1005 . 0 =mm a 1 41 . 0 =mm s 散射系数远大于吸收系数即吸收的 平均自由程远大于散射平均自由程因此当生物组织的散射长度远小于其几何尺 寸时光子在它们被吸收和逸出边界前将经历多次散射在这种情况下光子在生 物组织中的迁移可以视为一个扩散过程feng 等人给出了半无限边界条件下光源 为连续波点对点探测(点光源点探测器)时光子光程分布函数的解析推导33表达 式为 2/32222/3222 2/12222/12222 )()( )()(exp( ),( zyxdzyx zyxdzyxkz zyxp + + = (1.4) 此时在 x-z 方向横截面上光子光程分布函数呈香蕉形在弱吸收的条件 下(kd1)(x,0,0)点对应香蕉形区域的中点的 z 方向位置)( 0 xz为 2222222 0 )()(32)( 8 1 )(xdxxdxxdxxz+ (1.5) 即在 x=d/2 处z0达到最大深度 42 max 0 dz 1)(1)( 2/ 12222/ 1222 +zyxdkzyxk 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 6 图1.3 点对点探测的光子光程分布 fig.1.3 photon path distribution in point-point detection 根据 beer-lambert 定律透过介质的光强 t i 与入射光强 0 i吸收层厚度和吸收 物浓度的关系为 cl ot a eii = (1.6) l do c a = . , cliilndo ato =)/(. 这里 a 是吸收系数c 是介质的浓度单位lmolar /l 表示光程当介质 无散射时不同波长的 l 相等o.d 被称为光密度当入射光波长一定时是介质 浓度的线性函数此定律以下列条件为前提1入射光为单色光2吸收过程 中各物质无相互作用3)辐射与物质的作用仅限于吸收过程没有散射荧光和光 化学现象由于人体组织对光存在强散射现象因此条件3不能满足实际上 入射光进入人体后散射使光不能沿直线传播从而使得光子行进的路程远大于介 质层厚度无法得到准确光程此时 beer-lambert 定律并不是适用的 delpy 等人研究表明 在如图 1.3 中所示的点源探测器的后向散射测量结构 中光子传播的平均光程长约为光入射和出射点间几何距离的 5 倍可以认为组织 中光子的传播路径远比光源探测器间的几何距离长因此可以用修正后的 beer-lambert 定理描述入射光经过组织后的衰减 (1.7) 式中 l 是光源和测量点之间的距离dpf 为光程因子当已知组织吸收和散射系数 时可由 monte-carlo 仿真计算得到g 是与皮肤脂肪等外层组织光学特性和几何 gdpfcl a eii + = 0 / 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 7 结构有关的常数损耗因子一般也可由 monte-carlo 模拟得到34,35由于组织光学 特性参数的测量与所采用的光传播模型算法有关而且在实际应用时不同个体间皮 肤色素脂肪厚度等情况的差异造成了取得在体生物组织光学特性参数很困难因 此在实际的在体测量中很难获得 hb 和 hbo2的绝对浓度值但当波长组织和光 源探测器距离一定时 可以用光密度的变化来跟踪 hb 和 hbo2浓度的相对变化 这 在临床应用中也有一定的意义36-41 若以某一定强度的入射光注入到组织中设在初始状态 (参考点 )下得到的出 射光强为 i0而在状态改变之后测得的出射光强为 it利用式 (1.7)可得相对于参 考点的光密度变化表示为 a t ldpf i i dotdodo= 0 ln)0(.)(. (1.8) 从 hb 和 hbo2的吸收谱可以看出在 805nm 有一等吸收点可以用该波长监 测血红蛋白总含量变化 通常将测量 hb 和 hbo2所需的两个波长选在等吸收点的两 侧并有足够的距离以保证血氧饱和度发生变化时两个波长吸收谱对输出是差动 式的效应若 321 )805(crwr输出信号可以表示为 cos)exp(1 2 001 0 = cr t r vr v ma o (2.7) 从而有以下结论 1 00c rtc=为积分器的时间常数 2当测试时间 c tt 时0)exp( 00 t cr 得到稳定解 cos 2 1 0 0 r vr v ma = (2.8) 相关器输出的直流电压为信号幅度(vma)乘以积分器放大倍数(r0/r1) 且与输入 信号与参考信号相位差的相位差成线性当输入信号与参考信号的相位差恒定时 相关器的输出幅度与 vma成线性关系 3积分器的积分时间 00c r决定了相关器的抑制噪声的能力 00c r越大相 关器的抑止能力就越强因而可以获得很大的信噪比改善45-49 图2.3 解调电路的原理图 fig 2.3 the diagram of demodulating circuit 从原理上看可以使用一个模拟开关外接积分电路来实现锁相放大的功能如图 