摘要：胎兒心率是衡量胎兒健康狀況的一項(xiàng)重要信息。利用胎心儀對(duì)胎兒心率進(jìn)行監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的一個(gè)重要手段。介紹了以AT89C51單片機(jī)為核心部件，以自相關(guān)算法處理數(shù)據(jù)為技術(shù)關(guān)鍵的超聲多普勒胎心監(jiān)測(cè)儀的實(shí)現(xiàn)方案。該方案由兩片單片機(jī)分別擔(dān)任取樣和自相關(guān)計(jì)算的任務(wù)，很好地解決了低檔單片機(jī)運(yùn)行速度不夠的問(wèn)題，這也是所述方案的一個(gè)重要特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：胎心儀；單片機(jī)；自相關(guān)分析
1 引言
胎心率是指胎兒心臟每分鐘跳動(dòng)的次數(shù)，是評(píng)判胎兒狀況的重要信息，正常胎兒的心跳速率大約為每分鐘120次～160次。當(dāng)胎兒的心跳速率低于每分鐘99次或大于每分鐘180次，就屬于心率異常。出現(xiàn)胎兒心率異常的原因大多是由于胎兒缺血、缺氧造成的，嚴(yán)重的胎兒缺血、缺氧會(huì)導(dǎo)致出生缺陷，出生缺陷目前已成為影響我國(guó)人口質(zhì)量的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。因此，應(yīng)該密切關(guān)注胎兒心率的變化情況。
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用超聲多普勒原理的胎心檢查已經(jīng)普及。在為孕婦進(jìn)行常規(guī)檢查時(shí)多采用多普勒胎心儀，用于檢查胎兒心率是否正常。這種產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單、使用方便，價(jià)格便宜，不但占據(jù)著一定的醫(yī)療市場(chǎng)，甚至還有進(jìn)一步走入家庭的趨勢(shì)，特別是在我國(guó)的一些縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)醫(yī)院，多普勒胎心儀將有廣泛的應(yīng)用。
目前一些廠家所生產(chǎn)的胎心儀一般都采用放大、整形、計(jì)數(shù)的方法對(duì)超聲探頭的所接收的信號(hào)進(jìn)行處理，或在放大、整形的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字濾波，將高頻部分濾除，得到包含胎兒心跳信息的低頻部分，通過(guò)低頻信號(hào)頻率，計(jì)算出胎心率。這種基于模擬和數(shù)字濾波的方法有某些優(yōu)點(diǎn)，但是這些方法存在從含有噪聲的信號(hào)中提取信息的能力不夠強(qiáng)的問(wèn)題，因而導(dǎo)致測(cè)量的精度不理想。本文提出了一種基于單片機(jī)和自相關(guān)分析的超聲多普勒胎心儀設(shè)計(jì)方案，并可將測(cè)得結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管顯示，極大方便了用戶的使用。
根據(jù)相關(guān)檢測(cè)理論，確定性信號(hào)在不同時(shí)刻的取值一般具有較強(qiáng)的相關(guān)性；而對(duì)于干擾噪聲，其隨機(jī)性較強(qiáng)，不同時(shí)刻取值的相關(guān)性較差，因此利用相關(guān)技術(shù)可以將胎兒心跳信號(hào)和各種干擾信號(hào)區(qū)分開來(lái)。信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)是指信號(hào)與其延時(shí)信號(hào)的相似性，它是一個(gè)時(shí)間函數(shù)，無(wú)論是隨機(jī)信號(hào)還是周期性信號(hào)，其自相關(guān)函數(shù)不僅與波形有關(guān)，而且還與其頻率有關(guān)。利用自相關(guān)函數(shù)可從噪聲中恢復(fù)有用信號(hào)[1]。
信號(hào)x（t）的自相關(guān)函數(shù)定義為：
根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，當(dāng)的取值剛好等于信號(hào)的周期時(shí)，其自相關(guān)函數(shù)存在峰值。因此可根據(jù)信號(hào)的帶寬取不同的值（即延時(shí)值）計(jì)算自相關(guān)函數(shù)值，利用其自相關(guān)函數(shù)峰值的位置即可確定周期性信號(hào)的周期和頻率。同樣,對(duì)胎心信號(hào)進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)，根據(jù)測(cè)量范圍取不同的延時(shí)值，計(jì)算自相關(guān)函數(shù)值。當(dāng)自相關(guān)函數(shù)值最大時(shí)，由其值即可計(jì)算出胎心信號(hào)的頻率。
2 胎心儀的硬件設(shè)計(jì)
超聲多普勒胎心儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示。主要由超聲多普勒胎心探頭、前置放大器、放大檢波、脈沖形成、數(shù)字處理、LED顯示等單元組成，整個(gè)系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理單元為核心。
