模块化生物医学工程教学实验仪器的制作方法

专利名称：模块化生物医学工程教学实验仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及教学实验仪器，是一种采用模块化设计、适用于生物医学工程教 学领域的实验仪器。
背景技术：
目前，教学用单片机或电子电路实验仪器基本上都是一体化设计，而且功能单一， 不外乎传统的模拟电路实验箱或者数字电路实验箱。即使有个别采用模块化设计的实验装 置，例如南京信息工程大学的模块化单片机实验箱，也只是作了结构和连接方式上的改变， 其实验内容还是通用的模电或者数电，缺少专门针对生物医学工程教学领域所开发的实验 仪器。纵观目前教学实验仪器现状，突出存在以下问题1、实验功能不能扩展；2、实验时需 要连线太多，容易出错；3、不能满足生物医学工程教学领域的实验需要。

实用新型内容本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种模块化生物医学 工程教学实验仪器，一方面，通过对电路进行模块化设置，每个实验模块与主电路板连接实 现一种功能，完成一个实验，使得在一台教学实验仪器中可进行多项实验，且各实验模块之 间没有电气信号联接和影响；另一方面，实现生物电信号采集、处理、分析、传输于一体，通 过各类生物医学传感器获取人体的生物电信号，经过电路处理、软件分析计算得到表征人 体健康状况的各种参数，以使学生在实验过程中可获得传感器、电路、软件等多领域技术知 识，并用使用方便，可靠，结果直观。本实用新型解决技术问题采用如下技术方案，本实用新型模块化生物医学工程教学实验仪器的结构特点是由主电路板和各实 验模块构成模块化结构；其中所述主电路板包括单片机电路、数据存储电路、模数转换电路、电源电路和USB通 讯电路；在所述主电路板中含有扩展接口 ；所述实验模块包含有血压检测模块、心电检测模块、心血管检测模块、血氧饱和度 检测模块、脉搏波波速检测模块、肺功能检测模块、温度检测模块和握力检测模块中的一个 或多个模块电路；所述实验模块通过扩展接口与主电路板连接。本实用新型模块化生物医学工程教学实验仪器的结构特点也在于所述主电路板中扩展接口由电源接口和信号接口构成；所述各实验模块也含有电 源接口和信号接口；所述实验模块以其电源接口和信号接口分别与主电路板中扩展接口对 应连接。所述主电路板中的单片机电路采用芯片W78E516B，数据存储电路采用芯片6264， 模数转换电路为12位A/D转换器MAX186。所述血压检测模块由压力传感器、气泵、放气阀、鉴频放大电路构成，血压检测信 号与单片机电路的RXD、TXD信号端相连接。
3[0012]本实用新型模块化生物医学工程教学实验仪器的结构特点还在于所述心血管检测模块由心血管传感器和信号调理电路构成，检测信号接入主电路 板中的模数转换电路的CH3信号端；所述脉搏波波速检测模块由两只脉搏波检测传感器、信号调理电路和比较电路构 成，检测信号分别接入主电路板中的模数转换电路的CH6和CH7信号端；所述肺功能检测模块由肺功能传感器和信号调理电路构成，检测信号接入主电路 板中的模数转换电路的CH4信号端；所述血氧饱和度检测模块由血氧传感器、传感器激励电路和信号放大调理电路构 成，检测信号接入主电路板中的模数转换电路的CH6和CH7信号端；所述心电检测模块由心电导联、导联选择器件CD4052、、滤波器和信号调理电路构 成，检测信号接入主电路板中的模数转换电路的CH2信号端；所述温度检测模块由温度传感器、基准电源和温度信号调理电路构成，检测信号 接入主电路板中模数转换电路的CH0信号端。所述握力检测模块由力检测传感器、传感器信号放大电路构成，检测信号接入主 电路板中模数转换电路的CH5信号端。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在1、实用新型采用模块化设置，在实验仪器体积不变的情况下，可以完成多个实验 项目，扩展了实验仪器功能，并提高了电路的可靠性。2、本实用新型是根据需要向主电路板中选择接入不同的实验模块进行信号对接， 使主电路板和实验模板以一个完整的系统的形式展开实验工作。2、本实用新型与外接计算机之间的通讯采用USB串行通讯的方式，可以充分利用 计算机的强大资源，对数据和图形进行处理，真正实现快捷、实时、规范。

