專利名稱：便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，特別是涉及一種環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生監(jiān)測(cè)和醫(yī)療監(jiān)護(hù)合為一體的綜合檢測(cè)裝置。
目前，國(guó)內(nèi)外使用的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器有固定式的大型大氣污染監(jiān)測(cè)站(網(wǎng))、流動(dòng)式環(huán)境監(jiān)測(cè)車和便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀三大類。監(jiān)測(cè)參數(shù)包括環(huán)境中同時(shí)存在的物理(氣象)因素，如溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、照度、噪聲；化學(xué)因素有CO、CO2、SO2、NO2、O2、O3。上述固定式和流動(dòng)式監(jiān)測(cè)設(shè)備有同時(shí)監(jiān)測(cè)部分物理(氣象)因素和化學(xué)因素；便攜式環(huán)境監(jiān)測(cè)儀則不能同時(shí)測(cè)量它們。而環(huán)境是一個(gè)整體，這兩種因素往往同時(shí)存在，并處于連續(xù)動(dòng)態(tài)變化中，化學(xué)因素受物理(氣象)因素的影響很大，因此，靠單一因素且監(jiān)測(cè)參數(shù)很少的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器本身，就只能反映出環(huán)境質(zhì)量的部分變化。
對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要目的之一，是調(diào)查各環(huán)境因素的變化情況及其對(duì)人體健康的影響程度，而對(duì)人體健康的評(píng)價(jià)主要是通過人體的基本生理參數(shù)，如體溫、脈搏、呼吸、血壓、心電、心率和血氧飽和度的變化，這些生理參數(shù)亦呈連續(xù)動(dòng)態(tài)變化，它直接受環(huán)境中的物理(氣象)因素和化學(xué)因素的影響。目前的人體生理記錄儀或病人監(jiān)護(hù)儀無(wú)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)。現(xiàn)已傳統(tǒng)的形成了單獨(dú)監(jiān)測(cè)環(huán)境物理(氣象)因素，或化學(xué)因素，或人體生理因素三足鼎立、互不相干的局面，只能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，不能在人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)中發(fā)揮整體功能。已獲得專利權(quán)(專利號(hào)93211005.3)的《便攜式環(huán)境綜合檢測(cè)報(bào)警儀》雖滿足了同時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的物理(氣象)因素和化學(xué)因素的要求，但該儀器的主體是筆記本微型計(jì)算機(jī)，其成本較高，目前推廣較難。
本發(fā)明的目的是從人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程理論出發(fā)，提供一種能同時(shí)對(duì)環(huán)境中物理(氣象)因素、化學(xué)因素和人體生理因素綜合檢測(cè)和綜合評(píng)價(jià)，并能實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、分析、顯示、記錄、打印和告警的便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀器。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該裝置包括傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板、外部設(shè)備及其接口電路和PC機(jī)接口電路。數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板上有高速數(shù)字信號(hào)處理DSP(Dig-ital Signal Processing)芯片為核心，配有相應(yīng)的外圍電路芯片構(gòu)成的單板計(jì)算機(jī)；還有總線接口控制邏輯電路、多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換電路。