皮膚流電響應監護系統與PC串口通信的設計＊

黃 濤，熊繼平，顧葉丹

(浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004)

隨著信息化的高速發展，各種巨型醫療設備也朝著小型化和嵌入式方向發展，醫療監護信息的聯網已經成為趨勢。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 GSR(Galvanic Skin Response)都是很重要的部分，如果能將每個病人的診斷信息都存儲下來，并通過網絡傳輸、共享，將給醫療診斷帶來極大的方便。

本文自行研發的皮膚流電響應監護系統是基于C8051單片機芯片研制的一套GSR監護系統。這種監護系統將計算機PC與GSR下位機結合起來，使兩者優勢互補，且能夠充分利用個人計算機強大的人機接口功能、豐富的應用軟件、低廉的價格，組成高性能的PCGSR監護管理系統。另外，考慮目前使用專業組態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通信控件實現GSR與PC之間的通信，開發了基于VB的GSR實時信號監護系統。

1 硬件部分

系統的硬件部分包括GSR信號適配電路、模數轉換、單片機、串行輸出電平轉換等部分。其原理方框圖如圖1所示。PC-GSR監護系統的輸出信號經過GSR信號適配電路轉換后，由A/D轉換電路在單片機(C8051)控制下，以固定的速率進行A/D采樣，結果送至單片機，單片機再將數據通過串口傳送給計算機PC。GSR信號適配電路如圖2所示。

圖2 GSR信號適配電路

1.1 模數轉換

GSR信號要通過串口傳送，就必須先將GSR模擬量轉換成數字量，設計中采用TI公司的8位模數轉換集成電路TLC0820。使用讀模式，其讀模式時序圖如圖3。TLC0820的 CS、RD信號連接到單片機的輸出口 P2.0、P2.1，D0～D7連接到單片機P0口。

圖3 TLC0820讀時序圖

1.2 單片機

在本設計中，單片機采用C8051，其中P0口用于讀入數據，P2.0、P2.1用于控制模數轉換的開始和結束。P2.2通過一個三極管驅動一個LED，用于指示是否進入連續采樣狀態，串行口用于數據的輸出，輸出的數據經過電平轉換連接到PC機的串行口。

1.3 CP2102

下位機GSR與上位機PC進行通信的接口是串口，由于現在PC機上的串口不常用，所以使用CP2102芯片進行USB-UART的轉換[2]，該芯片支持所有的握手、調制解調器接口信號，波特率能夠從 300 b/s到1 Mb/s，最后在PC機上虛擬出一個額外的COM端口，這樣就可以把USB當成串口來使用。其外接電路圖如圖4。

圖4 CP2102外接電路圖

2 PC機通信程序

在VB6.0的環境下開發PC機通信程序，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據的發送和接收功能[3]。通過該控件，PC機可以利用串行口與其他設備實現輕松連接，簡單高效地實現設備之間的通信。該控件的事件響應有2種處理方式：(1)事件驅動方式：由MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯誤及事件；(2)查詢方式：通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯誤。由于事件驅動是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法，且這種方法的優點是程序響應及時，可靠性高，故筆者采用事件驅動方式。皮膚流電響應(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據包，幀頭、幀尾和校驗幀是否正確，若正確向單片機發送對應的確認，實現握手。調試程序如下：

圖5 VB串口GSR波形顯示界面

本設計監護系統通過調試，已成功應用到項目中，運行穩定、可靠，滿足了設計需求和功能，對開發類似的系統具有很好的參考價值。

該系統不需要外圍供電，可以直接通過PC機上USB接口供電，連接好后，通過運行所編寫VB串口顯示波形程序就可以在計算機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，測試時間可以根據需要自行設定，圖中的測試時間為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驗室后(樓高10 m)，身體逐漸恢復平靜的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轉換芯片，如果采用高速和高分辨率(10位、12位甚至更高)的模數轉換芯片，可得到更加高速和高精度的結果。

[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數據采集及解碼器設計與實現[J]，微型機與應用，2009，28(20)：9-12.