图1是本实用新型总体结构示意图。图2是图1中主电路板的电路原理图。图3为本实用新型中温度检测模块电路原理图。图4为本实用新型中握力检测模块电路原理图。图5为本实用新型中心血管功能检测模块电路原理图。图6为本实用新型中血压检测模块电路原理图。图7为本实用新型中肺功能检测模块电路原理图。图8为本实用新型中血氧饱和度检测模块电路原理图。图9为本实用新型中心电检测模块电路原理图。图10为本实用新型中脉搏波速检测电路原理图。
具体实施方式
参见图1，本实施例中包括有置于仪器内的主电路板1和实验模块2 (为系列模板， 含有传感器)以及外接计算机3。主电路板1主要包含通过印制板走线彼此连接的单片机 电路4和扩展接口 8 ；另外，主电路板1还含有通过印制板走线而实现彼此连接的电源电路
45，模数转换电路6 ；与外接计算机实现USB方式通讯的是USB通讯电路7。实验模块2通过其上的电路接口与主电路板1上的扩展接口相连。计算机通过其USB接口用USB连接线与主电路板1上的USB插座相连。参见图2，主电路板1的具体电路结构包括图2中A区的单片机电路、B区的电源 电路、C区的模/数转换电路、D区的USB通讯控制电路、E区的扩展电路接口。A区的单片 机电路采用的单片机是W78E516B。B区的电源电路使用DC/DC器件，输入电压是直流15V， 输出电压为直流12VA、士5VA，+5VD和3V。C区的模/数转换电路是12位的串行模/数转 换器件MAX186，它将模拟量转换成对应的数字量，提供给单片机或上传给计算机。它的控 制信号和数字输出信号分别与W78E516BD的P11、P12、P13、P16引脚连接。D区的USB通讯 控制电路采用PDIUSBD12作为通讯接口，PDIUSBD12的数据信号D0-D7与W78E516BD的PO 口的P00-P07引脚连接。PDIUSBD12控制信号分别与单片机W78E516BD的ΡΙΟ、P14、P15、 P17、ALE引脚连接。并采取了抗干扰措施，使得在主电路板1与计算机3之间的数据传输 快速、可靠、规范。。E区的扩展电路接口包含有电源信号+5VA、-5VA、+12VA、GND。。与A区 的单片机电路相连接的PB6、PB7、PCO、PCU PC4，PC5。与C区的模/数转换电路相连接的 检测信号AD6、AD7、TWAD、XDAD、XXGAD、FGNAD、WLAD等，提供实验模块电路板2 (系列模板) 使用。参见图3，实验模块2为温度测试模板。包括图3中G区的温度信号放大调理电 路、H区中的温度传感器信号模拟电路、I区的温度测试实验电路接口。温度信号放大调理 电路用恒流源方法获得温度所对应的电压值。温度传感器信号模拟电路提供一组由精密电 阻构成的等效电路，来模拟不同的温度传感器信号。实验电路接口 J5与主电路板1的扩展 接口 8相连接。本实施例在作具体测温实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的温度测试模板实验电路接口 J5通过电缆与主电 路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、-5VA电源通过彼此连接的温度测试模板实 验电路接口 J5和主电路板1的J2向温度测试模板供电。同时，主电路板IC区的模/数转 换电路与温度测试模板的连接信号TWAD(CHO)接通。3、将温度传感器插入温度测试模板的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的生物医学工程教学实验仪器软件环 境下，点击“温度实验”按钮进入温度测试。5、点击“测试”按钮，温度测试开始，温度测试模板所采集的信号TWAD通过主电路 板1转换以后送到计算机3，温度值在计算机3的屏幕上实时显示。6、由于温度传感器置于空气中，此时所测试的温度为环境温度。参见图4，实验模块2为握力测试模块。图4中M区是握力模拟信号处理电路。包 括基准调整、放大、等。N区是握力测试实验电路接口。本实施例在作具体握力测试实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的握力测试模板实验电路接口 J7通过电缆与主电 路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、-5VA电源通过彼此连接的握力测试模板实验电路接口 J7和主电路板1的J2向握力测试模板供电。同时，主电路板1中C区的模/ 数转换电路与握力测试模板的连接信号WLAD(CH5)接通。