2.3 所示 然而这种使用分离元件制作的电路存在自身电路噪声的影响尤其是开关电路 的噪声由于其具有周期性所以难以去除而参考信号的相位变化也会造成测量 结果的不稳定所以本文将采用集成的相敏检波模块来实现这一功能 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 14 图2.4 主要功能框架的划分 fig 2.4 framework of system 2.3 系统硬件电路的设计与实现系统硬件电路的设计与实现系统硬件电路的设计与实现系统硬件电路的设计与实现 系统的的硬件部分以 89s52 单片机为核心主要包括光源的控制与调制以及 探测信号的采集与传送具体划分如图 2.4下面将分别阐述 2.3.1 光源控制及调制光源控制及调制光源控制及调制光源控制及调制 由前面的介绍可以知道6501100nm 波长范围内的红光和近红外光源对组织 有较强的穿透能力目前的组织光学特性检测仪器中通常采用的红外近红外光 源其主要有三种工作方式 1宽光谱光源+滤光片光源可采用普通钨灯价格低廉且可获得较大的入 射光功率但宽光谱光源发光效率低长时间测量的热效应对结果有不良影响且 功耗过高 2选定波长的半导体激光器 ldld 发光效率高功耗低单色性好是 理想的测量用光源但价格高选择波长受限较大 3选定波长的发光二极管 led其性能介于半导体激光器和宽光谱之间 单色性发光效率都较好价格也便宜且驱动电路设计较激光器简单 考虑到系统电路设计的简化和价格在下面的设计中采用了波长分别为 735nm805nm 和 850nm 的 ledepitex inc.japan作为光源其主要特性如 下正向电流典型值 if50ma光谱半宽40nm引脚及对应波长如图 3.1 所示 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 15 图2.5 引脚与波长对应图 fig 2.5 pinout and functional diagrams of led 对于所采用的 led 光源 利用单片机对其进行了三波长的时分复用 并对所有 光源幅度进行了 10khz 以下的模拟脉冲信号调制 调制信号是由单片机 89s52 产生 的占空比 11 的稳定方波 图2.6 光源的调制 fig2.6 module of the lightsource 电源部分在电路设计中起着至关重要的作要为了获得较好的纹波特性本文 采用了集成三端稳压管 7805 系列实验测得的电源纹波在 1mv 左右基本满足要 求 2.3.2 光电信号转换光电信号转换光电信号转换光电信号转换 探测电路最重要的部分在于光电探测器的选择本文选择 bb 公司的 opt101 集成光电二极管它具备较高的灵敏度0.45a/w和极低的暗噪声电流(120a) 其带宽高达 14khz其光谱特性如图 2.7 850805735 5 321 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 16 图2.7 opt101的光谱响应曲线 fig 2.7 spectral responsivity opt101 集成高质量的运放单元可搭建不同带宽的前置放大电路以适应不 同调制频率的信号采集需要本文采用的串连外接 rc 放大电路如图 2.8 图2.8 探测器集成前置放大电路 fig 2.8 preamplifier cuicuit 2.3.3 通道切换及中间级放大通道切换及中间级放大通道切换及中间级放大通道切换及中间级放大 系统具有 8 个探测电路如果也同时配备相应的 8 个放大和检波通道将会极 大的增加电路复杂度和成本因此采用多路开关 cd4051 做时分复用4051 具有双 向 8 选一功能在 ttl 电平控制下最大可允许 15v 的电压通过其开关状态建立时 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 17 间最大为 55ns漏电流仅为 10pa完全符合信号控制要求 接下去要放大信号以方便后续电路处理在一定范围内信号幅度越大处理越 容易但是本系统中的弱信号比强信号更有价值在放大器的动态范围有限的情况 下为了使弱信号得到足够的放大有时不得不让强信号饱和失真但是一味地放 大微弱信号并不能从本质上提高探测灵敏度因为噪声同样得到了放大比较好的 折衷方案是将略大于噪声的弱信号放大到解调电路刚好可以识别的水平以获得尽 量多的目标细节和足够大的动态范围为了降低模拟开关内阻的影响将输出信号 经过射级跟随器后反向放大 此时信号范围大约在 015v 之间 符合相敏解调的电 压范围46-48 2.3.4 相敏检波与相位调节相敏检波与相位调节相敏检波与相位调节相敏检波与相位调节 相敏检波器是系统的核心部件直接决定了系统的性能因此采用先进的集成 式相敏检波模块 cd505 cd505r2 是由 nf 公司生产的一种功能齐全的相敏探测模 块40能够对频率范围 10hz 到 10khz 