圖 1 胎心監(jiān)測(cè)儀系統(tǒng)框圖
超聲多普勒胎心探頭所接收到的胎心信號(hào)經(jīng)過(guò)放大檢波和脈沖形成電路，得到胎兒心跳的脈沖信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)即可計(jì)算出胎兒的心率，但由于各種噪聲干擾，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為此，將脈沖信號(hào)送入數(shù)字處理單元作自相關(guān)計(jì)算，計(jì)算出胎兒心率并送到顯示部分顯示。其中數(shù)字信號(hào)處理單元由采樣和顯示控制單元、相關(guān)計(jì)算單元組成。
采樣和顯示控制單元電路主要由一片ATMEL的AT89C1051單片機(jī)構(gòu)成。其主要功能是通過(guò)AT89C1051的P3.0口對(duì)脈沖形成電路所輸出的胎心信號(hào)進(jìn)行采樣并將采樣數(shù)據(jù)組織成字節(jié)數(shù)據(jù)，以中斷方式送到相關(guān)計(jì)算單元的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。同時(shí)相關(guān)計(jì)算單元計(jì)算出結(jié)果后再以中斷方式將計(jì)算結(jié)果送回該芯片, 由該芯片負(fù)責(zé)將結(jié)果通過(guò)LED顯示出來(lái)。
在采樣單元中，關(guān)鍵是采樣頻率的確定，正常的胎兒心率范圍是120～160拍/分，為此將胎心監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量范圍定為60～210拍/分，為了達(dá)到1拍的分辨率，也就是使胎心儀能夠區(qū)分209拍和210拍，計(jì)算的時(shí)間分辨率應(yīng)為：
為計(jì)算方便將取樣頻率定為768Hz，這樣每秒鐘可產(chǎn)生96個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的時(shí)間分辨率約為0.0013021秒,能夠滿足測(cè)量精度的要求。
相關(guān)計(jì)算機(jī)單元主要是由一片AT89C51單片機(jī)、一片8位地址鎖存器74HC373和一片32KB的SRAM62256組成，其主要功能是接收來(lái)自采樣單元的胎心信號(hào)數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算以濾除各種干擾噪聲，達(dá)到精確測(cè)量胎心率的目的。其電路如圖2所示。
圖 2 相關(guān)計(jì)算單元電路
相關(guān)計(jì)算單元中，使用AT89C51內(nèi)部4KB的程序存儲(chǔ)器存放程序，另外設(shè)計(jì)了32KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放采樣數(shù)據(jù)和計(jì)算的中間結(jié)果，其地址范圍為0000H～7FFFH。其中0000H～7DFFH這個(gè)區(qū)域用來(lái)循環(huán)存放采樣的數(shù)據(jù)，7E00H～7FFFH用來(lái)存放自相關(guān)計(jì)算的結(jié)果。當(dāng)采樣單元每采集到8個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)后，將采樣數(shù)據(jù)組成字節(jié)，通過(guò)AT89C51的INT0引腳向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷通過(guò)P1口將數(shù)據(jù)讀入并通過(guò)P0口將數(shù)據(jù)寫到外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。
3 胎心儀的軟件設(shè)計(jì)
由于胎心儀使用兩片單片機(jī)分別完成采樣和相關(guān)計(jì)算的任務(wù)，所以胎心儀的軟件設(shè)計(jì)分為2個(gè)部分。所有程序采用AT89C51的匯編語(yǔ)言編制，具有程序執(zhí)行速度快，占用存儲(chǔ)空間少的特點(diǎn)，其軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖 3 胎心儀的軟件結(jié)構(gòu)圖
采樣單元的關(guān)鍵程序是采樣中斷處理程序。由AT89C1051內(nèi)部的定時(shí)器0按照768Hz的采樣頻率向CPU申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷獲得定時(shí)器0的中斷服務(wù)程序的入口地址，轉(zhuǎn)去執(zhí)行采樣中斷處理程序。該程序使用單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的0FH單元作“位計(jì)數(shù)器”，其初始值為01H，用0EH單元存放采樣到的字節(jié)數(shù)據(jù)，用00H單元存放剛剛采樣的位數(shù)據(jù)，根據(jù)P3.0口的狀態(tài)是0或1，將00H單元置“0”或置“1”，再根據(jù)00H單元的內(nèi)容及“位計(jì)數(shù)器”的值將0EH單元的相應(yīng)位置“0”或置“1”，每讀入一個(gè)采樣值將“位計(jì)數(shù)器”的值右移一位，當(dāng)“位計(jì)數(shù)器”的值再次等于01H時(shí)，表示已采樣到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，通過(guò)P3口的P3.7向相關(guān)計(jì)算單元的CPU申請(qǐng)中斷，并將0EH單元的數(shù)據(jù)通過(guò)P1口送到相關(guān)計(jì)算單元的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)。
