CN1060930C - 便携式环境生理监测仪 - Google Patents

Abstract

一种便携式环境生理监测仪，由传感器、信号调节器、数据采集与数字信号处理板、外围电路、微机接口电路、外部设备组成。被监测的各参数经传感器、信号调节器、多路模拟开关、采样保持电路送A/D变换器转换成数字信号，由锁存器锁存，再经数据总线送DSP分析处理。本发明能同时对环境中的物理、化学因素和人体生理因素综合检测和综合评价，具有自动采集、分析、显示、记录、打印和报警功能。用于环保、卫生、医疗和劳动环境的监测。

Description

便携式环境生理监测仪

本发明涉及一种环境生理监测仪，特别是涉及一种环境监测、卫生监测和医疗监护合为一体的综合检测装置。

目前，国内外使用的环境监测仪器有固定式的大型大气污染监测站(网)、流动式环境监测车和便携式环境监测仪三大类。监测参数包括环境中同时存在的物理(气象)因素，如温度、相对湿度、风速、风向、气压、照度、噪声；化学因素有CO、CO₂、SO₂、NO₂、O₂、O₃。上述固定式和流动式监测设备有同时监测部分物理(气象)因素和化学因素；便携式环境监测仪则不能同时测量它们。而环境是一个整体，这两种因素往往同时存在，并处于连续动态变化中，化学因素受物理(气象)因素的影响很大，因此，靠单一因素且监测参数很少的环境监测仪器本身，就只能反映出环境质量的部分变化。

对环境监测的主要目的之一，是调查各环境因素的变化情况及其对人体健康的影响程度，而对人体健康的评价主要是通过人体的基本生理参数，如体温、脉搏、呼吸、血压、心电、心率和血氧饱和度的变化，这些生理参数亦呈连续动态变化，它直接受环境中的物理(气象)因素和化学因素的影响。目前的人体生理记录仪或病人监护仪无环境监测参数。现已传统的形成了单独监测环境物理(气象)因素，或化学因素，或人体生理因素三足鼎立、互不相干的局面，只能发挥各自的优势，不能在人-机-环境系统中发挥整体功能。已获得专利权(专利号：93211005．3)的《便携式环境综合检测报警仪》虽满足了同时监测环境中的物理(气象)因素和化学因素的要求，但该仪器的主体是笔记本微型计算机，其成本较高，目前推广较难。

本发明的目的是从人-机-环境系统工程理论出发，提供一种能同时对环境中物理(气象)因素、化学因素和人体生理因素综合检测和综合评价，并能实时自动采集、分析、显示、记录、打印和告警的便携式环境生理监测仪器。

本发明的目的是这样实现的：该装置包括传感器、信号调节器、数据采集与数字信号处理板、外部设备及其接口电路和PC机接口电路。数据采集与数字信号处理板上有高速数字信号处理DSP(Dig-ital Signal Processing)芯片为核心，配有相应的外围电路芯片构成的单板计算机；还有总线接口控制逻辑电路、多路模拟开关和A／D转换电路。各种环境中的物理参数、化学参数和人体生理参数都有其相对应的传感器，并与信号调节器相连，该调节器由单端输出且增益连续可调的放大器构成。从信号调节器输出的各路模拟信号电压，共16路，分别送至高速数据采集与数字信号处理板的多路模拟开关的输入端。高速数据采集与数字信号处理板的CPU及控制电路对送至其输入端的各种模拟信号电压进行数字化采集，并将采集到的数字信号进行存贮，通过应用程序对各参数的数据进行分析，由外部设备中的液晶显示屏显示或通过打印机接口由打印机打印输出。当某路参数超过预定门限时，告警电路发出声光告警。所有电路、芯片以及电路接口均为常规技术，其发明点是其有机组合，便于实施。

