基于神经网络的电子鼻肺癌早期诊断系统

作者：江苏大学 赵景波 赵德安 蒋春彬

肺癌是目前全世界最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率不断上升。究其原因是肺癌病因不明，发病时间短、转移快、恶性程度高，早期不易诊断，到中、晚期失去了手术机会，患者五年生存率仅为15％左右。

        早期发现可使患者五年内生存率提高到70％～80％。所以早期发现、早期诊断、早期治疗是提高肺癌生存率和降低死亡率的关键。肺癌早期通常无特殊症状，几乎不被医生和病人警觉，并且常用诊断方法难以做到早期发现、早期定性诊断。

　　目前，基于电子鼻的疾病诊断研究主要集中在有关肾病、糖尿病的早期诊断和一些细菌的类型与生长阶段的识别。电子鼻的疾病诊断作为医学诊断无损化 的重要方向之一，已经取得了很多成果，但目前还未有通过认证的呼吸诊断仪器的报道。如何进一步改进肺癌的诊断技术、提高各种治疗的疗效等，已经成为近期全 世界肿瘤研究领域的重中之重。我国也把肺癌列为全国重点攻关课题。寻找一种更先进的仪器和技术在局部组织发生癌变时即能发现和诊断，即是本电子鼻系统所要 完成的工作。本文从相关病理的呼吸气体的侦测和收集、气体传感器阵列的选取及优化设计和模式识别技术的选择等方面对电子鼻肺癌早期诊断系统进行了关键技术 的设计，取得了良好的效果。

　　1 电子鼻肺癌早期诊断系统结构

　　电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气体的电子系统。电子鼻主要由气体取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统三种功能器件组成。电 子鼻识别气体的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，整个传感器阵列对不同气体的响应图案不同。正是这种区别，才使系统能根据传感 器的响应图案识别气味。

　　电子鼻典型的工作流程是：首先，利用呼吸气体收集装置(经过呼吸气体净化和流量控制)把呼吸气体吸取至装有电子传感器阵列的小容器室中；接着， 把已初始化的传感器阵列暴露到被测气体中，当挥发性化合物(VOC)与传感器活性材料表面接触时，产生瞬时响应，这种响应被记录并传送到信号处理单元进行 分析，与数据库中存储的大量VOC图案进行比较、鉴别，以确定气体类型；最后，清洗气冲洗传感器活性材料表面以去除测毕的气体混合物。在进入下一轮新的测 量之前，传感器仍需再次初始化(即工作之前，每个传感器都需用干燥气或某些其他参考气体清洗，以达到基准状态)。电子鼻肺癌早期诊断系统结构如图1所示。

　　2 电子鼻肺癌早期诊断系统的设计

　　本文从肺癌患者的呼吸气体中与疾病有较大相关性的有病理意义的气体的侦测、呼吸气体收集装置的设计、气体传感器阵列的选取及优化设计和模式识别技术的选择等方面进行了关键技术的设计。

　　2.1 呼吸气体的侦测

　　大约有200种以上的化合物已在人类的呼气中被侦测出，其中某些气体与肺癌相关，因此利用呼气检测疾病是可行的方法。其优点是非侵入式、简单、 快速，故具有极高的应用发展潜力。与医院结合，选取合适的气敏传感器与检测方法，检测肺癌患者的呼出气体中苯乙烯、癸烷、十一烷等22种有机挥发性 (VOCs)特征气体的浓度是很有前景的肺癌无创伤诊断与监护方法。

　　2.2 呼吸气体收集装置的设计

　　由于呼气中所产生与肺癌相关的气体浓度很低(通常在ppb层级)，而传统的呼气检测方式是根据标准的呼气采样程序后，再以气相色谱质谱分析仪判 定化合物种类，其分析过程必须将大量的呼气样品(约需3L的呼气样品)浓缩后，才可达到仪器能侦测的极限值。此方法不仅仪器昂贵、耗时且需大量的样品检 体。而电子鼻所需的分析成本不高，且所需呼气样品量仅10ml左右，操作简单、反应快速(数分钟)。呼吸气体的收集在电子鼻的肺癌早期诊断系统中占有极其 重要的地位，气体收集装置的结构如图2所示。

