摘 要： 為了對動物藥理實驗進行監(jiān)測，借助單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和RS485串行通信技術(shù)等，開發(fā)了一套分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動物藥理實驗自動監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的組成及實驗結(jié)果?，F(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性和精度高、成本低、使用方便、可維護性好等優(yōu)點，而且簡化了結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞： 自動監(jiān)控系統(tǒng) 單片機 RS-485總線 動物藥理
為了研究人在高空環(huán)境中的生活與使用藥物的影響，常常需要對與人生活密切相關(guān)的溫度、氣壓及人的活動狀態(tài)進行監(jiān)測。在科學(xué)實驗中，常常需要模擬這些溫度、氣壓等環(huán)境條件，用與人體生理特征相似的動物作為研究對象，通過對一組動物在不同溫度、氣壓和藥劑量的情況下的動物活動狀況的監(jiān)測，來分析各種因素之間的聯(lián)系，從而指導(dǎo)人們的用藥。目前，在常見的動物藥理實驗監(jiān)測現(xiàn)場中，對動物環(huán)境的溫度和氣壓多采用傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字儀器測量方法，而對動物的活動狀態(tài)則使用人工監(jiān)測或攝像等方法。這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方法因其精度低、記錄數(shù)據(jù)可靠性差、數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)功能不強等原因，越來越不能滿足實驗現(xiàn)場的需要[1]。這里，針對醫(yī)院動物藥理實驗檢測現(xiàn)場的需要，開發(fā)了一套動物藥理實驗自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測動物環(huán)境的溫度、大氣壓力和荷重，并可根據(jù)控制需要調(diào)節(jié)動物所處高壓倉的溫度和氣壓。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)由一臺監(jiān)控主機(PC機)和多臺(最多32臺)智能數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集儀(前端單片機)組成。智能數(shù)據(jù)采集儀能自動采集、顯示和存儲一段時間內(nèi)的多路溫度、壓力、荷重等數(shù)據(jù)，并能進行一定的數(shù)據(jù)處理，而且還能控制高壓倉的加熱設(shè)備和空氣壓縮機。監(jiān)控主機具有友好的人機界面，通過串口與前端單片機通信，對前端單片機進行各種參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集，并能把接收的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、圖表顯示和打印輸出，而且還能按照用戶的具體要求做進一步的數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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2 智能數(shù)據(jù)采集儀
智能數(shù)據(jù)采集儀由單片機、傳感與檢測模塊、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、硬件時鐘模塊、人機界面模塊和通信模塊等部分組成。智能數(shù)據(jù)采集儀如圖2所示。單片機作為應(yīng)用系統(tǒng)的控制中心，完成多路信息(溫度、壓力、荷重等)的實時采集，以及對定時采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、求平均值、分時存儲等，并根據(jù)主機發(fā)送過來的控制參數(shù)，對被測對象的溫度、壓力等參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)。
2.1傳感與檢測模塊
因為需要檢測動物籠中的溫度、空氣壓力和動物的活動能量，因此設(shè)計了測溫、測氣壓和測動物活動能量三個模塊，各模塊分別采用溫度、荷重、氣壓傳感器進行采集。
2.1.1 測溫電路的設(shè)計
把溫度傳感器LM335作為一個兩端器件與一個電阻串聯(lián)，再加上適當(dāng)?shù)碾妷?，就可以得到靈敏度為10mV/K、直接正比于絕對溫度的測溫電路模塊。
2.1.2 測壓模塊的設(shè)計
測量動物所處的動物籠內(nèi)的空氣壓力(高壓密封倉內(nèi)的空氣壓力)以及籠外的空氣壓力，采用Motorola公司生產(chǎn)的MPX100集成應(yīng)變式壓力傳感器模塊來完成。這個模塊采用X形壓敏電阻，實現(xiàn)了0℃～85℃范圍內(nèi)的溫度補償[2]。
2.1.3 動物活動能量測量模塊的設(shè)計
動物活動的能量與動物活動的劇烈程度有直接的關(guān)系，動物活動的劇烈程度可以通過荷重傳感器的變化程度反映出來，因此可以用荷重傳感器的變化量來近似表示動物的活動能量。選擇OP-07運算放大器作為荷重放大電路，放大倍數(shù)為300，以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
系統(tǒng)需要檢測的信號量共有八路(兩路溫度、兩路氣壓與四路荷重)。微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543之間的數(shù)據(jù)傳送采用軟件合成SPI操作來實現(xiàn)。二者之間的接口電路" title="接口電路">接口電路如圖3中左半部分所示。TLC2543的I/O CLOCK、DATA INPUT和CS由單片機的雙向I/O口的P11、P12和P10提供。TLC2543轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)由P13接收。為了檢驗A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確性，另外選擇了通道AIN9連接參考電壓Vref、通道AIN8連接GND作為檢測A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果正確與否的檢測通道，使系統(tǒng)具有A/D轉(zhuǎn)換器件的自檢功能，以保證系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換的可靠性。
