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我院机能学实验室现有日本生产的多道生理记录仪5台，购于吉林大学合校之前，价值上百万。此仪器主要用于生理、药理和病理生理教学和科研实验。但这种老式医用多道生理记录仪存在许多缺点，如记录笔容易损坏，不能长期记录；光敏记录纸不能长期保存，记录结果不便于分析和及时回放，只能记录不能分析等，已不能满足现代实验教学需要[1]。随着现代电子技术和计算机技术的发展，既能记录又能分析和储存的实验手段已成为一种发展趋势。目前，采用多媒体计算机进行实验教学成为新型教学模式的需要[2]。因此，本研究以MSP430F149单片机为控制中心，设计开发了一种数据采集系统，将RM-6000型医用多道生理记录仪改进为一种生物信号的显示、处理、储存和分析的数字化系统，并将计算机运用到医学机能实验教学中来，逐步改善传统教学方式，同时也是开展机能实验教学改革的一个重要方面[3]。

1 数据采集系统的总体结构设计

数据采集系统分为硬件设计和软件设计两大部分，其总体结构如图1所示。

2 硬件设计

硬件设计包括电平转换电路、中央控制电路、键盘输入电路、液晶显示驱动电路、微机通信电路。

2.1 电平转换电路

多道生理记录仪输出电压范围为正负十几伏，而TI公司生产的MSP430系列单片机是一类具有超低功耗的16位单片机，其输入电压范围是1.8～3.6 V，所以需要电平转换电路和电平抬升电路。采用的放大器为OP07放大器，是一种高精度、低噪声、非斩波、稳零的双极性单片运算放大器[4-5]。

2.2 中央控制电路

本研究采用低功耗MSP430149单片机系列为控制中心，整体用低电源电压为1.8～3.6 V。MSP430F149单片机是一种高集成单片机，具有60 k闪存ROM，2 k RAM，6个端口，2个16位计算器，2路UART通信端口，5种省电模式，并具有端口和计数等多种中断模式[6]；内部集成有8通道12位精度的A/D转换模块ADC12，自带采样保持和2个串行通信接口，其最大采样速率可以达到200 ksps[7-8]。利用单片机片内功能实现A/D转换（将放大后的模拟信号转换成数字信号），使系统硬件电路简单，从而可降低系统的开发成本，提高系统的可靠性[9]。

2.3 键盘输入电路和液晶显示电路

（1）键盘输入电路使用行列扫描的方法来实现键盘接口（图2），使用MSP430单片机的I/O接口P2口的6条线来控制8个键盘。其中P2.4、P2.5、P2.6、P2.7分别是键盘列线，P2.0和P2.1分别是键盘行线，在行线与列线的每一个交汇处有个键盘，由2行4列组成8个矩阵键盘。无按键时，行线输出是高电平，列线初始化是低电平，读列线数据为0；如果有按键按下，则读列线数据为非0。由此可判断是否有按键按下。

（2）液晶显示电路如图3所示。使用MSP430单片机的I/O接口P4、P5口的11条线来控制1602液晶显示屏的显示，其中MSP430单片机的I/O接口P4.0～P4.7分别为数据总线与1602液晶显示屏的数据线接口DB0～DB8相连接，MSP430单片机的I/O接口P5.0～P5.2分别为控制总线与1602液晶显示屏的控制线使能信号E、起振/命令选择RS和读/写选择R/W相连接。MSP430F149的I/O接口电压是+3.6 V输出，1602液晶屏接口的电压是+5 V驱动。使用SN74LS07芯片[10]进行MSP430单片机的I/O接口与1602液晶屏接口之间电平转换。

2.4 微机接口电路

微机接口电路如图4所示。单片机MSP430F149与微型计算机的通信通过异步模块（USART）来实现。使用MSP430单片机的I/O接口P3.6和P3.7作为MSP430F149的USART异步通信的接口。微型计算机COMX口（即标准RS-232口）[11]是USART异步通信的接口，微型计算机USART接口的界面是9针D型插头（COMX）。MSP430F149的I/O接口电压是+3.6 V输出，微型计算机COMX口接口的电压不是+3 V驱动，通过SP3220芯片来实现单片机MSP430F149的USART口与微型计算机的COMX进行连接（电平转换）[12-13]。通过软件对USART初始化，设置一系列寄存器后，包括USART控制寄存器、UXCTL、波特率控制寄存器，如UXBRU、UXBR1、UXMCTL波特率控制寄存器UXMCTL等。由MSP430F149单片机的USART模块硬件自动实现数据的移进和移出，完成串行通讯的功能。