相關(guān)計(jì)算單元的主程序的功能是計(jì)算自相關(guān)函數(shù)值，根據(jù)自相關(guān)函數(shù)的峰值所對(duì)應(yīng)的K，采用查表方法得到胎心信號(hào)的頻率。由于要對(duì)不同延時(shí)值所對(duì)應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)值進(jìn)行比較，因此可將計(jì)算自相關(guān)函數(shù)值的公式簡(jiǎn)化為：
（3）自相關(guān)函數(shù)值的計(jì)算：對(duì)于每一個(gè)k值需要計(jì)算∑x（n）x（n-k），由于N的值為1536，而采樣數(shù)據(jù)x（n）是按字節(jié)組織的，一共需要192個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。每次將存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器某個(gè)單元中的8個(gè)樣點(diǎn)值x（n）與x（n-k）的8個(gè)樣點(diǎn)值做乘法，需連續(xù)計(jì)算192個(gè)字節(jié)，x（n）的8個(gè)樣點(diǎn)值一定是在同一字節(jié)中，而x（n-k）的8個(gè)樣點(diǎn)值有可能不在同一個(gè)字節(jié)中，需要將相鄰的兩個(gè)字節(jié)中的幾位做組合，與x（n）做乘法運(yùn)算（邏輯與運(yùn)算），將邏輯與運(yùn)算后“1”的個(gè)數(shù)累加并存放在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一個(gè)字單元中，經(jīng)過(guò)192（1536/8）次循環(huán)可計(jì)算出針對(duì)某一個(gè)k值的∑x（n）x（n-k），每計(jì)算出一個(gè)結(jié)果將其保存在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從48拍/分開始計(jì)算，一直到240拍/分為止，循環(huán)對(duì)每一個(gè)k值計(jì)算∑x（n）x（n-k），經(jīng)過(guò)一輪193（240-48+1）次的計(jì)算，可得到所有k值的∑x（n）x（n-k），對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得到∑x（n）x（n-k）的最大值及所對(duì)應(yīng)的k值，該k值就是自相關(guān)函數(shù)峰值的位置，即胎兒心跳信號(hào)的周期。根據(jù)k的值通過(guò)查表的方法即可得到對(duì)應(yīng)的胎兒心率。
4 結(jié)論
本文介紹了一種基于單片機(jī)和自相關(guān)分析的胎心監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)該方案設(shè)計(jì)的胎心儀具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，胎心率的測(cè)量范圍在60~210次/分，測(cè)量誤差為1次/分，其技術(shù)指標(biāo)均符合國(guó)家醫(yī)藥行業(yè)有關(guān)超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)該胎心儀還具有使用方便，價(jià)格低廉，特別適合中小醫(yī)院和家庭監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)。
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本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文介紹的胎心儀的實(shí)現(xiàn)方案以AT89C51單片機(jī)為核心部件，以自相關(guān)算法處理數(shù)據(jù)為技術(shù)關(guān)鍵，由兩片單片機(jī)分別擔(dān)任取樣和自相關(guān)計(jì)算的任務(wù)，很好地解決了低檔單片機(jī)運(yùn)行速度不夠的問(wèn)題。
作者簡(jiǎn)介：朱韶紅，女，（1960-），漢族，碩士，計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，北京物資學(xué)院副教授，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。E-Mail：zhushaohong988@sina.com。
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