皮肤流电响应监护系统与PC串口通信的设计

随着信息化的高速发展，各种巨型医疗设备也朝着小型化和嵌入式方向发展，医疗监护信息的联网已经成为趋势。在这些信息中，病人的各种生理诊断信息[1](ECG，EEG，EMG，ERG)以及皮肤流电响应GSR(Galvanic Skin Response)都是很重要的部分，如果能将每个病人的诊断信息都存储下来，并通过网络传输、共享，将给医疗诊断带来极大的方便。

本文自行研发的皮肤流电响应监护系统是基于C8051单片机芯片研制的一套GSR监护系统。这种监护系统将计算机PC与GSR下位机结合起来，使两者优势互补，且能够充分利用个人计算机强大的人机接口功能、丰富的应用软件、低廉的价格，组成高性能的PC-GSR监护管理系统。另外，考虑目前使用专业组态软件的成本仍然较高，且使用起来不够灵活，便利用VB下的MSComm通信控件实现GSR与PC之间的通信，开发了基于VB的GSR实时信号监护系统。

1 硬件部分

系统的硬件部分包括GSR信号适配电路、模数转换、单片机、串行输出电平转换等部分。其原理方框图如图1所示。PC-GSR监护系统的输出信号经过GSR信号适配电路转换后，由A/D转换电路在单片机(C8051)控制下，以固定的速率进行A/D采样，结果送至单片机，单片机再将数据通过串口传送给计算机PC。GSR信号适配电路如图2所示。


1.1 模数转换

　GSR信号要通过串口传送，就必须先将GSR模拟量转换成数字量，设计中采用TI公司的8位模数转换集成电路TLC0820。使用读模式，其读模式时序图如图3。TLC0820的CS、RD信号连接到单片机的输出口P2.0、P2.1，D0~D7连接到单片机P0口。


1.2 单片机

在本设计中，单片机采用C8051，其中P0口用于读入数据，P2.0、P2.1用于控制模数转换的开始和结束。P2.2通过一个三极管驱动一个LED，用于指示是否进入连续采样状态，串行口用于数据的输出，输出的数据经过电平转换连接到PC机的串行口。

1.3 CP2102

下位机GSR与上位机PC进行通信的接口是串口，由于现在PC机上的串口不常用，所以使用CP2102芯片进行USB-UART的转换[2]，该芯片支持所有的握手、调制解调器接口信号，波特率能够从300 b/s到1 Mb/s，最后在PC机上虚拟出一个额外的COM端口，这样就可以把USB当成串口来使用。其外接电路图如图4。


2 PC机通信程序

在VB6.0的环境下开发PC机通信程序，利用VB 提供的MSComm串行通信控件来完成，MSComm控件串口具有完善的串口数据的发送和接收功能[3]。通过该控件，PC机可以利用串行口与其他设备实现轻松连接，简单高效地实现设备之间的通信。该控件的事件响应有2种处理方式：(1)事件驱动方式：由MSComm控件的OnComm事件捕获并处理通信错误及事件；(2)查询方式：通过检查CommEvent属性的值来判断事件和错误。由于事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法，且这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高，故笔者采用事件驱动方式。皮肤流电响应(GSR)信号的接收程序如下，程序界面如图5所示。

　
本设计监护系统通过调试，已成功应用到项目中，运行稳定、可靠，满足了设计需求和功能，对开发类似的系统具有很好的参考价值。

该系统不需要外围供电，可以直接通过PC机上USB接口供电，连接好后，通过运行所编写VB串口显示波形程序就可以在计算机PC上显示从手指间采集的GSR信号波形图，图5是VB串口显示GSR波形图的界面，测试时间可以根据需要自行设定，图中的测试时间为50 s。图5(a)中的波形表示的是测试者以正常步行从一楼爬到五楼实验室后(楼高10 m)，身体逐渐恢复平静的GSR信号曲线图；图5(b)中波形表示的是测试者逐渐深呼吸时显示的GSR信号变化波形图。

从图中也可以看出，波形显示不是特别的平滑，存在许多毛刺，这取决于采样速率和分辨率的模数转换芯片，如果采用高速和高分辨率(10位、12位甚至更高)的模数转换芯片，可得到更加高速和高精度的结果。