信号进行提取放大该模块只需外接少量 电阻电容等元件就可以构成用于微弱信号提取的同步相关解调电路其内部结构 如图 2.9 所示 图2.9 cd505r2内部原理及外接元件图 fig.2.9 block diagram and peripheral components of cd505r2 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 18 该模块除了相敏检波功能外还自带三个运算放大器单元一个带通滤波器一 个低通滤波器和调相单元 所有这些功能的实现只需外接少量分立元件即可 本文只 使用其中的相敏检波psd和低通及调相功能cd505r2 的主要性能指标如下 1输入电压15v输入电流30ma 2封装尺寸54.433.76.5mm type h 3输入放大器差分输入增益1频率特性dc to 10khz最大输入电 压10v 4后置放大器共模输入增益1100频率特性dc to 10khz 5移相器频率范围 10hz to 10khz移相幅度 9045增益1 6相敏检测器频率范围10hz to 10khz同步检测参考 ttl 方波占 空比 11 7低通滤波器1 阶或 2 阶低通滤波器 cd505r2 的参考信号要求为一个占空比为 1 : 1 的方波移相器可以用来调节参 考信号的相位调节幅度为45另外如果后置滤波器用作 90移相和反相放大 器那么再加上一个开关就能够对参考信号的相位在360范围内进行调节 带通滤波器 两个一阶带通 q 值 5 中心频率 10hz to 10khz 增益 0db0.5db 图2.10 ad574的结构框图和引脚图 fig.2.10block diagram and pin configuration of ad574 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 19 2.3.5 程控放大与程控放大与程控放大与程控放大与 a/d 转换转换转换转换 经过相敏解调模块出来的直流信号往往很小因此在进入 ad 转换之间应该放 大到合适的量程由于不同的实验需要因此程控放大可以提升动态范围但是通 常的程控放大芯片的可调增益级数有限且价格较贵因此利用数字电位器 x9c503 配合单运放 lf356 实现程控增益调节x9c503 是非易失性可调电位器它具有 100 抽头总电阻 50k 可调因此能利用它实现 99 级增益调节 a/d 转换是数据采集的核心模块影响模数转换质量的主要参数有 adc 的转换 位数转换时间等由于生物信号多是低频微弱信号因此适用于转换速度较低但 精度较高的 ad 单元本文选择常用的 ad574 芯片ad574 是一种较为常见的逐次 逼近式 12 位 adc 芯片它的转换时间为 25s转换误差为1lsb采用+5v 12v 或15v 电源供电片内有输出 3 态缓冲器可与 8 位或 16 位微处理器直接相 连输出数据可以 12 位一起读出也可以分为 2 次读出输入模拟信号可以是单极 性 0 +10v也可以是双极性5v 或10vad574 的结构和引脚如图 2.10 所示 图中 a0和8/12用于控制转换数据是 12 位或 8 位以及数据输出格式 在1=ce且 0=sc大于 300ns 的脉冲宽度时才启动转换或读出数据因此启动转换或读数可 用ce或sc信号来触发在启动信号有效前r/c 必须为低电平否则将产生读数据的 操作启动转换后 sts 引脚变为高电平表示转换正在进行转换结束后sts 变为低 电平整个模数转换过程由单片机控制和读取数据图 2.11 给出 ad574 的信号时序 (a) convert start (b) read cycle 图2.11ad574的工作时序图 fig.2.11timing of ad574 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 20 2.3.6 单片机的选择单片机的选择单片机的选择单片机的选择 单片机是电路的心脏稳定性是第一强调的要素因此选择 89s52 作为控制芯 片它与 c51 系列管脚兼容除了通常的 io 功能外还具有看门狗功能能有效 防止程序跑飞更重要的是它具有一个方波输出定时器能产生稳定的 11 方波 其频率可调公式为 2.9 公式中 pcap2h 和 pcap2l 分别是 t2 定时器的高字节和低字节可通过单片 机编程来设定 2.4 系统软件设计与数据处理系统软件设计与数据处理系统软件设计与数据处理系统软件设计与数据处理 系统的控制程序分为两个部分上位机程序和下位机程序上位机主要是运行 windows 系统的 pc 机上位机程序主要负责建立与单片机的通信发送控制指令 和接受数据同时显示和保存数据下位机程序是指单片机程序它是一个循环等 待程序时刻准备接受指令和开始采样并将结果返回上位机 2.4.1 pc 机程序设计机程序设计机程序设计机程序设计 图2.12 上位机结构流程图 fig 2.12 the framework