基于 SCA61T 醫(yī)用活檢槍角度儀的設計

　　1.引言

　　活檢槍被廣泛的應用在腎穿刺、肝活檢、乳腺癌活檢、前列腺活檢以及肺活檢。在檢測過程中使用的活檢槍有半自動和全自動兩種類型。但是現(xiàn)有的活檢槍不管是半自動還是全自動，都沒有傾角測量顯示裝置，對病灶的采樣大多都是靠醫(yī)生的經(jīng)驗和可視性檢查系統(tǒng)如超聲、CT。在活檢槍上增加角度測量顯示儀[1]，使角度精確到0.1度，這樣微型病灶的采樣檢測及化驗成為可能，并且增加了診斷的可靠性和安全性，所以在活檢槍上加上角度儀，非常有意義而且實用。

2.活檢槍角度儀工作原理

活檢槍角度儀的工作原理如圖1所示：角度傳感器SCA61T輸出的是角度的數(shù)字信號，該數(shù)字信號為串行數(shù)據(jù)，要經(jīng)過串并轉換器件，將串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，然后通過單片機的并行口將數(shù)據(jù)輸入單片機，數(shù)據(jù)在單片機中經(jīng)過處理之后，送到LED顯示模塊，將角度數(shù)據(jù)顯示出來。角度傳感器SCA61T所需要的觸發(fā)脈沖信號由單片機控制產(chǎn)生。

3.角度儀的硬件設計

根據(jù)醫(yī)院活檢槍的測量要求，角度儀中的傳感器采用芬蘭VTI公司的最新款角度傳感器SCA61T。串并轉換和邏輯序列發(fā)生器件采用軟件的方法實現(xiàn)。數(shù)據(jù)運算、控制顯示采用單片機AT89S52[1]。LED顯示模塊采用四個數(shù)碼管來實現(xiàn)。

3.1SCA61T傳感器芯片的介紹

SCA61T是一種傾角傳感器，當該傳感器靜止時，作用在它上面的只有重力加速度。重力和傾角傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。其測量的范圍為-90度到+90度，輸出信號有模擬和數(shù)字兩種。其中數(shù)字信號為11位，該數(shù)字信號的精度可以達到0.088度，完全能夠滿足醫(yī)用活檢槍所要求的 0.1度。并且，該傳感器內置溫度補償系統(tǒng)，可以直接寫入和讀取溫度數(shù)據(jù)，還可以進行自檢。下圖為SCA61T[2]的控制功能表。

(1) 測量模式（MEAS）。上電后的標準工作模式。

(2) 讀寫溫度數(shù)據(jù)模式。

(3) 讀寄存器狀態(tài)。

(4) 復位內置的數(shù)據(jù)輸出存儲器。

(5) X通道自測試。

(6) 讀取X通道的加速度。數(shù)據(jù)的讀取是通過SPI端口。讀取存放在加速度寄存器的加速度信號。正常工作時，加速度寄存器X每150微秒加載一次。0代表負的角度，1代表正的角度。

在活檢槍角度儀中，要得到的是角度的數(shù)字信號。根據(jù)上面的圖2控制功能表，可以知道在SPI口要輸入的控制命令數(shù)據(jù)為00010000。SPI接口共有三根線，一是時鐘線(SCK)，二是主出叢入線即 MOSI,三是主入從出線即MISO。這三根線和片選信號線（CSB）必須嚴格按照圖3的時序，才能使傳感器芯片正常工作，時序錯誤，SCA61T不會工作，甚至有可能將傳感器芯片SCA61T燒壞。

當片選信號線（CSB）處于低電平時，數(shù)據(jù)通信才可以進行。每次數(shù)據(jù)的傳輸都是由CSB的下降沿開始，上升沿結束。

對于MISO數(shù)據(jù)，SCK的下降沿有效；對于MOSI數(shù)據(jù)，SCK的上升沿有效。先讀取的為角度的符號位。當 COMMAND 命令一結束，就開始輸出測量數(shù)據(jù)。