各種環(huán)境中的物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和人體生理參數(shù)都有其相對(duì)應(yīng)的傳感器，并與信號(hào)調(diào)節(jié)器相連，該調(diào)節(jié)器由單端輸出且增益連續(xù)可調(diào)的放大器構(gòu)成。從信號(hào)調(diào)節(jié)器輸出的各路模擬信號(hào)電壓，共16路，分別送至高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的多路模擬開關(guān)的輸入端。高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的CPU及控制電路對(duì)送至其輸入端的各種模擬信號(hào)電壓進(jìn)行數(shù)字化采集，并將采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存貯，通過應(yīng)用程序?qū)Ω鲄?shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由外部設(shè)備中的液晶顯示屏顯示或通過打印機(jī)接口由打印機(jī)打印輸出。當(dāng)某路參數(shù)超過預(yù)定門限時(shí)，告警電路發(fā)出聲光告警。所有電路、芯片以及電路接口均為常規(guī)技術(shù)，其發(fā)明點(diǎn)是其有機(jī)組合，便于實(shí)施。
為了與各型PC微機(jī)及其兼容機(jī)聯(lián)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PC機(jī))，高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板通過PC機(jī)接口與PC微機(jī)的總線(即含有16位AT總線接口的ISA總線)與PC機(jī)通信傳輸數(shù)據(jù)，這就構(gòu)成了PC機(jī)為主機(jī)，以TMS 320C25為核心的DSP板為從機(jī)的主從機(jī)系統(tǒng)。
在數(shù)字信號(hào)處理中，經(jīng)常要用到卷積、相關(guān)、濾波、快速傅立葉變換、自適應(yīng)濾波和頻譜分析等數(shù)學(xué)運(yùn)算，需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量的乘法和累加運(yùn)算，將采用的16/32位TMS 320C25和40MHz時(shí)鐘的單片式DSP芯片為CPU，配有16位64K字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器RAMCY 7C 198芯片，由兩片EPRO M27C 256和兩片快速靜態(tài)RAMCY 7C 199組成程序存貯器。管理程序和應(yīng)用程序固化在EPROM27C 256上。所有的存貯器均采用雙端口技術(shù)與PC機(jī)聯(lián)通。為了使高速的CPU與低速的外接設(shè)備協(xié)調(diào)工作，插件板上設(shè)有各自由一塊芯片構(gòu)成的多個(gè)緩沖器和加快CPU運(yùn)行速度的半溢出檢測(cè)器。還有多路模擬開關(guān)電路和A/D轉(zhuǎn)換器，前者是分時(shí)將不同參數(shù)接至A/D轉(zhuǎn)換器的程控開關(guān)電路。A/D選用10或12位字節(jié)中速或者高速芯片。
由于便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀集環(huán)境物理(氣象)因素、化學(xué)因素和人體生理因素三為一體，彌補(bǔ)了該三類儀器組合之不足，可大大提高工作效率和整體監(jiān)測(cè)質(zhì)量；亦可用于重癥病人和手術(shù)室病人的全面監(jiān)護(hù)，對(duì)病情進(jìn)行客觀、綜合判斷，提高搶救成功率，降低死亡率。
本儀器以最先進(jìn)的DSP單片機(jī)為主體，可對(duì)16種環(huán)境、生理參數(shù)實(shí)時(shí)、快速的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、記錄、打印和告警，還配有各型PC機(jī)的接口，可滿足不同用戶的需求。
本儀器配有計(jì)算機(jī)軟件程序，可進(jìn)行環(huán)境和生理的多因素分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境與生理的綜合評(píng)價(jià)，達(dá)到綜合防治的目的。
本儀器可廣泛用于環(huán)保、衛(wèi)生、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、工礦企業(yè)、體育、交通、大專院校、科研院所、航空航天部門；也可用于高干病房、高級(jí)賓館、豪華別墅以及辦公室、家庭居室內(nèi)的空氣清新度及人體舒適度的監(jiān)測(cè)；各種空氣凈化器產(chǎn)品的技術(shù)評(píng)價(jià)。根據(jù)市場(chǎng)需求和用戶需要可開發(fā)系列產(chǎn)品，單獨(dú)用于環(huán)保、衛(wèi)生和醫(yī)療部門。