3、将握力传感器插入握力测试模板的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的生物医学工程教学实验仪器软件环 境下，点击“握力实验”按钮进入握力测试。5、点击“测试”按钮开始测试，测试者握住握力传感器。握力测试模板将采集的传 感器信号调理成WLAD，通过主电路板1转换以后送到计算机3，计算机3显示波形，同时显 示瞬时握力(KG)和最大握力(KG)值，若要结束握力测试，点击“停止”按钮。参见图5，实验模块2为心血管功能测试模块，图5所示的0区是心血管功能模拟 信号处理电路。包括二次放大、滤波、电位抬高。P区是心血管功能测试实验电路接口。本实施例在作具体心血管功能测试实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的心血管功能测试模板实验电路接口 J8通过电缆 与主电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、-5VA电源通过彼此连接的心血管功能测试 模板实验电路接口 J8和主电路板1的J2向心血管功能测试模板供电。同时，主电路板1 中C区的模/数转换电路与心血管功能测试模板的连接信号XXGAD(CH3)接通。3、将心血管功能传感器插入心血管功能测试模板的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的模块化物医学工程教学实验仪器软 件环境下，点击“心血管实验”按钮进入心血管功能测试。5、将心血管功能传感器固定于脉搏跳动位置。点击“测试”按钮，心血管功能测试 模板将传感器采集的信号调理成XXGAD，通过主电路板1送给计算机3，其波形在计算机3 的屏幕上显示。。6、待合格波形出现后，点击“停止”按钮，波形采集结束。7、点击“信息”按钮，按照计算机3屏幕显示所要求的项目输入信息，输入完毕点 击“确定”按钮。8、点击“专家”按钮，根据传感器所测试信号计算出测试结果。分别列出标准值和 测试值，在计算机3的屏幕上显示。参见图6，实验模块2为血压检测模块，图6所示的W区是气泵、放气阀的驱动电 路，X区是血压传感器驱动、信号放大、频率鉴别电路。Y区是血压检测实验电路接口。本实施例在作具体血压检测实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的血压检测模板实验电路接口 J11通过电缆与主 电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、+3V电源通过彼此连接的血压检测模板实验 电路接口 J11和主电路板1的J2向血压检测模板供电。同时，主电路板1中A区的单片机 电路与血压检测模板的连接信号RXD、TXD接通。3、将袖带固定于腕关节部位。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的模块化生物医学工程教学实验仪器 软件环境下，点击菜单上的“血压实验”按钮进入血压测试。5、测试时，USB指示灯熄灭，当USB指示灯重新点亮时，点击“数据”按钮，读取血压的测试值。参见图7，实验模块为肺功能测试模块。J区是肺功能模拟信号处理电路。包括放 大、滤波、电位抬高。K区是J区信号处理电路中部分器件参数的组合选择电路。L区是肺 功能测试实验电路接口。本实施例在作具体肺功能测试实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的肺功能测试模板实验电路接口 J6通过电缆与主 电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、-5VA电源通过彼此连接的肺功能测试模板 实验电路接口 J6和主电路板1的J2向肺功能测试模板供电。同时，主电路板1中C区的 模/数转换电路与肺功能测试模板的连接信号FGNAD(CH4)接通。3、将肺功能传感器插入肺功能测试模板的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的生物医学工程教学实验仪器软件环 境下，点击菜单“肺功能”下的子菜单“肺功能信息”进入肺功能信息输入，按显示所要求的 项目填写。5、点击“肺功能实验”按钮进入肺功能测试，测试时测试者对着肺功能传感器用力 吸气，紧接着用力呼气。