2.3 實時時鐘模塊
硬件時鐘較軟件合成的時鐘準(zhǔn)確性高。硬件時鐘采用DS12887來提供。DS12887片內(nèi)共有128個字節(jié)的帶有掉電保護功能的RAM[3]。另外，DS12887具有頻率可調(diào)的方波輸出能力，可以利用該特性來定時采集A/D數(shù)據(jù)，連接DS12887的SQW管腳與89C51的
端，由DS12887的方波觸發(fā)89C51的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷0，實現(xiàn)系統(tǒng)精確的定時采集，從而便于進一步的數(shù)據(jù)處理。接口電路如圖3中右半部分所示。
2.4 人機界面設(shè)計
鍵盤采用4×4距陣鍵盤，鍵的功能定義分為數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵為0～9，系統(tǒng)的功能鍵主要有CLR(清除鍵)、OK(確認鍵)、MENU(主菜單鍵)、上翻鍵、下翻鍵。液晶顯示器選用信利公司的產(chǎn)品，其分辨率為128×32點陣。人機界面接口設(shè)計如圖4所示。
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2.5 功率接口與看門狗模塊
為了對被測對象所在環(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)進行調(diào)控，系統(tǒng)必須與大功率的外部設(shè)備如壓縮機、空調(diào)等接口。同時為防止干擾造成程序跑飛而破壞RAM存儲器中的數(shù)據(jù)，采用X25045可編程看門狗監(jiān)控芯片來設(shè)計看門狗監(jiān)控電路。
2.6通信模塊
監(jiān)控主機和多臺自動數(shù)據(jù)采集儀之間采用串行總線型主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的半雙工通信。通信模塊由單片機、RS485通信接口電路和RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換電路組成。
采用MAX485實現(xiàn)單片機的TTL電平與RS-485通信協(xié)議的接口電路。由于串行總線在任一時刻只允許一對接口進行通信，每臺智能數(shù)據(jù)采集儀都有自己唯一的通訊地址碼，因此只有當(dāng)監(jiān)控主機選中相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀時，才能對其動物籠內(nèi)的動物活動情況進行實時監(jiān)測或?qū)v史記錄數(shù)據(jù)進行采集。
由于PC機是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口，為了使PC機數(shù)據(jù)能夠通過RS-485串行數(shù)據(jù)總線傳輸，需要設(shè)計RS-232串行電平轉(zhuǎn)換成RS-485協(xié)議電平的接口電路。通信電路如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件
系統(tǒng)軟件包括PC機應(yīng)用軟件和單片機應(yīng)用軟件。單片機軟件主要實現(xiàn)定時數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、存儲、顯示、通信處理等功能； PC機軟件主要是對數(shù)據(jù)進行進一步處理，實現(xiàn)實時監(jiān)測、動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制、報表顯示以及打印輸出等功能。
3.1 PC機應(yīng)用軟件設(shè)計
PC機數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是完成對前端數(shù)據(jù)分站的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、動態(tài)模擬、曲線及報表繪制、打印輸出等。程序采用VB6.0編程語言編寫。VB6.0建立在多任務(wù)方式的基礎(chǔ)上，具有編程簡單、圖形功能豐富等優(yōu)點[4]。軟件采用按鈕式界面，用戶可以象操作按鈕式儀器一樣使用它。其軟件分層圖如圖6 所示。
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3.2單片機軟件設(shè)計
單片機軟件由主程序、外部中斷程序、串行口中斷程序三個模塊組成。主程序主要由中斷方式、串行口方式、定時器方式初始化，RAM、ROM、CPU運算，I/O檢測，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲判斷，液晶顯示等程序模塊組成；外部中斷程序是利用硬件實時時鐘DS12887定時觸發(fā)單片機的外部中斷，實現(xiàn)控制系統(tǒng)A/D的采集頻率；串行口中斷程序?qū)崿F(xiàn)單片機與主機交換信息和數(shù)據(jù)。
動物藥理實驗自動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在空軍醫(yī)院現(xiàn)場得到實驗及應(yīng)用。經(jīng)過近一年來的實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可滿足某部隊醫(yī)院動物藥理實驗中監(jiān)測現(xiàn)場溫度、壓力、動物活動能量時對監(jiān)測精度、穩(wěn)定性等的要求；現(xiàn)場監(jiān)測抗干擾能力強、可靠性高；各采集區(qū)采用RS－485總線結(jié)構(gòu)，布線和維護簡便，柔性和擴展性強；系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面友好、操作簡便，能實時采集、顯示和存儲數(shù)據(jù)。因而，對需要大量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和采集的場合非常實用，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價值。
參考文獻
1 胡秉誼，白 凈. 遠程醫(yī)療系統(tǒng)前端的設(shè)計和實現(xiàn).儀器儀表學(xué)報，1999；20(3)
2 劉君華. 智能傳感器系統(tǒng).西安： 西安電子科技大學(xué)出版社，1999(3)
3 李朝青. 單片機原理及接口技術(shù). 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994(9)
4 范逸之. Visual basic 與RS232串行通訊控制.北京：中國青年出版社，2000(8)