附圖的圖面說明如下

圖1是便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體裝置和工作情況加以詳述圖1示出本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)。各種環(huán)境、生理參數(shù)通過各自的傳感器1變成模擬電壓信號(hào)或電流信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)節(jié)器2放大和增益調(diào)節(jié)成適合A/D轉(zhuǎn)換的工作電壓±10V或±5V。由信號(hào)調(diào)節(jié)器2輸出的各種模擬信號(hào)電壓，分別送至高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理板3的多種模擬開關(guān)的輸入端。高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板是本發(fā)明環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀的主體，它對(duì)送至其輸入端的各路模擬信號(hào)電壓進(jìn)行數(shù)字化采集、存貯和對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，由點(diǎn)陣液晶顯示屏4顯示，操作菜單也由該顯示屏顯示，或通過打印機(jī)接口7送至打印機(jī)打印輸出。當(dāng)某路環(huán)境參數(shù)或生理參數(shù)超過預(yù)定門限時(shí)，由告警電路8發(fā)出聲光告警信號(hào)。操作人員通過20鍵觸摸鍵盤6對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行控制操作，即通過鍵盤改變監(jiān)測(cè)儀的工作方式、變換顯示內(nèi)容、設(shè)置采樣參數(shù)和報(bào)警參數(shù)等。
圖2示出了高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板3的結(jié)構(gòu)。TMS320C25芯片21是以16/32位單片式DSP為CPU，40MHz時(shí)鐘頻率，能將高速控制的靈活性與陣列處理的數(shù)值運(yùn)算結(jié)合起來(lái)，用哈佛結(jié)構(gòu)與流水線作業(yè)，在開啟流水線操作后，一次16位乘法運(yùn)算與一次加法運(yùn)算僅用100ns，即每秒鐘能執(zhí)行一千萬(wàn)條指令。配有數(shù)據(jù)存貯器28，采用64K字節(jié)快速靜態(tài)RAM CY 7C 198芯片；程序存貯器30由兩片EPROM 27C 256和兩片快速靜態(tài)RAM組成，管理程序和應(yīng)用程序固化在EPROM 27C 256上。每次開機(jī)時(shí)，首先將E-PROM上的程序調(diào)入快速靜態(tài)RAM內(nèi)，以便執(zhí)行程序時(shí)快速讀取，從而加快了整個(gè)程序的執(zhí)行速度。所有存貯器均采用雙端口技術(shù)與PC機(jī)聯(lián)通，雙口數(shù)據(jù)存貯器33就是用來(lái)加快環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀與PC微機(jī)通信速度而接入的。應(yīng)用程序通過程序、數(shù)據(jù)地址譯碼器29來(lái)控制各個(gè)存貯器按時(shí)序工作。為了開機(jī)時(shí)協(xié)調(diào)CPU與相對(duì)低速的EPROM工作，加入了插入等待時(shí)序電路27。
為了便于利用各型PC機(jī)來(lái)開發(fā)、調(diào)試本測(cè)試儀，將DSP板做成與PC機(jī)的插件結(jié)構(gòu)形式，將DSP板插入PC機(jī)總線插槽36中，就可構(gòu)成以PC機(jī)為主機(jī)，以TMS 320C25為核心的DSP板為從機(jī)的主從機(jī)系統(tǒng)。加電開機(jī)后，PC機(jī)發(fā)出的控制命令通過DSP板上控制譯碼器39與命令鎖存器38，使板上的程序存貯器和數(shù)字存貯器處于TMS 320C25的管理下工作，同時(shí)存貯區(qū)的地址總線、數(shù)據(jù)總線全部受TMS 320C25控制。當(dāng)PC機(jī)向命令鎖存器38發(fā)出命令時(shí)，使TMS 320C25的地址、數(shù)據(jù)和控制總線處于高阻狀態(tài)，這時(shí)便將控制權(quán)交給了PC機(jī)，PC機(jī)便成為TMS 320C25的開發(fā)系統(tǒng)，即在PC機(jī)上調(diào)試TMS 320C25的應(yīng)用程序、修改程序或數(shù)據(jù)；顯示內(nèi)存內(nèi)容、寄存器內(nèi)容、片內(nèi)存貯器內(nèi)容，以及某些中間運(yùn)算結(jié)果；PC機(jī)還可以通過輸出命令參數(shù)，向TMS 320C25發(fā)出取消保持命令，中斷TMS 320C25等命令，這些命令組合起來(lái)就可使PC機(jī)控制TMS 320C25的加載運(yùn)行。