肺功能测试模板将采集的传感器信号调理成FGNAD，通过主电路板 1转换以后送到计算机3，计算机3显示FGNAD波形，点击“停止”按钮。6、确认测试者的信息参数以后，点击“专家”按钮，计算出测试结果。共有十余项 表征肺功能的参数出现，分别列出理论值和实测值，在计算机3的屏幕上显示。参见图8，实验模块2为血氧饱和度测试模板，图8所示的T区是血氧饱和度传感 器驱动电路。提供电流给血氧饱和度传感器内的红光发光二极管和近红外发光二极管。U 区包括放大电路，电位抬高电路，主要对血氧饱和度传感器的输出信号进行处理。V区是血 氧饱和度测试实验电路接口。本实施例在作具体血氧饱和度测试实验时1、将扩展模板2 (系列模板)中的血氧饱和度测试模板实验电路接口 JlO通过电 缆与主电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、5VA电源通过彼此连接的血氧饱和度测试模 板实验电路接口 Jio和主电路板1的J2向血氧饱和度测试模板供电。同时，主电路板1中 C区的模/数转换电路与血氧饱和度测试模板的连接信号AD6(CH6)、AD7(CH7)接通。主电 路板1中A区的单片机电路对血氧饱和度测试模板的控制信号PC4，PC5接通。3、将血氧饱和度传感器插入血氧饱和度测试模板的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的模块化生物医学工程教学实验仪器 软件环境下，点击菜单上的“血氧饱和度实验”按钮进入血氧饱和度测试5、将食指或中指放入血氧饱和度传感器的夹子里，点击“测试”按钮，血氧饱和度 测试开始，血氧饱和度测试模板将传感器测得的信号调理成AD6、AD7，通过主电路板1传送 给计算机3，在计算机3屏幕上显示波形、血氧饱和度、心率。且实时刷新。6、待合格波形出现后，可以点击“停止”按钮，波形采集结束。此时计算机3屏幕 上显示的是当前波形和血氧饱和度以及心率，其中绿色数码管显示的是血氧饱和度，红色 数码管显示的是心率。[0086]参见图9，实验模块2为心电检测模块，图9中所示的a区是心电信号低通滤波电 路，b区是导联选择电路，c区是差分放大电路，d区是信号调理电路，e区是心电检测实验 电路接口。本实施例在作具体心电检测实验时1、将实验模块2 (系列模板)中的心电检测模板实验电路接口 J12通过电缆与主 电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA，-5VA，+12VA电源通过彼此连接的心电检测 模板实验电路接口 J12和主电路板1的J2向心电检测模板供电。同时，主电路板1中A区 的单片机电路与心电检测模板的连接信号XDA，XDB接通。主电路板1中C区的模/数转换 电路与心电检测模板的连接信号XDAD(CH2)接通。3、测试者将四个导联分别连接右手、右腿，左腿和左手。不说话、不动作，选择“单 组电位差(导联)测试”或“三组电位差(导联)测试”，在USB指示灯亮的情况下，点击“测 试”按钮，这时测试者的心电波形显示在计算机的屏幕上，测试者在认为心电波形符合时， 可点击“停止”按钮。参见图10，实验模块为脉搏波速测试模块，图10中所示的Q区是脉搏波信号处理 电路。包括放大电路，电位抬高电路。R区电路结构与Q区完全相同。S区是脉搏波速测试 实验电路接口。本实施例在作具体脉搏波速测试实验时1、将实验模块电路板2 (系列模板)中的脉搏波速测试模板实验电路接口 J9通过 电缆与主电路板1的扩展接口 8的J2连接好。2、接通主电路板1的电源，此时+5VA、5VA电源通过彼此连接的脉搏波速测试模板 实验电路接口 J8和主电路板1的J2向脉搏波速测试模板供电。同时，主电路板1中C区 的模/数转换电路与脉搏波速测试模板的连接信号AD6 (CH6)、AD7 (CH7)、接通。3、将两只脉搏波传感器分别插入脉搏波速测试模板的左右位置的传感器插座。4、根据实验指导书的实验要求，在计算机3的模块化生物医学工程教学实验仪器 软件环境下，点击菜单上的“脉搏波速实验”按钮进入脉搏波速测试5、将脉搏波速测试模板左边位置的脉搏波传感器固定于手腕部，脉搏波速测试模 板右边位置的脉搏波传感器固定于脚腕部，点击“测试”按钮，脉搏波速测试开始，脉搏波速 测试模板将传感器测得的信号调理成AD6，AD7，通过主电路板1传送给计算机3，在计算机 3屏幕上显示波形，其中蓝色为手腕脉搏波，绿色的为脚腕脉搏波。