荧光信号采集系统设计与分析

荧光信号采集系统设计与分析

1 引言
    牙齿牙髓活力状态是衡量人体牙齿健康与否的关键，在此摒弃以往用牙髓电活力测试的检测方法，而利用激光照射牙齿而激发牙髓物质产生荧光的机理。研究发现，荧光强度与牙髓活力有密切关系。能反映牙髓是否健康，牙髓是否能康复，通过牙齿的荧光现象判断牙髓活力，是一种诊断牙髓疾病的客观方法。牙齿在短波长激光的照射下可以产生荧光，通过入射光纤照射到牙齿表面，再由出射光纤输出荧光信号，荧光强度会随牙髓活力降低而减弱，将激光诱导荧光技术应用于牙髓活力检测领域。介绍牙髓荧光信号采集与显示电路设计，详细阐述单片机程序设计，实现对荧光信号的采集，包括A/D采集与基于TFT-LCD显示的程序设计。

2 荧光信号检测原理
    某些物质受光照射激发能发射比激发光波长更长的光。此物质能从外界吸收并储存能量(如光能、化学能等)，并进入激发态；当其从激发态再回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射(即发光)，称为荧光。产生荧光必须具备两个条件：物质的分子必须具有与照射光相同的频率；吸收与本身特征频率相同能量的分子。必须具有高荧光效率。
    设计原理是利用脉冲调制电路将单色激光转变为调制激光光源。调制激光光源作为系统的激发光源，通过入射光纤直接照射到牙齿表面．基于激发的荧光通过出射光纤反射输出，选择光电倍增管作为荧光接收的光电传感器。由于出射的荧光较微弱，为了直观观察激发出的荧光，设计合理的放大电路，经A/D转换，单片机读取采样数据并进行相应处理。利用TFT-LCD终端显示输出。图1为总体设计框图。

3 采集与显示电路设计
    采集系统采用12 bit ADS7804转换器，其内部采用逐次逼近式工作原理，单通道输入，模拟输入电压范围为±10 V，采样速率为100 kHz，采样精度达2 mV。信号采集电路如图2所示，AT89C51单片机为控制处理器。其通信接口通过MAX232进行电平转换，直接与TFT-LCD连接。

    根据ADS7804器件的采集时序要求，首先将R/C引脚变为低电平；然后在CS引脚输入一个脉冲，并在其下降沿启动A／D转换，此脉冲的宽度要求在40 ns～6μs之间；这时BUSY引脚电平拉低表示正在进行转换；经过约8μs后，转换完成，BUSY引脚电平相应变高；再把R/C引脚电平拉高，这样，CS引脚脉冲的下降沿即把转换结果输出到数据总线。
    AT89C51单片机利用4个I／O端口为ADS7804器件提供工作时序，该时序由单片机软件完成。ADS7804的CS、BUSY、BYTE、R／C分别与单片机的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3相连，将示波器连接P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引脚检测ADS7804一次采集，单片机提供工作时序，图3为MD转换启动时序。

    选用TFT-LCD DMT48270S型7英寸液晶显示器作为显示终端。由湿示器与M600人机界面驱动模块组成TFT组合模块，界面支持触摸屏操作。TFT组合模块的特点是：具有串行口，可直接与AT89C51通讯，数据通讯只需3根线；具有统一指令集和硬件接口；完整的TFT面板接口信号，支持所有(TTL/CMOS)RGB接口面板，功耗低。是一种理想的终端显示组合模块。TFT组合设有两种数据传输速率模式：一种为固定模式，其波特率为921 600 b／s，另一种为可设置波特率，其波特率在1 200 b／s到115 200 b／s之间可调。该系统设计选择19 200 b／s波特率，输出界面模式由单片机软件完成。

4 采集与显示程序的设计
4．1 A／D采集程序设计
    首先，单片机的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引脚为ADS7804器件提供启动转换时序信号。然后等待A／D转换完成，即等待BUSY引脚电平变高，完成后，ADS781M器件的转换结果是12位，需2次读取8位单片机，最后处理采样数据，AT89C51的P0口读取采集数据，P0．0~P0．7引脚分别连接ADS7804的13～6引脚，根据其使用说明，当BYTE脚为低电平时，数据总线上输出高字节；反之，输出低字节。所以将采集数据有移4位得到真正转换结果。图4是A/D采集流程。

4．2 基于TFT-LCD显示的程序设计
    基于硬件电路的设计，通过编写控制与处理程序完成数据采集与数据显示等功能，单片机执行系统所有功能程序，系统软件设计流程如图5所示。

    系统上电后，单片机与TFT-LCD液晶屏初始化，主要设置单片机通信协议和显示液晶屏初始化界面，该初始化界面一帧显示2．5 s。
    初始化完成后，单片机处于等待接收触摸屏状态，如果接收到坐标数据则调用坐标判断子程序，如果收到“自动”或“单次”按键范围内坐标数据，就执行调用A／D采集子程序，完成荧光信号数据的采样与读取。
    为能够在TFT-LCD正确显示，需对数据进行格式化转换，读取采样数据判断其正负，然后调用对应子程序处理，该子程序主要完成十六进制数据与对应电压值的转换，电压值与显示屏的坐标位置转换。
    转换结束后，调用显示子程序，利用本次采样值相对坐标点与前一次采样值相对坐标点连接的方法，进行连续A／D采集，通过TFT-LCD显示终端实时显示，反映荧光信号强度的动态变化。每次采集时间约为500 ms，“自动”模式下进行多次采集，“单次”模式下进行一次采集。为了便于显示屏的人机界面操作，通过触摸屏可设置停止、采集与复位清屏等功能。

5 试验分析
    为了测试本系统对牙齿的监测性能，对两种牙齿进行试验检测，一种为蛀牙牙齿，另一种为无蛀牙齿，做5次实验，牙髓荧光信号采集结果如图6所示。

    从测量结果看，第1次荧光的相对强度很低，仅0．6 mV，而第2～5次荧光强度信号的幅值较高，同时看到信号并不是一条水平线，说明探头照射位置的改变等因素也会带来一定影响。无蛀牙齿的荧光强度相对有蛀牙齿的要高，变化较明显，说明牙齿的牙髓活力状况与自身的反射荧光大小有直接关系。同时，荧光相对强度与检测放大电路有密切相关，检测放大电路的放大倍数越大，荧光信号的相对强度也越高。

6 结论
    基于系统荧光信号的采集与显示电路，采用12位A／D转换器与真彩色、低功耗的TFT-LCD相结合，设计基于单片机的荧光信号采集程序。初步验证了该系统可完成对牙髓荧光信号的采集与显示。在试验中检测的对象数量较少，程序的稳定性有待进一步提高。采集系统设计将为后来系统功能的升级提供帮助。