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荧光信号采集系统设计与分析
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2015-01-22

1 引言

牙齿牙髓活力状态是衡量人体牙齿健康与否的关键,在此摒弃以往用牙髓电活力测试的检测方法,而利用激光照射牙齿而激发牙髓物质产生荧光的机理。研究发现,荧光强度与牙髓活力有密切关系。能反映牙髓是否健康,牙髓是否能康复,通过牙齿的荧光现象判断牙髓活力,是一种诊断牙髓疾病的客观方法。牙齿在短波长激光的照射下可以产生荧光,通过入射光纤照射到牙齿表面,再由出射光纤输出荧光信号,荧光强度会随牙髓活力降低而减弱,将激光诱导荧光技术应用于牙髓活力检测领域。介绍牙髓荧光信号采集与显示电路设计,详细阐述单片机程序设计,实现对荧光信号的采集,包括A/D采集与基于TFT-LCD显示的程序设计。

2 荧光信号检测原理

某些物质受光照射激发能发射比激发光波长更长的光。此物质能从外界吸收并储存能量(如光能、化学能等),并进入激发态;当其从激发态再回到基态时,过剩的能量以电磁辐射的形式放射(即发光),称为荧光。产生荧光必须具备两个条件:物质的分子必须具有与照射光相同的频率;吸收与本身特征频率相同能量的分子。必须具有高荧光效率。

设计原理是利用脉冲调制电路将单色激光转变为调制激光光源。调制激光光源作为系统的激发光源,通过入射光纤直接照射到牙齿表面.基于激发的荧光通过出射光纤反射输出,选择光电倍增管作为荧光接收的光电传感器。由于出射的荧光较微弱,为了直观观察激发出的荧光,设计合理的放大电路,经A/D转换,单片机读取采样数据并进行相应处理。利用TFT-LCD终端显示输出。图1为总体设计框图。

3 采集与显示电路设计

采集系统采用12 bit ADS7804转换器,其内部采用逐次逼近式工作原理,单通道输入,模拟输入电压范围为10 V,采样速率为100 kHz,采样精度达2 mV。信号采集电路如图2所示,AT89C51单片机为控制处理器。其通信接口通过MAX232进行电平转换,直接与TFT-LCD连接。

根据ADS7804器件的采集时序要求,首先将R/C引脚变为低电平;然后在CS引脚输入一个脉冲,并在其下降沿启动A/D转换,此脉冲的宽度要求在40 ns~6s之间;这时BUSY引脚电平拉低表示正在进行转换;经过约8s后,转换完成,BUSY引脚电平相应变高;再把R/C引脚电平拉高,这样,CS引脚脉冲的下降沿即把转换结果输出到数据总线。

AT89C51单片机利用4个I/O端口为ADS7804器件提供工作时序,该时序由单片机软件完成。ADS7804的CS、BUSY、BYTE、R/C分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3相连,将示波器连接P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引脚检测ADS7804一次采集,单片机提供工作时序,图3为MD转换启动时序。

选用TFT-LCD DMT48270S型7英寸液晶显示器作为显示终端。由湿示器与M600人机界面驱动模块组成TFT组合模块,界面支持触摸屏操作。TFT组合模块的特点是:具有串行口,可直接与AT89C51通讯,数据通讯只需3根线;具有统一指令集和硬件接口;完整的TFT面板接口信号,支持所有(TTL/CMOS)RGB接口面板,功耗低。是一种理想的终端显示组合模块。TFT组合设有两种数据传输速率模式:一种为固定模式,其波特率为921 600 b/s,另一种为可设置波特率,其波特率在1 200 b/s到115 200 b/s之间可调。该系统设计选择19 200 b/s波特率,输出界面模式由单片机软件完成。

4 采集与显示程序的设计

4.1 A/D采集程序设计

首先,单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引脚为ADS7804器件提供启动转换时序信号。然后等待A/D转换完成,即等待BUSY引脚电平变高,完成后,ADS781M器件的转换结果是12位,需2次读取8位单片机,最后处理采样数据,AT89C51的P0口读取采集数据,P0.0~P0.7引脚分别连接ADS7804的13~6引脚,根据其使用说明,当BYTE脚为低电平时,数据总线上输出高字节;反之,输出低字节。所以将采集数据有移4位得到真正转换结果。图4是A/D采集流程。

4.2 基于TFT-LCD显示的程序设计

基于硬件电路的设计,通过编写控制与处理程序完成数据采集与数据显示等功能,单片机执行系统所有功能程序,系统软件设计流程如图5所示。

系统上电后,单片机与TFT-LCD液晶屏初始化,主要设置单片机通信协议和显示液晶屏初始化界面,该初始化界面一帧显示2.5 s。

初始化完成后,单片机处于等待接收触摸屏状态,如果接收到坐标数据则调用坐标判断子程序,如果收到自动或单次按键范围内坐标数据,就执行调用A/D采集子程序,完成荧光信号数据的采样与读取。

为能够在TFT-LCD正确显示,需对数据进行格式化转换,读取采样数据判断其正负,然后调用对应子程序处理,该子程序主要完成十六进制数据与对应电压值的转换,电压值与显示屏的坐标位置转换。

转换结束后,调用显示子程序,利用本次采样值相对坐标点与前一次采样值相对坐标点连接的方法,进行连续A/D采集,通过TFT-LCD显示终端实时显示,反映荧光信号强度的动态变化。每次采集时间约为500 ms,自动模式下进行多次采集,单次模式下进行一次采集。为了便于显示屏的人机界面操作,通过触摸屏可设置停止、采集与复位清屏等功能。

5 试验分析

为了测试本系统对牙齿的监测性能,对两种牙齿进行试验检测,一种为蛀牙牙齿,另一种为无蛀牙齿,做5次实验,牙髓荧光信号采集结果如图6所示。

从测量结果看,第1次荧光的相对强度很低,仅0.6 mV,而第2~5次荧光强度信号的幅值较高,同时看到信号并不是一条水平线,说明探头照射位置的改变等因素也会带来一定影响。无蛀牙齿的荧光强度相对有蛀牙齿的要高,变化较明显,说明牙齿的牙髓活力状况与自身的反射荧光大小有直接关系。同时,荧光相对强度与检测放大电路有密切相关,检测放大电路的放大倍数越大,荧光信号的相对强度也越高。

6 结论

基于系统荧光信号的采集与显示电路,采用12位A/D转换器与真彩色、低功耗的TFT-LCD相结合,设计基于单片机的荧光信号采集程序。初步验证了该系统可完成对牙髓荧光信号的采集与显示。在试验中检测的对象数量较少,程序的稳定性有待进一步提高。采集系统设计将为后来系统功能的升级提供帮助。

摘自:中国分析仪器网


【关键词】荧光信号采集系统,检测原理, 试验分析, 奥科官网,北京世纪奥科 

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