為了更有效的發(fā)揮TMS 320C25的快速運(yùn)算特點(diǎn)，增加TMS320C25與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)交換能力，為此專門設(shè)計(jì)了2K×16位雙端口RAM33，使TMS 320C25與PC機(jī)之間采用全局存貯器方式構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。該雙端口RAM由IDT132-35與IDT7142-35組成。雙端口RAM中的內(nèi)容允許TMS 320C25與PC機(jī)同時(shí)訪問。雙端口RAM區(qū)對(duì)于TMS 320C25來(lái)講是快速動(dòng)態(tài)RAM的FF80-FFFF區(qū)，具體由TMS 320C25的BR寄存器設(shè)定決定。為了使高速的TMS 320C25與低速的PC機(jī)通信，在兩者間的總線連接處，加接了雙向數(shù)據(jù)總線緩沖器31，地址總線緩沖器34，以及控制總線緩沖器35。
在數(shù)據(jù)處理中發(fā)生溢出的概率很高，為了防止產(chǎn)生溢出，一般在基2算法(指FFT)要求在一項(xiàng)運(yùn)算前所有數(shù)據(jù)的絕對(duì)值小于歸一化值0.5；而基4算法則要求知道一批數(shù)據(jù)的最大絕對(duì)值是否小于歸一化值0.5，還是小于歸一化值0.25，然后進(jìn)行必要的處理。為了不占用判斷時(shí)間，提高數(shù)據(jù)處理速度，專門設(shè)計(jì)了適用于基2或基4FFT算法的半溢出檢測(cè)器40，半溢出檢測(cè)器的輸出可由TMS320C25讀取。
為了使高速的TMS 320C25與低速的外設(shè)點(diǎn)陣液晶顯示屏46和20鍵觸摸鍵盤47通信，設(shè)置了鎖存緩沖器44和鎖存緩沖器45。
由多路開關(guān)22、采樣保持23、A/D變換器24和鎖存緩沖器25構(gòu)成典型的多路采集小系統(tǒng)。為了達(dá)到高速采集，采用了帶采樣保持的高速A/D變換器AD678芯片。多路開關(guān)由兩個(gè)8位多路開關(guān)芯片組成。整個(gè)數(shù)據(jù)采集操作過程都是在TMS 320C25CPU的控制下完成的，從而構(gòu)成16路輸入、分辨率為1/4096、采樣頻率為100KC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
通過鎖存緩沖器48及打印機(jī)接口插座49可將數(shù)據(jù)送至打印機(jī)打印輸出。通過鎖存緩沖器50和音頻放大器電路51及小喇叭52輸出聲音報(bào)警。本儀器采用典型的整流穩(wěn)壓電源53供電，輸出電壓為±5V、±12V。
圖3示出了本發(fā)明的整機(jī)結(jié)構(gòu)。本監(jiān)測(cè)儀的外殼為一鋁合金或硬質(zhì)塑料或玻璃鋼箱體60，箱內(nèi)裝有TMS 320C25板，各傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)器以及整流穩(wěn)壓電源，可用充電的鎳鎘或鎳氫電池。前面板右側(cè)為各傳感器插座64。用于連接環(huán)境中物理(氣象)因素的傳感器，如溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、照度、噪聲傳感器65，通過電纜線連接于傳感器插座，傳感器置于傳感器支架66上；測(cè)化學(xué)因素的傳感器，如CO、CO2、SO2、NO2、O3，連同信號(hào)調(diào)節(jié)器置于箱體內(nèi)，其采氣管則置于傳感器支架上；用于生理因素的傳感器需直接接在人體皮膚表面，如體溫、脈搏、呼吸、血壓、心電電極和血氧飽和度。傳感器插座數(shù)量的多少，視所監(jiān)測(cè)參數(shù)的數(shù)量而定。前面板中間為觸摸開關(guān)鍵盤63，每個(gè)參數(shù)設(shè)一鍵，外加總電源開關(guān)、告警燈、電源顯示燈、欠壓指示燈和過載指示燈鍵。前面板左側(cè)為液晶顯示屏61。箱頂左側(cè)為微型打印機(jī)62。傳感器支架66為一鋁合金型材或硬質(zhì)塑料(PVC)注塑成型的長(zhǎng)方形帶孔眼的雙層板，根據(jù)安放傳感器數(shù)量的多少?zèng)Q定其長(zhǎng)度和孔眼數(shù)，傳感器直徑的大小決定其孔徑大小，傳感器電纜線從下層孔穿出，接于傳感器插座。傳感器支架固定在三角架67上。