基于C8051F340的血液流变仪设计及其USB通信

通信田学隆，林芳钦重庆大学生物医学工程系，重庆（400030）Email:[e-mail]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、诊断及治疗心脑血管疾病的基础。本文以流体力学的泊肃叶公式（Poiseuille）为原理测量牛顿流体——血浆的粘度，并以卡森（Casson）流体模型为原理测量非牛顿流体——全血的高、中、低切粘度。设计采用SiliconLabs公司片上资源丰富的C8051F340单片机为控制核心，最大程度的减少外围器件，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C8051F340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：TH771.引言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对血液流动影响规律的一门学科。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具有高度相关性[1]，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几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黏度值。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——血浆的粘度：VRLPRQ⋅=Δ=248πμπ其中Q为体积流量、PΔ为管两端压差、L为管长、R为管半径、μ为流体黏度、V为平均流速。可得血浆粘度计算公式：根据Casson流体模型计算非牛顿流体——全血的粘度：借助Poiseuille公式，剪切率可表示为：其中，表示管壁的剪切率，V表示平均速度，Q表示体积流量。利用Casson流体模型[2]：当由可得到如下全血粘度计算公式：2cckkητγτγ=++cττ≥τηγ=344QVRRγπ==48RPQLπμΔ=其中，为全血粘度，为剪切率，k为Casson模型粘度常数，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干扰、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，但仍然采用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，本文所采用的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靠。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型毛细玻璃管、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、转盘等组成。图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接口接收来自上位机的指令，并根据指令来完成仪器的吸样、平衡、加压、测量、清洗等动作。通过压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，等待接收上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用片上资源丰富的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A/D采样电路和电源电路。电源模块采用2片常用的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口的驱动能力。这里不详细说明。ηγcτ采样压力信号，而C8051F340内部ADC为10位，因此扩展1片MAXIM公司的4通道12位A/DMAX1246芯片。该芯片自带2.5V参考电压，转换速率达133Ksps，采用4线的SPI接口，外围仅需若干电容，使用方便，其电路如图3所示。图3A/D采样电路4.C8051F340及其USB控制器C8051F340单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，拥有丰富的片上资源，极大地简化了外围电路的设计，使得系统运行更加可靠、稳定。它采用与8051兼容的含高速流水线的控制内核，70%的指令可以在1个或者2个机器周期内执行，运行速率可高达48MIPS。集成通用串行总线USB功能控制器，片上USB功能模块符合USB2.0规范，可以工作在低速或者全速状态。C8051F340的USB功能控制器由串行接口引擎(SIE)、USB收发器（包括匹配电阻和可配置上拉电阻）、1KBFIFO存储器和时钟恢复电路组成，不需要外部元件。该USB功能控制器提供了1对主控制端点（端点0）和3对辅助端点（端点1-3），支持控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。该USB功能控制器的结构如图4所示[3]。设备的开发，主要工作一般为PC端驱动程序的编写、用户应用程序的开发以及固件编程。由于SiliconLaboratories公司提供的USBXpress开发套件提供了开发过程PC端所需的驱动程序和以Windows动态链接库（DLL）形式的用户应用程序接口（API），大大简化了USB通信的开发过程，使得程序开发人员不需要过多的了解USB协议就可以通过调用API函数来实现USB主机和器件之间的通信[4][5]。图5表示USB通信的API实现框图。5.2USB固件设计USB外设的固件设计主要实现PC平台对已经连接到主机的USB外设的检测与识别，建立连接并进行控制和数据传输。USB的固件程序中包括有：USB描述符的定义、USB标准设备请求及USB中断的处理。5.2.1USB描述符定义USB描述符是USB协议规定的描述设备功能和属性的数据结构，包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字符串描述符。通过对描述符的定义来说明USB设备的各种信息，包括设备的类型、ID、生产商、接口信息、配置情况等。USB主机则通过这些信息完成USB设备的识别和配置，并使得客户应用程序可以与USB设备进行通信。协议定义的所有设备必须支持的标准请求。USB设备在接收到主机发送的请求后，对其做出相应的标准请求处理。C8051F340支持的标准设备请求命令有GET_CONFIGURATION、GET_DESCRIPTOR、GET_INTERFACE、GET_STATUS等9条[6]。5.2.3USB中断处理系统上电后，下位机处于等待USB中断状态，当下位机响应到USB中断时，C8051F340单片机通过读取USB功能控制器的3个中断寄存器CMINT、IN1INT和OUT1INT来判断中断源，然后根据不同的中断源跳转到相应的处理模块，进行相应的中断处理，处理完毕后返回。如图6所示是USB中断处理流程。其中端点0是USB设备的控制传输端点，用于处理主机对USB设备的配置、状态信息的获取等。端点0的中断处理由控制输入和控制输出两部分组成。控制输入处理包括：GET_STATUS、GET_DESCRIPTOR、GET_CONFIGURATION、GET_INTERFACE请求命令的响应处理；控制输出处理包括：SET_FEATURE、SET_ADDRESS、SET_CONFIGURATION、SET_INTERFACE、CLEAR_FEATURE请求命令的响应处理。6.结果在对系统进行功能调试后，采用重庆大学维多生物工程研究所生产的全血质控液作为全血测量标准、血浆质控液作为血浆测量标准进行粘度测量。分别对全血质控液和血浆质控液连续20次粘度测量后，对测试结果进行准确性和重复性评价。质控标准如表1所示，粘度测量性能评价如表2所示。表1质控标准剪切率γ（1/s）粘度η（mpa·s）2004.8±0.1305.9±0.2111.8±0.5血浆1.56±0.1表2粘度测量性能评价测试指标测试结果（sx±）重复率(CV)全血高切粘度4.80±0.061.3%全血中切粘度5.90±0.081.3%全血低切粘度11.82±0.110.93%血浆粘度1.56±0.010.64%单片机的血流变仪下位机，利用C8051F340丰富的片上资源极大程度的简化了血流变仪下位机的硬件电路，并采用USB通信实现与上位机的通信，不仅提高了血流变仪上下位机的通信速度，更提高了系统的控制精度和可靠性。仪器测量性能良好，测量结果重复率达到2%以下，且结果计算准确，实现设计要求。参考文献[1]秦任甲.临床血液流变学[M].北京大学医学出版社,2003[2]SanghoKim,YoungI,Cho,WilliamN.Hogenaueretal.AnewmethodofmeasuringbloodviscositywithaU-shapedscanningcapillary-tubeviscometerusingaCassonmodel[J].BioengineeringConference,2002.(4):253-254[3]C8051F34xUser’sManual.SiliconLaboratoriesInc,2006[4]USBXpressProgrammer’sGuide.SiliconLaboratoriesInc,2005[5]刘改梅，韩慧莲.基于LabVIEW的USB无线通信接口的设计[J].电子技术应用,2007,(12):121-123[6]USBFirmwareProgrammer’sGuide.SiliconLaboratoriesInc,2003（400030）AbstractBloodviscosityisoneofthemostimportantindexofhemorheology.Anditsdetectionisthefoundationoftheresearch,diagnosisandtreatmentonvasculardisease.ThispaperusePoiseuilleequationtomeasureb