为了与各型PC微机及其兼容机联机(以下简称PC机)，高速数据采集与数字信号处理板通过PC机接口与PC微机的总线(即含有16位AT总线接口的ISA总线)与PC机通信传输数据，这就构成了PC机为主机，以TMS 320C25为核心的DSP板为从机的主从机系统。

在数字信号处理中，经常要用到卷积、相关、滤波、快速傅立叶变换、自适应滤波和频谱分析等数学运算，需要在短时间内完成大量的乘法和累加运算，将采用的16／32位TMS 320C25和40MHz时钟的单片式DSP芯片为CPU，配有16位64K字节数据存贮器RAMCY 7C 198芯片，由两片EPROM 27C 256和两片快速静态RAMCY 7C 199组成程序存贮器。管理程序和应用程序固化在EPROM27C 256上。所有的存贮器均采用双端口技术与PC机联通。为了使高速的CPU与低速的外接设备协调工作，插件板上设有各自由一块芯片构成的多个缓冲器和加快CPU运行速度的半溢出检测器。还有多路模拟开关电路和A／D转换器，前者是分时将不同参数接至A／D转换器的程控开关电路。A／D选用10或12位字节中速或者高速芯片。

由于便携式环境生理监测仪集环境物理(气象)因素、化学因素和人体生理因素三为一体，弥补了该三类仪器组合之不足，可大大提高工作效率和整体监测质量；亦可用于重症病人和手术室病人的全面监护，对病情进行客观、综合判断，提高抢救成功率，降低死亡率。

本仪器以最先进的DSP单片机为主体，可对16种环境、生理参数实时、快速的数据采集、分析、显示、记录、打印和告警，还配有各型PC机的接口，可满足不同用户的需求。

本仪器配有计算机软件程序，可进行环境和生理的多因素分析，以实现对环境与生理的综合评价，达到综合防治的目的。

本仪器可广泛用于环保、卫生、医疗监测、工矿企业、体育、交通、豪华别墅以及办公室、家庭居室内的空气清新度及人体舒适度的监测；各种空气净化器产品的技术评价。根据市场需求和用户需要可开发系列产品，单独用于环保、卫生和医疗部门。

附图的图面说明如下：

图1是便携式环境生理监测仪的结构框图；

图2是高速数据采集与数字信号处理板的结构框图；

图3是本发明整机结构示意图。

下面结合实施例对本发明的具体装置和工作情况加以详述：

图1示出本发明的总体结构。各种环境、生理参数通过各自的传感器1变成模拟电压信号或电流信号，通过信号调节器2放大和增益调节成适合A／D转换的工作电压士10V或±5V。由信号调节器2输出的各种模拟信号电压，分别送至高速数据采集和数字信号处理板3的多种模拟开关的输入端。高速数据采集与数字信号处理板是本发明环境生理监测仪的主体，它对送至其输入端的各路模拟信号电压进行数字化采集、存贮和对数字信号进行处理，由点阵液晶显示屏4显示，操作菜单也由该显示屏显示，或通过打印机接口7送至打印机打印输出。当某路环境参数或生理参数超过预定门限时，由告警电路8发出声光告警信号。操作人员通过20键触摸键盘6对监测仪进行控制操作，即通过键盘改变监测仪的工作方式、变换显示内容、设置采样参数和报警参数等。

图2示出了高速数据采集与数字信号处理板3的结构。TMS320 C25芯片21是以16／32位单片式DSP为CPU，40MHz时钟频率，能将高速控制的灵活性与阵列处理的数值运算结合起来，用哈佛结构与流水线作业，在开启流水线操作后，一次16位乘法运算与一结构与流水线作业，在开启流水线操作后，一次16位乘法运算与一次加法运算仅用100ns，即每秒钟能执行一千万条指令。配有数据存贮器28，采用64K字节快速静态RAM CY 7C 198芯片；程序存贮器30由两片EPROM 27C 256和两片快速静态RAM组成，管理程序和应用程序固化在EPROM 27C 256上。每次开机时，首先将E-PROM上的程序调入快速静态RAM内，以便执行程序时快速读取，从而加快了整个程序的执行速度。所有存贮器均采用双端口技术与PC机联通，双口数据存贮器33就是用来加快环境生理监测仪与PC微机通信速度而接入的。应用程序通过程序、数据地址译码器29来控制各个存贮器按时序工作。为了开机时协调CPU与相对低速的EPROM工作，加入了插入等待时序电路27。