3 软件设计

软件系统的MSP430监控软件采用C语言编写，微机显示分析处理软件采用VB语言编写[14-15]。MSP430监控软件主要有内容总控程序、硬件初始化程序、A/D转换程序及微机通讯程序的开发等。

3.1 总控程序软件

MSP430监控软件总控程序流程图如图5所示。主控程序开始先对单片机硬件接口，其中包括输入输出口、定时器、A/D转换等器件进行初始化设置，然后循环执行键盘输入程序，循环程序中等待键盘的输入按键，根据按键判断再转到执行A/D转换、微机通信等不同功能的程序。

3.2 A/D转换程序

A/D转换程序采集数据是等间隔进行的。其实现方法是采用定时器中断方式进行，设置定时中断，在定时中断服务程序中完成采集数据、储存数据、传输数据等操作。为保证等间隔的采样数据，软件用C语言实现中断服务程序的设计。

3.3 微机显示分析处理软件

VB采用的是面向对象驱动事件的方法。其可视化编程可分为设计界面、设置属性和编写代码3个基本过程。在VB集成开发环境界面中，设计主界面窗体的所需各个对象（即往窗体中添加控件），包括菜单栏、工具栏、命令按钮、文本框、图片框等控件；再根据需要对所设计的控件选择规定相应的属性；最后编写控件的事件过程的程序代码。

PC微机端采用Visual Basic6.0进行程序设计，其主要功能是对多道生物记录数字化采集的数据进行实时显示、数据处理和数据存储。功能的实现：① 通过微型计算机与MSP430单片机之间的串口通讯程序，即通过Visual Basic的MSComm控件实现此功能[16]，通过串口通信程序将MSP430单片机控制采集的实时数字化数据传入微型计算机内存之中；② 在微型计算机中将采集的实时数字化数据显示和存储。实时数字化数据显示是通过Visual Basic的图片框控件实现此功能。在VB的图片框控件中，建立图形坐标系，水平方向（x轴）为横坐标，横坐标的值是表示等间隔的采集数据时间；垂直方向（y轴）为纵坐标，纵坐标的值代表显示实时采集数据的电压幅值，用函数Pset(x,y)及Line(x1,y1-x2,y2)在坐标系中显示采集的数据。实时数字化数据存储是将内存采集实时数据存储在外部存储器中，其目的是因为外部存储器（磁盘存储器）上的数据不会由于计算机断电而丢失。在VB的文件基本操作中，通过打开文件Open语句及关闭文件Close语句实现实时数字化数据存储。

4 多道数据采集系统测试及应用

多道数据采集系统实现模拟量向数字量的转化。多道数据采集系统采集的生物信息包括血压、呼吸和心电等，大多数的频响范围是在零到几百赫兹，属于低频范围。基于此，我们设计数字化的采样频率应从1～500 ms/s内变化。在此采样频率范围内，根据夏浓定理，数字信号的采集不会使模拟信号失真，如此可保证多道数据采集系统的有效性和可行性。

在系统软、硬件设计完成后，按照设计思路对系统进行综合调试修改。完成总体调试后，我们对多道模拟记录仪产生并输出标压信号进行采集，再对此数字化的信号进行测试验证。验证方法为对每一通道标压信号源输出直流信号1、5、10 mV，取6次采样测试值的均值作为1次检测结果并记录，以反映采集系统的准确度。因8个通道的设计完全相同，在此仅以其中4个通道为例。测试系统实物如图6所示，检测结果如表1所示。

综合检测平均值和标准差结果分析可知，采集系统能够实现多通道、高准确度的数据采集。将本采集系统应用于生理、药理和病理生理机能学实验中，对实验动物的血压、呼吸和心电等指标进行实时监测、记录、保存、分析、输出与打印等，实现实验数据的数字化，并验证了该采集系统的稳定性和可靠性。

5 结语

通过我们研制的数据采集系统，可以实现医用多道生理记录仪与微机系统连接，对医用多道生理记录仪进行了数据化的改进，克服了使用记录纸记录实验数值的缺点，使老式仪器现代化，适应于现代实验室教学和科研的需要。该数据采集系统以MSP430F149单片机片内集成有ADC12模块，可以节省专用的A/D转换芯片，不仅简化了系统的硬件电路，而且使用灵活[17]；FLASH型MSP430系列单片机具有十分方便的开发调试环境，内有JTAG接口，还有可电擦写的FLASH存储器，存储容量大。将两者结合在一起用来开发医用多通道数据采集系统，降低系统的开发成本，结构简单，方便设计者使用。经过改造后的装置可以替代医用多道生理记录仪上的记录仪和示波器，做到功能强化，一机多用，广泛应用生理、药理和病理生理机能学实验的生物信号采集，实现数据的传出、转化与存储。

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医用多道生理记录仪数字化装置研制

引言