基于C8051F340的血液流变仪设计及其USB通信.pdf

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基于C8051F340的血液流变仪设计及其USB通信
田学降,林芳钦
重庆大学生物医学工程系,重庆(400030)
Email: [alin(@foxmail comm
摘要:血液粘度是血液流变学的一项重要指标,而血液粘度检测是研究、诊斷及治心脑
血管疾病的基础。本文以流体力学的泊肃叶公式( Poiscuilic)为原理测量牛顿流体一一血浆
的粘度,并以卡森( Casson)流体模型为原理测璗非牛顿流体一一全血的高、中、低切粘度
设计采用 Silicon Labs公司片上资源丰富的C8051F340单片机为控制核心,最大程度的减
外围器件,简化电路,设计并实现一种控制精度高、可靠性好、抗干扰性好的U型毛细血
管式血液流变仪。文章还详细介绍了基于C8051H340单片机的USB通信实现方法,包括上
位机驱动程序的调用和下位机固件程序的编写。最后对仪器进行血浆粘度和全血粘度测试分
析,证明本设计测量性能良好,结果计算准确,且测量结果重复率达到2%以下,实现设计
要求。
关键词:C8051F340:USB;血液流变仪
中图分类号:TH77
血液流变学是研究血液中的血细胞的变形性及血浆的流动性対血液流动影响规律的
」学科。国内外许多研究表明,血液流变学指标与心脑血管疾病等的发生其有高度相关性以
通过研究血液流变学指标与心脑血管疾病的发病机理的关系,从而进一步研究这类疾病的预
防、诊断及治疗已成为生物医学工程和医学研究领域的一个热点。血液粘度作为重要的血液
流变学指标,用于医学研究和临床诊断具有重要的参考意义。
2.血液粘度测量原理
血液流变仪是测量血液粘度的仪器,目前市面上主要的血液流变仪主要有两种:锥-板
式旋转粘度仪和毛细管式粘度仪。锥板式黏度仪是根据圆锥的儿何学常数及带动圆锥旋转的
支撑轴扭转常数为已知的应变力,计算出切变率与切应力,并由两者之比得到被测流体的实
际度值。本文设计的是毛细管式血液粘度计,其原理是:
根据泊肃叶公式计算牛顿流体一一血浆的粘度:
xR1△P
中为体积流量、△P为管两端差、L为管长、R为管半径、I为流体黏度、ア
为半均流述。可得血浆粘度计算公式H8Q
xR1△P
根据 Casson流体模型计算非牛顿流体全血的粘度:
借坳 Poiscuilc公式,剪切率可表示为:
47
TRR
其中,y表示管壁的剪切率,び表示平均速度,Q表示体积流量。
利川Ca流体模型:√=て+√に、
当x
由可得到如下全血粘枯度计算公式:7ん+で/+2√kJ/ァ
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其中,7为全血粘度,7为剪切率,k为 Casson模型粘度常数,て为 Casson屈服应力
3.系统总体设计
早期的U型毛细管式血流变仪通常采用带RS-232通信的PCI采集卡的控制结构,这
种方式存在 Windows多任务操作系统下容易受到扰、控制精度不高等缺点。现有的U型
毛细管式血流变仪虽然舍弃了PCI采集卡方式,但仍然采川RS-232接口,其通信速率最高
仅为115200bps,难以满足日益丰富的功能及快速检测需求。
本文设计的血流变仪系统采用基于USB接口的上.下位机结构,USB2.0设备数据传输
速率最高可达480Mbps,本文所采川的C8051F340单片机支持USB2.0的全速协议,数据传
输率可达12Mbps。由于USB传输使用的是差分传输方式,并且下位机采用片上集成USB
控制器的单片机,使得整个系统运行更加可。
3.1下位机结构
下位机总体框图如图1所示。图1中测量主体由U型毛细坡璃管、电机、电磁阀、进样
排样、空气通道和步进电机及其带动的采样针、转祉等组成。
玉力采样
测量主体
电机驱动
USB接口
C8U51F340
单片机
步进电机
驱动
电源模块
电磁阀
驱动
1下位机总体框图
3.2下位机测量流程
在测量过程中,下位机通过USB接口接收米自上位机的指令,并根据指令米完成仪器
的吸样、平衡、加压、测量、清洗等动作。通过ド力传感器测得血样在管中回流时的一系列
压力值,储存在单片机的RAM中,等待接收:位机获取数据的命令后将数据发送到上:位机
进行数据处理,再根据相关公式推算出血液流变学的各项指标。系统测量流程如图2所示
3.3下位机模块电路
下位机采川片上资源丰富的C8051F340单片机作为控制核心,由于该单片机集成了
USB2.0的USB控制器、64K程序 FLASH、5K数据XRAM,极大的简化了下位机控制板的
电路。需要设计的下位机各模块的电路主要有:电机、步进电机、电磁阀驱动电路,12位
的AD采样电路和电源电路。电源模块采川2片常川的LM2575ADJ分别得到+3.3V与+5.0V,
由于采用独立的步进电机和电机驱动器,因此控制板仅需通过2片74HC245提高单片机的
控制I/O?的驱动能力。这里不详细说明。