为了便于利用各型PC机来开发、调试本测试仪，将DSP板做成与PC机的插件结构形式，将DSP板插入PC机总线插槽36中，就可构成以PC机为主机，以TMS 320C25为核心的DSP板为从机的主从机系统。加电开机后，PC机发出的控制命令通过DSP板上控制译码器39与命令锁存器38，使板上的程序存贮器和数字存贮器处于TMS 320 C25的管理下工作，同时存贮区的地址总线、数据总线全部受TMS 320 C25控制。当PC机向命令锁存器38发出命令时，使TMS 320 C25的地址、数据和控制总线处于高阻状态，这时便将控制权交给了PC机，PC机便成为TMS 320 C25的开发系统，即在PC机上调试TMS 320 C25的应用程序、修改程序或数据；显示内存内容、寄存器内容、片内存贮器内容，以及某些中间运算结果；PC机还可以通过输出命令参数，向TMS 320 C25发出取消保持命令，中断TMS 320 C25等命令，这些命令组合起来就可使PC机控制TMS 320 C25的加载运行。

为了更有效的发挥TMS 320 C25的快速运算特点，增加TMS 320 C25与PC机之间数据交换能力，为此专门设计了2K×16位双端口RAM33，使TMS 320 C25与PC机之间采用全局存贮器方式构成多处理器系统。该双端口RAM由IDT 132-35与IDT 7142-35组成。双端口RAM中的内容允许TMS 320 C25与PC机同时访问。双端口RAM区对于TMS 320 C25来讲是快速动态RAM的FF80-FFFF区，具体由TMS 320 C25的BR寄存器设定决定。为了使高速的TMS 320 C25与低速的PC机通信，在两者之间的总线连接处，加接了低位数据锁存缓冲器32，双向数据总线缓冲器31，地址总线缓冲器34，以及控制总线缓冲器35。

由控制总线缓冲器35来的控制信号经I／O译码器43译码的结果，如有复位操作码便启动自动复位电路37对CPU21进行复位操作，使CPU处于初始态；当I／O译码器43有状态信息时便送入状态信息缓冲器42，控制状态信息锁存器41控制A／D变换器24工作。

在数据处理中发生溢出的概率很高，为了防止产生溢出，一般在基2算法(指FFT)要求在一项运算前所有数据的绝对值小于归一化值0．5；而基4算法则要求知道一批数据的最大绝对值是否小于归一化值0．5，还是小于归一化值0．25，然后进行必要的处理。为了不占用判断时间，提高数据处理速度，专门设计了适用于基2或基4 FFT算法的半溢出检测器40，其输出可由TMS 320 C25读取，控制采样保持23工作。

为了使高速的TMS 320 C25与低速的外设点阵液晶显示屏46和20键触摸键盘47通信，设置了锁存缓冲器44和锁存缓冲器45。

由多路开关22、采样保持23、A／D变换器24和锁存缓冲器25构成典型的多路采集小系统。为了达到高速采集，采用了带采样保持的高速A／D变换器AD678芯片。多路开关由两个8位多路开关芯片组成。整个数据采集操作过程都是在TMS 320 C25 CPU的控制下完成的，从而构成16路输入、分辨率为1／4096、采样频率为100KC的数据采集系统。

通过锁存缓冲器48及打印机接口插座49可将数据送至打印机打印输出。通过锁存缓冲区50和音频放大器电路51及小喇叭52输出声音报警。本仪器采用典型的整流稳压电源53供电，输出电压为±5V、±12V。