所有傳感器均應(yīng)穩(wěn)妥置于有保護(hù)包裝(如泡沫塑料)的箱體內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，包括傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板和外部設(shè)備，其特征在于數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板包含高速數(shù)字信號(hào)處理DSP芯片及相應(yīng)外圍電路芯片構(gòu)成的單板計(jì)算機(jī)、總線接口控制邏輯電路、多路模擬開關(guān)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；各種環(huán)境中的物理參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和人體生理參數(shù)各自對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器(1)和一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器(2)，該信號(hào)調(diào)節(jié)器由單端輸出增益連續(xù)可調(diào)的放大器構(gòu)成；信號(hào)調(diào)節(jié)器(2)的輸出端與高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板的多路模擬開關(guān)的輸入端相連；外部設(shè)備包括液晶顯示屏、告警電路、觸摸鍵盤和打印機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，其特征在于高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板是能插入有ISA總線(即含有16位AT總線接口)插槽(36)的插件板，采用16/32位單片微機(jī)，配有數(shù)據(jù)存貯器(28)、程序存貯器(30)，所有存貯器均采用雙端口技術(shù)與PC機(jī)聯(lián)通；同時(shí)還設(shè)有支持存貯器的輔助接口和支持慢速外部設(shè)備工作的插入時(shí)序電路(27)；各由一芯片構(gòu)成的多個(gè)緩沖器；半溢出檢測(cè)器(40)和多路采集小系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，其特征在于高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板采用TMS 320C25和40MHz時(shí)鐘的DSP，數(shù)據(jù)存貯器(28)是16位64K字節(jié)，可選用快速靜態(tài)RAM芯片；程序存貯器(30)由兩片EPROM和兩片快速靜態(tài)RAM組成，管理程序和應(yīng)用程序固化在EPROM芯片上；多路采集小系統(tǒng)由多路開關(guān)(22)、采樣保持(23)、A/D變換器(24)和鎖存緩沖器(25)構(gòu)成；A/D變換器采用帶采樣保持A/D變換器AD678芯片；多路開關(guān)電路由兩片8位多路開關(guān)芯片組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，其特征在于高速數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板做成與PC機(jī)的插件結(jié)構(gòu)形式，將其插入PC機(jī)總線插槽36中，就構(gòu)成以PC機(jī)為主機(jī)，該插件板為從機(jī)的主從機(jī)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，其特征在于傳感器支架(66)是用雙層鋁合金型材或硬質(zhì)塑料注塑制成，支架面上有穿透的園孔，傳感器(65)插入其中，支架被固定在三角架(67)上。
全文摘要
一種便攜式環(huán)境生理監(jiān)測(cè)儀，由傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集與數(shù)字信號(hào)處理板、外圍電路、微機(jī)接口電路、外部設(shè)備組成。被監(jiān)測(cè)的各參數(shù)經(jīng)傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、多路模擬開關(guān)、采樣保持電路送A/D變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由鎖存器鎖存，再經(jīng)數(shù)據(jù)總線送DSP分析處理。本發(fā)明能同時(shí)對(duì)環(huán)境中的物理、化學(xué)因素和人體生理因素綜合檢測(cè)和綜合評(píng)價(jià)，具有自動(dòng)采集、分析、顯示、記錄、打印和報(bào)警功能。用于環(huán)保、衛(wèi)生、醫(yī)療和勞動(dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1142929SQ95107989
公開日1997年2月19日 申請(qǐng)日期1995年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月11日
發(fā)明者任純澤 申請(qǐng)人:任純澤