1、便攜式口腔生物力測量儀的研制    關(guān)鍵詞便攜式；生物力；單片機 摘要一種采用單片機控制、電池供電的便攜式口腔生物力測量儀具有多通道，高精度，寬量程范圍，低功耗，性能穩(wěn)定的特點，可進行數(shù)據(jù)信息的采集、顯示和儲存。有望成為口腔生物力的理想測試儀器。  各種口腔生物力學(xué)測量分析儀器廣泛應(yīng)用于口腔修復(fù)學(xué)、口腔正畸學(xué)、口腔解剖生理學(xué)等學(xué)科，用以研究口腔肌肉壓力、咬合力、顳頜關(guān)節(jié)內(nèi)壓力等生物力，成為口腔生物力測量研究的有效手段。本文研制開發(fā)一種新型、操作方便、穩(wěn)定性好，精度高而又便于攜帶的小型測量儀器，能夠為該領(lǐng)域的研究提供一個較佳的手段。該儀器由硬件和

2、軟件兩部分組成，其核心部分是單片微機系統(tǒng)mcu(micro controller unit),儀器通過固化在單片微機系統(tǒng)內(nèi)的程序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和再現(xiàn)。 1硬件系統(tǒng) 儀器硬件由以下幾個部分組成，其整機原理框圖見圖1。 1.18通道口腔生物力信號檢測電路： 電路前級采用lm324運算放大器，vcc最低3v，輸出擺幅為0v到(vcc-1.5v)，設(shè)計閉環(huán)增益為47db+13db設(shè)計輸出幅度最低值小于1v，最高值大于8v(大約9.6v)，信噪比優(yōu)于50db，其電路示意圖見圖2，t3以前的部分總計有8路，配合8個傳感器實施8點采集，t3以后的部分為公用通道。 1.2高精度a/d轉(zhuǎn)換： 采用

3、analog公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad574。供電電壓±12v，+5v，屬于12位高速a/d芯片(25s)。 1.3單片微機系統(tǒng)： 采用美國atmel公司出品的at89c52 cpu，256byte ram,8k flash rom,3個16bit的定時器，6個中斷源(t0、t1、t2、ex0、ex1、eseial)，2級中斷，工作電壓為4.25-5.5v。  圖1  圖2 1.4液晶顯示lcd： 選用lcd做為顯示設(shè)備，122×32點陣，特點是顯示的信息量足夠大，美觀方便，可用性佳。對液晶顯示器的編程由系統(tǒng)初始化，顯示 ram分配，顯示功能設(shè)置和顯示數(shù)

4、據(jù)輸入等幾個部分。 1.5掉電保護ram： 采用lg的gm76c256，32k byte的容量，尋址32k的容量，地址線為a0-a14，實際應(yīng)用中，選地址線0000h-7fffh。 1.6串行接口電路和電源管理電路： at89c52自帶uart串行接口電路，電源采用4.8v6v直流供電。 2軟件設(shè)計 本儀器的軟件部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，使用c語言對單片機進行編程，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集過程的控制。其主程序流程圖如圖3所示。  圖3主程序流程圖 對于adc部分，有兩個需要特別關(guān)注的地方，一是adc的啟動方式，二是adc如何將數(shù)據(jù)送至mcu。一般來說，為了最大限度地利用adc的采樣速率，可采用自

5、啟動方式，這樣帶來的另外一個問題是如何知道一個數(shù)據(jù)是什么時間采集的。因此最終選用了定時+訪問標(biāo)志位的方法實現(xiàn)采集的啟動。可是需要引起充分重視的是如何實現(xiàn)信道間的切換和標(biāo)志。 在規(guī)定時間到達后，如果允許啟動，則啟動ad574，其程序流程圖見圖4，ad574的轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，標(biāo)志啟動mcu的ex0外中斷。  圖4timer0中斷子程序 這部分程序設(shè)計的思路是：轉(zhuǎn)換結(jié)束后，由外中斷程序分別采集高與低byte數(shù)據(jù)，再繼續(xù)數(shù)據(jù)合并。用查詢方式處理數(shù)據(jù)傳輸所需時間太長，不符合程序優(yōu)化的設(shè)計思想，而采用exo外中斷來完成數(shù)據(jù)傳輸。 外存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：外存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用uint(unsigned int

