皮膚流電響應(yīng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與PC串口通信的設(shè)計(jì)＊

黃 濤，熊繼平，顧葉丹

(浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

隨著信息化的高速發(fā)展，各種巨型醫(yī)療設(shè)備也朝著小型化和嵌入式方向發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護(hù)信息的聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為趨勢。在這些信息中，病人的各種生理診斷信息[1](ECG，EEG，EMG，ERG)以及皮膚流電響應(yīng) GSR(Galvanic Skin Response)都是很重要的部分，如果能將每個(gè)病人的診斷信息都存儲下來，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸、共享，將給醫(yī)療診斷帶來極大的方便。

本文自行研發(fā)的皮膚流電響應(yīng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是基于C8051單片機(jī)芯片研制的一套GSR監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。這種監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)PC與GSR下位機(jī)結(jié)合起來，使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，且能夠充分利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的人機(jī)接口功能、豐富的應(yīng)用軟件、低廉的價(jià)格，組成高性能的PCGSR監(jiān)護(hù)管理系統(tǒng)。另外，考慮目前使用專業(yè)組態(tài)軟件的成本仍然較高，且使用起來不夠靈活，便利用VB下的MSComm通信控件實(shí)現(xiàn)GSR與PC之間的通信，開發(fā)了基于VB的GSR實(shí)時(shí)信號監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 硬件部分

系統(tǒng)的硬件部分包括GSR信號適配電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、串行輸出電平轉(zhuǎn)換等部分。其原理方框圖如圖1所示。PC-GSR監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的輸出信號經(jīng)過GSR信號適配電路轉(zhuǎn)換后，由A/D轉(zhuǎn)換電路在單片機(jī)(C8051)控制下，以固定的速率進(jìn)行A/D采樣，結(jié)果送至單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過串口傳送給計(jì)算機(jī)PC。GSR信號適配電路如圖2所示。

圖2 GSR信號適配電路

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

GSR信號要通過串口傳送，就必須先將GSR模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，設(shè)計(jì)中采用TI公司的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路TLC0820。使用讀模式，其讀模式時(shí)序圖如圖3。TLC0820的 CS、RD信號連接到單片機(jī)的輸出口 P2.0、P2.1，D0～D7連接到單片機(jī)P0口。

圖3 TLC0820讀時(shí)序圖

1.2 單片機(jī)

在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用C8051，其中P0口用于讀入數(shù)據(jù)，P2.0、P2.1用于控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的開始和結(jié)束。P2.2通過一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED，用于指示是否進(jìn)入連續(xù)采樣狀態(tài)，串行口用于數(shù)據(jù)的輸出，輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換連接到PC機(jī)的串行口。

1.3 CP2102

下位機(jī)GSR與上位機(jī)PC進(jìn)行通信的接口是串口，由于現(xiàn)在PC機(jī)上的串口不常用，所以使用CP2102芯片進(jìn)行USB-UART的轉(zhuǎn)換[2]，該芯片支持所有的握手、調(diào)制解調(diào)器接口信號，波特率能夠從 300 b/s到1 Mb/s，最后在PC機(jī)上虛擬出一個(gè)額外的COM端口，這樣就可以把USB當(dāng)成串口來使用。其外接電路圖如圖4。

圖4 CP2102外接電路圖

2 PC機(jī)通信程序

在VB6.0的環(huán)境下開發(fā)PC機(jī)通信程序，利用VB提供的MSComm串行通信控件來完成，MSComm控件串口具有完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能[3]。通過該控件，PC機(jī)可以利用串行口與其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。該控件的事件響應(yīng)有2種處理方式：(1)事件驅(qū)動(dòng)方式：由MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯(cuò)誤及事件；(2)查詢方式：通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯(cuò)誤。由于事件驅(qū)動(dòng)是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法，且這種方法的優(yōu)點(diǎn)是程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高，故筆者采用事件驅(qū)動(dòng)方式。皮膚流電響應(yīng)(GSR)信號的接收程序如下，程序界面如圖5所示。

MSComm控件的OnComm事件，通過程序判斷接收到的數(shù)據(jù)包，幀頭、幀尾和校驗(yàn)幀是否正確，若正確向單片機(jī)發(fā)送對應(yīng)的確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)握手。調(diào)試程序如下：

圖5 VB串口GSR波形顯示界面

本設(shè)計(jì)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)通過調(diào)試，已成功應(yīng)用到項(xiàng)目中，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿足了設(shè)計(jì)需求和功能，對開發(fā)類似的系統(tǒng)具有很好的參考價(jià)值。

該系統(tǒng)不需要外圍供電，可以直接通過PC機(jī)上USB接口供電，連接好后，通過運(yùn)行所編寫VB串口顯示波形程序就可以在計(jì)算機(jī)PC上顯示從手指間采集的GSR信號波形圖，圖5是VB串口顯示GSR波形圖的界面，測試時(shí)間可以根據(jù)需要自行設(shè)定，圖中的測試時(shí)間為50 s。圖5(a)中的波形表示的是測試者以正常步行從一樓爬到五樓實(shí)驗(yàn)室后(樓高10 m)，身體逐漸恢復(fù)平靜的GSR信號曲線圖；圖5(b)中波形表示的是測試者逐漸深呼吸時(shí)顯示的GSR信號變化波形圖。

從圖中也可以看出，波形顯示不是特別的平滑，存在許多毛刺，這取決于采樣速率和分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，如果采用高速和高分辨率(10位、12位甚至更高)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可得到更加高速和高精度的結(jié)果。

[1]EDMONDS W A，KENNEDY T D.A single-participants investigation of the effects of various biofeedback-assisted breathing patterns on heart rate variability： a practitioner′s approach.Biofeedback： Winter 2009， 37(4)：141-146.

[2]CP2102 datasheet[S].SILICON LABS.

[3]胡輝，葉鑫華.RTCM數(shù)據(jù)采集及解碼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，微型機(jī)與應(yīng)用，2009，28(20)：9-12.