　　图2中箭头表示清洗气和呼吸气体的流动方向。整个气体收集装置经过气体清洗后，通过吹气口将测试者的呼吸气体呼入。经过一系列的水分和无关气体的清除后，通过流量计控制气体的流速和微处理器的定时采集，再经过加热器除去非活性气体。

        2.3 气体传感器阵列的选取和优化设计

　　在该电子鼻系统中，气体传感器阵列是关键因素。影响气敏传感器性能的主要因素有材料及成模技术、应用溶凝胶技术制备敏感模、工作状态及工作环境等。此外，还要考虑初始过程响应和氧分压对气敏传感器特性的影响。

　　气体传感器阵列的性能直接决定了系统的识别能力、识别范围、使用寿命等，因而如何构成阵列以提高电子鼻系统的性能成为重要的研究课题。传感器阵列的参数选择主要是：阵列规模、传感器类型及其选择性、稳定性、噪声水平以及热敏特性等。

　　电子鼻系统中的传感器阵列可以是单片集成阵列，也可以由多个分立元件构成。当使用的阵列单元较多时，单片集成的阵列显示出尺寸小、功耗低的优 点；另一方面，分立器件的性能也在不断得到提高。不论采用哪种阵列，阵列的规模和尺寸都非常重要。适当增加阵列单元数目，会得到更好的系统识别能力，但有 时阵列单元的增加并不能改善系统的识别效果，并且较大规模的阵列，其功耗也较大，单元之间的热干扰也比较严重，这将增加系统集成的难度。构成阵列时，还要 考虑阵列各单元的选择性。如果各单元对于特定气体具有较好的选择性，则阵列对这些气体及其混合气体的识别能力就比较强，但其能够识别的气体种类就会减少， 对于更多成分的复杂混合气体的识别能力就比较弱。在构造传感器阵列时可以采用选择性不强、具有较宽的响应范围的传感器件，通过模式识别技术提升系统选择性 和精度，同时针对不同的识别对象，加入个别选择性较好的单元，以简化阵列。在阵列单元选择方面，有采用测试结果的正态分布特性、相对标准方差分析、相关系 数分析等方法。本系统中，交叉响应特性、阵列稳定性是传感器阵列单元选择的主要目标。

        2.4 模式识别技术的选择

　　利用阵列中气体传感器的交叉选择性对被测介质形成高维响应模式，结合模式识别技术，可以对单一气体进行定性分析或确定混合气体中的特定分量。气 体传感器的响应通常具有较强的非线性，所以常规的模式识别方法，如主成分分析法、偏最小二乘回归法、欧几里德聚类分析法等受到限制(大多数常规分类法是线 性方法，假设响应向量位于欧几里德空间，被测对象的浓度与传感器的响应呈线性关系。只有当气体和气味的浓度很低时，情况才如此)。而人工神经网络能够处理 非线性数据，能够容忍传感器的漂移和噪声，鲁棒性好，预报正确率也比常规方法高。

　　由于传感器的响应值与所测气体成分之间的关系非常复杂，很难用明确的数学关系表达，因此采用神经网络技术建立传感器阵列响应信号与测量气体之间 的映射关系。径向基函数RBF(Radial Basis Function)神经网络在一定程度上可克服局部最小和效率低等问题，在函数逼近方面与BP神经网络相比有着明显的优势。综合以上分析，本系统采用 RBF神经网络模式识别方法。图3是RBF神经网络拓扑结构。