of pc 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 21 最后将数据传入 pc 机处理及显示pc 机同时负担控制指令的发送及采集数据 的接受两大部分另外 pc 机软件作为人机接口应该具有友好的程序界面便捷 的操作上位机程序主要运行在 windows 平台下因此选择 delphi7 作为快速开发 平台54-59除了对应单片机的控制指令外还具有数据显示和滤波的功能为了便 于观察用户可以选择任一通道数据显示并可随意放大缩小图表采样指令的发 送频率可任意设置 最短采样周期为 200ms 程序通过 mscomm 控件与串行口通信 采用事件驱动机制能减少系统查询的负担可靠性高上位机的程序流程图如图 2.12 所示下面介绍其主要软件功能 采样时间设置采样时间设置采样时间设置采样时间设置 该功能用于设置采样频率默认每 200ms 采一个循环的数据即通道数3 个 样本信号 增益调节增益调节增益调节增益调节 共有 9 级放大选择可以根据需要上下调节 串口参数设置串口参数设置串口参数设置串口参数设置 可选择不同的串行口和波特率以与下位机对应默认是 9600 和串口 1 选择调制频率选择调制频率选择调制频率选择调制频率 调制频率是指对光源振幅调制的频率通常情况使用 1k 的调制频率即可 选择需要显示的通道选择需要显示的通道选择需要显示的通道选择需要显示的通道 由于最多可能有 8 个通道而每个通道有三个波长信号因此为了方便观察 可以选择需要显示的通道信号 控制菜单控制菜单控制菜单控制菜单 采样开始发送采样指令在该指令发出后参数设置单元都无效 停止暂停采样 当前数据驻留内存 可以继续采样 也可以改变参数设置 复位清空当前全部数据所有通道的采样序列恢复为 0数据不可恢复 保存将当前所有通道的数据保存到指定的文本文件中去 读取当用户需要图形查看以前保存在文件中的数据时可以选择此项 退出关闭采集程序 图 2.13 显示了用户界面控制页集中了主要操作功能如果用户需要查看 文本格式的数据信息可以选择标有数据的页即可以看到当前采集的 10 进制 格式的数据 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 22 图 2.13 图形用户界面 fig 2.13 the interface of program 2.4.2 单片机控制单片机控制单片机控制单片机控制程序的设计程序的设计程序的设计程序的设计 单片机是一个循环等待的程序在上电后自动加载它时刻监视串行口的指令数 据 一旦接收到采样开始的指令后 立即按照已设定的参数对所有通道依次测量一次 具体到某一通道采样时首先模拟开关选中该通道然后延时一段时间时间长度应 为同步相关解调电路时间常数的 6 到 7 倍以上使得解调电路能够建立稳定的输出电 压延时结束单片机控制 ad574 以设定的采样速率采集满预设点数后并切换下 一通道所以通道采样完毕将结果数据通过串口发给 pc 机返回程序开头等待 下一条指令到来其流程图如 2.14 所示 图2.14 单片机程序流程图 fig.2.14. program flow chart of mcu program 更好看更何况更好看好看更好看过后付费核发规划法规和 硕士论文是硕士研究生所撰写的学术论文，具有一定的理论深度和更高的学术水平，更加 硕士是一个介于学士及博士之间的研究生学位(post-graduate)，拥有 从国家管理部门来看，2009年3月的教育部全国专业学位教育指导 23 本文使用 keil 平台编写单片机控制程序它支持 c51 语言规范具有丰富的库 文件以面向不同的单片机产品单片机程序的主要功能函数有 传送数据给上位机传送数据给上位机传送数据给上位机传送数据给上位机 void sendmessage(unsigned char *sendmsg,unsigned int bytecount) 其中第一个参数是指向待传输数据的指针另一个是传输字节数 改变程控放大增益改变程控放大增益改变程控放大增益改变程控放大增益 void adjustpotentiometer(unsigned int direct,unsigned int jumpcount) 其中第一个参数表明增大或减小第二个参数指明增益变化大小 改变调制频率改变调制频率改变调制频率改变调制频率 void changemodule(char h,char l) 其中 h 和 l 分别表示设定的 t2 计数器高位和低位字节 采样函数采样函数采样函数采样函数 void sample() 数据接收的中断函数数据接收的中断函数数据接收的中断函数数据接收的中断函数 void receivechar() interrupt 4 using 0 2.5 通信协议的约定通信协议的约定通信协议的约定通信协议的约定 pc 机和单片机之间主要存在联络查询参数设置测量控制等事件本文使 用串行口通信它具有稳定简单的特点系统中 pc 机和单片机之间的通讯是以字