6、待合格波形出现后，点击“停止”按钮，波形采集结束。7、点击“计算”按钮，如果在这之前没有输入个人信息，计算机3会要求输入个人 信息，按照屏幕显示所要求操作即可。8、计算机3的屏幕上显示所测试的脉搏波波速。综上所述，以上实施例采用的方法是将一般的单片机公共电路部分集中设计成 主电路板1，而将具有独立实验功能的单元电路分别设计成实验模块2，实验时，将实验模 块2通过扩展接口与主电路板1连接。目前，实验模块2有八个不同功能的实验模板，不难 想象，本实施例实验模块2完全可以不断增加扩充。这样，在一台生物医学工程教学实验仪 器上可以完成各种单项实验，从而扩展了仪器的实验功能。
权利要求一种模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征是由主电路板和各实验模块构成模块化结构；所述主电路板包括单片机电路、数据存储电路、模数转换电路、电源电路和USB通讯电路；在所述主电路板中含有扩展接口；所述实验模块包含有血压检测模块、心电检测模块、心血管检测模块、血氧饱和度检测模块、脉搏波波速检测模块、肺功能检测模块、温度检测模块和握力检测模块中的一个或多个模块电路；所述实验模块通过扩展接口与主电路板连接。
2.根据权利要求1所述的模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征在于所述主电 路板中扩展接口由电源接口和信号接口构成；所述各实验模块也含有电源接口和信号接 口 ；所述实验模块以其电源接口和信号接口分别与主电路板中扩展接口对应连接。
3.根据权利要求1所述的模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征在于所述主电 路板中的所述单片机电路采用芯片W78E516B，数据存储电路采用芯片6264，模数转换电路 为12位A/D转换器MAX186。
4.根据权利要求1所述的模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征在于所述血压 检测模块由压力传感器、气泵、放气阀、鉴频放大电路构成，血压检测信号与单片机电路的 RXD、TXD信号端相连接。
5.根据权利要求1所述的模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征在于所述心血管检测模块由心血管传感器和信号调理电路构成，检测信号接入主电路板中 的模数转换电路的CH3信号端；所述脉搏波波速检测模块由两只脉搏波检测传感器、信号调理电路和比较电路构成， 检测信号分别接入主电路板中的模数转换电路的CH6和CH7信号端；所述肺功能检测模块由肺功能传感器和信号调理电路构成，检测信号接入主电路板中 的模数转换电路的CH4信号端；所述血氧饱和度检测模块由血氧传感器、传感器激励电路和信号放大调理电路构成， 检测信号接入主电路板中的模数转换电路的CH6和CH7信号端；所述心电检测模块由心电导联、导联选择器件CD4052、、滤波器和信号调理电路构成， 检测信号接入主电路板中的模数转换电路的CH2信号端；所述温度检测模块由温度传感器、基准电源和温度信号调理电路构成，检测信号接入 主电路板中模数转换电路的CHO信号端。所述握力检测模块由力检测传感器、传感器信号放大电路构成，检测信号接入主电路 板中模数转换电路的CH5信号端。
专利摘要本实用新型公开了一种模块化生物医学工程教学实验仪器，其特征是由主电路板和各实验模块构成模块化结构；主电路板包括单片机电路、数据存储电路、模数转换电路、电源电路和USB通讯电路；在主电路板中含有扩展接口；实验模块包含有血压检测模块、心电检测模块、心血管检测模块、血氧饱和度检测模块、脉搏波波速检测模块、肺功能检测模块、温度检测模块和握力检测模块中的一个或多个模块电路；实验模块通过扩展接口与主电路板连接。本实用新型通过不同实验模块的组合实现了实验电路的模块化，一台仪器上可完成一个或者多个实验项目，大大提高了实验仪器的可靠性和方便性。
文档编号G09B23/28GK201698637SQ20102022808
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月9日 优先权日2010年6月9日
发明者伍先达, 吴成月, 宋厚权, 方小芹, 邢武, 龙飞 申请人:安徽中科智能高技术有限责任公司