熒光信號采集系統設計與分析

1 引言
??? 牙齒牙髓活力狀態是衡量人體牙齒健康與否的關鍵，在此摒棄以往用牙髓電活力測試的檢測方法，而利用激光照射牙齒而激發牙髓物質產生熒光的機理。研究發現，熒光強度與牙髓活力有密切關系。能反映牙髓是否健康，牙髓是否能康復，通過牙齒的熒光現象判斷牙髓活力，是一種診斷牙髓疾病的客觀方法。牙齒在短波長激光的照射下可以產生熒光，通過入射光纖照射到牙齒表面，再由出射光纖輸出熒光信號，熒光強度會隨牙髓活力降低而減弱，將激光誘導熒光技術應用于牙髓活力檢測領域。介紹牙髓熒光信號采集與顯示電路設計，詳細闡述單片機程序設計，實現對熒光信號的采集，包括A/D采集與基于TFT-LCD顯示的程序設計。

2 熒光信號檢測原理
??? 某些物質受光照射激發能發射比激發光波長更長的光。此物質能從外界吸收并儲存能量(如光能、化學能等)，并進入激發態；當其從激發態再回到基態時，過剩的能量以電磁輻射的形式放射(即發光)，稱為熒光。產生熒光必須具備兩個條件：物質的分子必須具有與照射光相同的頻率；吸收與本身特征頻率相同能量的分子。必須具有高熒光效率。
??? 設計原理是利用脈沖調制電路將單色激光轉變為調制激光光源。調制激光光源作為系統的激發光源，通過入射光纖直接照射到牙齒表面．基于激發的熒光通過出射光纖反射輸出，選擇光電倍增管作為熒光接收的光電傳感器。由于出射的熒光較微弱，為了直觀觀察激發出的熒光，設計合理的放大電路，經A/D轉換，單片機讀取采樣數據并進行相應處理。利用TFT-LCD終端顯示輸出。圖1為總體設計框圖。

3 采集與顯示電路設計
??? 采集系統采用12 bit ADS7804轉換器，其內部采用逐次逼近式工作原理，單通道輸入，模擬輸入電壓范圍為±10 V，采樣速率為100 kHz，采樣精度達2 mV。信號采集電路如圖2所示，AT89C51單片機為控制處理器。其通信接口通過MAX232進行電平轉換，直接與TFT-LCD連接。

??? 根據ADS7804器件的采集時序要求，首先將R/C引腳變為低電平；然后在CS引腳輸入一個脈沖，并在其下降沿啟動A／D轉換，此脈沖的寬度要求在40 ns～6μs之間；這時BUSY引腳電平拉低表示正在進行轉換；經過約8μs后，轉換完成，BUSY引腳電平相應變高；再把R/C引腳電平拉高，這樣，CS引腳脈沖的下降沿即把轉換結果輸出到數據總線。
??? AT89C51單片機利用4個I／O端口為ADS7804器件提供工作時序，該時序由單片機軟件完成。ADS7804的CS、BUSY、BYTE、R／C分別與單片機的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3相連，將示波器連接P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引腳檢測ADS7804一次采集，單片機提供工作時序，圖3為MD轉換啟動時序。

??? 選用TFT-LCD DMT48270S型7英寸液晶顯示器作為顯示終端。由濕示器與M600人機界面驅動模塊組成TFT組合模塊，界面支持觸摸屏操作。TFT組合模塊的特點是：具有串行口，可直接與AT89C51通訊，數據通訊只需3根線；具有統一指令集和硬件接口；完整的TFT面板接口信號，支持所有(TTL/CMOS)RGB接口面板，功耗低。是一種理想的終端顯示組合模塊。TFT組合設有兩種數據傳輸速率模式：一種為固定模式，其波特率為921 600 b／s，另一種為可設置波特率，其波特率在1 200 b／s到115 200 b／s之間可調。該系統設計選擇19 200 b／s波特率，輸出界面模式由單片機軟件完成。

4 采集與顯示程序的設計
4．1 A／D采集程序設計
??? 首先，單片機的P1．0、P1．1、P1．2、P1．3引腳為ADS7804器件提供啟動轉換時序信號。然后等待A／D轉換完成，即等待BUSY引腳電平變高，完成后，ADS781M器件的轉換結果是12位，需2次讀取8位單片機，最后處理采樣數據，AT89C51的P0口讀取采集數據，P0．0~P0．7引腳分別連接ADS7804的13～6引腳，根據其使用說明，當BYTE腳為低電平時，數據總線上輸出高字節；反之，輸出低字節。所以將采集數據有移4位得到真正轉換結果。圖4是A/D采集流程。

4．2 基于TFT-LCD顯示的程序設計
??? 基于硬件電路的設計，通過編寫控制與處理程序完成數據采集與數據顯示等功能，單片機執行系統所有功能程序，系統軟件設計流程如圖5所示。

??? 系統上電后，單片機與TFT-LCD液晶屏初始化，主要設置單片機通信協議和顯示液晶屏初始化界面，該初始化界面一幀顯示2．5 s。
??? 初始化完成后，單片機處于等待接收觸摸屏狀態，如果接收到坐標數據則調用坐標判斷子程序，如果收到“自動”或“單次”按鍵范圍內坐標數據，就執行調用A／D采集子程序，完成熒光信號數據的采樣與讀取。
??? 為能夠在TFT-LCD正確顯示，需對數據進行格式化轉換，讀取采樣數據判斷其正負，然后調用對應子程序處理，該子程序主要完成十六進制數據與對應電壓值的轉換，電壓值與顯示屏的坐標位置轉換。
??? 轉換結束后，調用顯示子程序，利用本次采樣值相對坐標點與前一次采樣值相對坐標點連接的方法，進行連續A／D采集，通過TFT-LCD顯示終端實時顯示，反映熒光信號強度的動態變化。每次采集時間約為500 ms，“自動”模式下進行多次采集，“單次”模式下進行一次采集。為了便于顯示屏的人機界面操作，通過觸摸屏可設置停止、采集與復位清屏等功能。

5 試驗分析
??? 為了測試本系統對牙齒的監測性能，對兩種牙齒進行試驗檢測，一種為蛀牙牙齒，另一種為無蛀牙齒，做5次實驗，牙髓熒光信號采集結果如圖6所示。

??? 從測量結果看，第1次熒光的相對強度很低，僅0．6 mV，而第2～5次熒光強度信號的幅值較高，同時看到信號并不是一條水平線，說明探頭照射位置的改變等因素也會帶來一定影響。無蛀牙齒的熒光強度相對有蛀牙齒的要高，變化較明顯，說明牙齒的牙髓活力狀況與自身的反射熒光大小有直接關系。同時，熒光相對強度與檢測放大電路有密切相關，檢測放大電路的放大倍數越大，熒光信號的相對強度也越高。

6 結論
??? 基于系統熒光信號的采集與顯示電路，采用12位A／D轉換器與真彩色、低功耗的TFT-LCD相結合，設計基于單片機的熒光信號采集程序。初步驗證了該系統可完成對牙髓熒光信號的采集與顯示。在試驗中檢測的對象數量較少，程序的穩定性有待進一步提高。采集系統設計將為后來系統功能的升級提供幫助。

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