6、)類型，格式為：高12bit為數(shù)據(jù)，低4bit為通道標(biāo)志。 數(shù)據(jù)采集結(jié)果用uint類型，每個采集結(jié)果占1個uint，低4 bit采集數(shù)據(jù)值通道標(biāo)志。如果有一個xdata(例如ad574的結(jié)果)的數(shù)據(jù)，希望送至mcu，那么程序如下： uint ssampleadc(uchar chan) uint result; uchar temp; temp=xbyte0xc000;高byte result=temp*256; temp=xbyte0xc100;低byte relult+=temp; result&=0xfff0;低4bit清零 result+=chan&0x0f;標(biāo)識通道標(biāo)

7、記 return result; 2.1串行通訊子程序 串行通訊需要用到串行和t1兩個資源，t1用model方式，不產(chǎn)生中斷，作用是串行通訊的波特率時鐘，一旦向外傳一個數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)個數(shù)減低位指針加1。串行通訊的ri與ti共用一個中斷源，當(dāng)外界發(fā)出傳送數(shù)據(jù)要求時才傳送數(shù)據(jù)。 2.2鍵盤子程序 因為是便攜式測量儀器，鍵盤子程序是一個很重要的輸入輸出環(huán)節(jié)，這里處理鍵盤使用void main(void)的循環(huán)函數(shù)，鍵盤必須包括的鍵有：測量開始/結(jié)束；功能選擇(測量/分析)，這部分和儀器的好用性關(guān)系很大。鍵盤數(shù)值由p1口輸入，其子程序原形為： void prockeyboardc() bwait15

8、mstag=1; do while(bwait15mstag);由timer0清零 switch() default:break; case k0down;prockoboardc();break; case k1down;prock1boardc();break; case k2down;prock2boardc();break; case k3down;prock3boardc();break; case k4down;prock4boardc();break; return; void main() do if(p1&0xff)有鍵盤按下 prockeyboardc();調(diào)用鍵盤

9、function while(noerrortag); return; 2.3主程序與顯示程序 任何的c程序總是從main()開始執(zhí)行，main()主要完成程序的初始化工作，一旦初始化結(jié)束，主程序就不再有什么意義，只是再做一些時間不敏感的工作，至于時間敏感的部分則由中斷程序完成。所有的工作通過中斷及子程序的相互調(diào)用來完成。因為顯示子程序與鍵盤子程序不需要特別的資源，故可以放在主程序中，一旦初始化結(jié)束就周而復(fù)始的顯示有關(guān)信息。 2.4通道的識別與確認(rèn) 對于生物測量，同步測量具有很重要的意義。多通道測量可以很有效的解決同步測量的問題。對于ad574(12bit)，如果作為數(shù)據(jù)存儲，則至少有4bit

10、可以作為數(shù)據(jù)標(biāo)識，只用8個通道，故只需3bit即有足夠分辨精度，其中ch0為default(缺省)。數(shù)據(jù)采集一旦開始，要設(shè)置有關(guān)全局變量currentchannel,一但開始采集，除非本次結(jié)果被輸入到sram，否則，不允許下一次采集。這個任務(wù)由標(biāo)識來識別。這個參數(shù)的最高位作為參數(shù)改變的標(biāo)志位，無論什么原因，只要標(biāo)志位改變，則本次數(shù)據(jù)采集無效。currentchannel的低4bit(只用了3個bit)作為通道標(biāo)志。采集結(jié)果的高8bit送入sram，低4bit則由通道標(biāo)識來替代。 2.5開關(guān)電源 作為便攜式儀器，電池的選擇也是很重要的，兼顧到價格和耐用性，以4節(jié)5號電池作為電源，可選用的ic很多

11、，對于本機，要求為：1.低電壓，輸入電壓小于4.8v時應(yīng)有效工作；2.多組輸出，因為mcu、mem、adc、lcd電壓的多樣性，如果采用非隔離方式，那么就需要3-4組類似的電源，效果還是不好，而采用變壓器方式，就可以有效提供必須的電壓。最終選了tl5001，最低工作電壓為3.6v。 有效利用stand-by模式和sleep模式，因為是采用電池供電，故應(yīng)對節(jié)電給予高度的關(guān)注，一旦儀器長時間不用超過一定時間，就自動進入節(jié)電模式，這部分內(nèi)容會因硬件的不同而有變化，這里不具體討論。 3結(jié)論 該儀器軟件設(shè)計由于采用了模塊化結(jié)構(gòu)，因而具有良好的可擴充性，通過增加相應(yīng)的模塊，結(jié)合相應(yīng)的傳感器，可廣泛應(yīng)用于多種生物力的測量與研究。在硬件方面，采用了成熟的微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)，使該儀器具有體積小、重量輕、便于攜帶、操作簡便、性能穩(wěn)定、精度高等特點，因此極具推廣價值。 在實際應(yīng)用中，對30余例口腔替牙期反合患者的口周力進行了測量研究，所