片選信號CSB為低電平有效。但是要輸出穩(wěn)定可靠的信號，每次測量CSB都要保持高電平至少150微秒。時鐘信號SCK的上升沿觸發(fā)數(shù)據(jù)的寫入，下降沿觸發(fā)數(shù)據(jù)的讀取。在這種情況下，可以得出，要想獲得某一時刻的角度數(shù)據(jù)至少需要19個時鐘脈沖。當不需要讀數(shù)據(jù)的時候，可以通過拉高片選信號CSB使傳感器芯片處于未使能狀態(tài)，即降低了功耗，又可以保護傳感器芯片SCA61T的安全。上面的時序圖也是編寫傳感器芯片驅動程序的嚴格標準。

3.2 單片機AT89S52與傳感器芯片SCA61T的連接

單片機的P1口作為數(shù)據(jù)的輸出口，連接到LED顯示器，用于采集到的測量數(shù)據(jù)的顯示。P3.0口接SCA61T的2腳，用于接受傳感器輸出的數(shù)字信號。P3.1口接傳感器的1腳，用于產(chǎn)生傳感器芯片的時鐘脈沖。P2.7腳接傳感器芯片的3腳，用于給SCA61T提供控制信號，來控制芯片的相關工作。上面的 P2.7、P3.0、P3.1腳通SCA61T的SPI接口相連，完成對傳感器芯片的控制、驅動和對角度數(shù)據(jù)的采集。傳感器SCA61T和單片機AT89S52[3]的其他外圍電路請分別參考各自的使用手冊。如3所示。

4. 軟件模塊的設計

在程序中，數(shù)據(jù)計算處理過程采用部分查表的方法。在數(shù)據(jù)的計算過程中，傳感器芯片的片選信號始終保持高電平，為下次讀取數(shù)據(jù)做準備。在整個數(shù)據(jù)的讀取過程中，用定時器控制方波信號作為傳感器的時鐘信號，傳感器讀入數(shù)據(jù)時為上升沿觸發(fā)，傳感器輸出數(shù)據(jù)時為下降沿觸發(fā)。在這個過程中，必須保證方波的同步，這樣就可以避免信號的丟失。

在活檢槍傾角儀的設計中，要寫入傳感器的數(shù)據(jù)為8bit的傳感器工作狀態(tài)選擇信號，要讀取的數(shù)據(jù)為11bit的串行傾角數(shù)據(jù)，所以在程序中需要設計一個 19 位的不斷循環(huán)的脈沖時鐘信號。

單片機將從傳感器采集到的角度數(shù)據(jù)進行處理后，要送往LED進行顯示。對于顯示的驅動和控制方法，可以采用順序查詢的方法，也可以采用中斷的方法。這兩種不同的顯示方法，各自有各自的好處，應根據(jù)具體的情況來選擇采用哪一種方法，以便達到最好的效果。

本設計采用了中斷的方法。部分數(shù)據(jù)處理程序：

num=gao[1]<<1;

temp1=num|gao[2];

num1[6]=di[6]<<1; 

num1[5]=di[5]<<2; 

num1[4]=di[4]<<3; 

temp2=num1[4]|num1[5]|num1[6]|di[7];

switch(temp1)      

{

    case 0x00:  shi=0x00;  break;

    case 0x01:  shi=0xe1;  break;

    case 0x02:  shi=0x1c2; break;

    case 0x03:  shi=0x2a3; break;

 }

 xiao=table3[temp2];

 ge=table2[temp3];

 xianshi=shi+ge+xiao;

 shuzi(xianshi); 

5.結論

該活檢槍角度儀的精度為0.1度，達到了醫(yī)用活檢槍的測量標準。不僅方便了醫(yī)生的使用，而且使得病理取樣更加精確，提高了病理診斷的準確性和安全性。