图3示出了本发明的整机结构。本监测仪的外壳为一铝合金或硬质塑料或玻璃钢箱体60，箱内装有TMS 320 C25板，各传感器的信号调节器以及整流稳压电源，可用充电的镍铬或镍氢电池。前面板右侧为各传感器插座64。用于连接环境中的物理(气象)因素的传感器，如温度、相对湿度、风速、风向、照度、噪声传感器65，通过电缆线连接于传感器插座，传感器置于传感器支架66上；测化学因素的传感器，如CO、CO₂、SO₂、NO₂、O₃，连同信号调节器置于箱体内，其采气管则置于传感器支架上；用于生理因素的传感器需直接接在人体皮肤表面，如体温、脉搏、呼吸、血压、心电电极和血氧饱和度。传感器插座数量的多少，视所监测参数的数量而定。前面板中间为触摸开关键盘63，每个参数设一键，外加总电源开关、告警灯、电源显示灯、欠压指示灯和过载指示灯键。前面板左侧为液晶显示屏61。箱顶左侧为微型打印机62。传感器支架66为一铝合金型材或硬质塑料(PVC)注塑成型的长方形带孔眼的双层板，根据安放传感器数量的多少决定其长度和孔眼数，传感器直径的大小决定其孔径大小，传感器电缆线从下层孔穿出，接于传感器插座。传感器支架固定在三脚架67上。所有传感器均应稳妥置于有保护包装(如泡沫塑料)的箱体内。

Claims (5)

1．一种便携式环境生理监测仪，包括各种环境中的物理参数、化学参数的传感器、信号调节器、数据采集与数字信号处理板和外部设备，其特征在于：各种环境中的物理参数、化学参数和人体生理参数各自对应一个传感器(1)和一个信号调节器(2)，该信号调节器由单端输出增益连续可调的放大器构成；信号调节器(2)的输出端与高速数据采集与数字信号处理板的多路模拟开关的输入端相连；数据采集与数字信号处理板包含高速数字信号处理DSP芯片及相应外围电路芯片构成的单板计算机、总线接口控制逻辑电路、多路模拟开关电路和A／D转换电路；外部设备包括液晶显示屏、告警电路、触摸键盘、打印机和传感器支架(66)。

2．根据权利要求1所述的环境生理监测仪，其特征在于：高速数据采集与数字信号处理板是能插入含有16位AT总线接口的ISA总线插槽(36)的插件板，采用16／32位单片微机，配有数据存贮器(28)、程序存贮器(30)，所有存贮器均采用双端口技术与PC机联通；同时还设有：支持存贮器的辅助接口和支持慢速外部设备工作的插入时序电路(27)；各由一芯片构成的多个缓冲器；半溢出检测器(40)和多路采集小系统。

3．根据权利要求2所述的环境生理监测仪，其特征在于：高速数据采集与数字信号处理板采用TMS320C25和40MHz时钟的DSP，数据存贮器(28)是16位64K字节，可选用快速静态RAM芯片；程序存贮器(30)由两片EPROM和两片快速静态RAM组成，管理程序和应用程序固化在EPROM芯片上；多路采集小系统由多路开关(22)、采样保持(23)、A／D变换器(24)和锁存缓冲器(25)构成；A／D变换器采用带采样保持A／D变换器AD678芯片；多路开关电路由两片8位多路开关芯片组成。

4．根据权利要求2所述的环境生理监测仪，其特征在于：高速数据采集与数字信号处理板做成与PC机的插件结构形式，将其插入PC机总线插槽36中，就构成以PC机为主机，该插件板为从机的主从机系统。

5．根据权利要求1所述的环境生理监测仪，其特征在于：传感器支架(66)是用双层铝合金型材或硬质塑料注塑制成，支架面上有穿透的圆孔，传感器(65)插入其中，支架被固定在三脚架(67)上。

Images