　　RBF神经网络由输入层、中间层(隐层) 和输出层组成。在此, 输入层仅对数据信息进行传递，而不进行任何变换。隐层神经元的核函数(或称作用函数)取为高斯函数，对输入信息进行空间映射变换。输出层神经元的作用函数 为Sigmoid函数，对隐层神经元输出的信息进行线性加权后输出，作为网络的输出结果。采用监督学习的方法训练神经网络，以确定网络的中心、宽度和调节 权重。从测试样本中，随机抽取80个样本中的60个为训练集，其余20个为测试集，在不同的温度和湿度条件下，分别做三次实验。

　　网络训练参数动量因子α＝0.09，学习因子η＝10.12，最大训练次数为20 000次，目标误差为0.01，训练时间约3min，网络达到目标误差要求。将训练好的网络对样本进行测试，结果如表1所示。对于三次实验，正确的判别结 果达到了90%以上。这样的结果是令人满意的，说明本应用可以及早发现肺癌患者。

　　本文建立了一套能快速准确地诊断肺癌的电子鼻系统。该电子鼻系统由传感器阵列组成。在数据处理中，对所得的传感器数据采用RBF神经网络进行模 式识别处理，选取不同的温度和湿度条件，进行了三次实验。整个测试过程除了样本放入时需要顶空气体稳定2 min左右和采集传感器与样本气体反应数据需要2 min左右外，其他数据处理几乎不到半分钟，因此测试一个样本的时间不超过5 min。但由于所研制的电子鼻还处于实验室阶段，仍有许多需要进一步研究的问题，如在装置上，如何改进现有装置、优化传感器阵列；在数据处理方面，特征值 的提取、模式识别算法的改进等。

　　参考文献

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　　4 Gao Daqi，Miao Qin，Nie Guiping.Simultaneous estimation of odor classes and concentrations using an electronic nose[J].IEEE，2004：1353～1358

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怎样应对医疗电子设备日益复杂的设计挑战？

作者：苏宇

医疗电子设备要从微弱而复杂的人体电信号中采集有效信息，并根据这些信息进行监控、显示和疾病诊断，同时还要避免医疗电子设备对人体造成伤害，因此技术人员在医疗电子设 备的开发过程中面临诸多挑战。日前，2008中国国际医疗电子技术大会（CMET2008）在深圳隆重举行，来自医疗电子科研机构以及TI、ADI、 Xilinx、Altera、Actel、NI等国际半导体供应商的专家们发表了精彩的主题演讲，并与众多与会的医疗电子企业的技术人员就医疗电子趋势和 日益复杂的设计挑战进行了交流与探讨。

大型医疗电子设备采用专用半导体器件

深圳西门子迈迪特磁共振公司的倪成博士在“大型医疗设备中的电子技术”主题演讲中表示，大型医疗设备主要是用于诊断和治疗，其与民用的或便携式医疗 电子设备的开发有很多不同的考虑。例如在磁共振成像(MRI)系统中，一般采用高速FPGA来实现时序控制、数据传输，而高性能DSP则被用于实时安全监 控。大型医疗设备的开发很少是从市面采购器件，而是与半导体供应商合作开发的专用器件，因此大型医疗电子设备的开发需要和半导体供应商建立比较长久的的合 作关系。大型医疗设备的非实时的数据需要总线协议进行控制，目前西门子、通用、飞利浦的大型医疗设备都有选用CAN总线，而采用Ethernet Powerlink(EPL)也逐渐成为一种潮流，但是这些总线并不适合诸如心电图、生化分析仪这类设备采用。另外，倪博士还向那些打算开发与磁共振设备 配套使用的测试仪器的企业建议，必须保证配套仪器是完全无磁的，否则会造成配套仪器和磁共振设备的互相干扰，因此有此计划的企业最好是找磁共振厂家进行合 作。

低功耗：便携式医疗设备的显著需求

从不同半导体供应商专家们的演讲中发现，为提供更长的电池寿命，低功耗成为便携式医疗设备用半导体器件的共同特征，而高性能、高集成度则是便携式医疗设备用模拟器件的主要特征。

图1：SRAM内的软错误和固错误。

图2：固错误对SRAM FPGA的逻辑有严重的影响。

Actel亚太区技术经理戴梦麟建议在选择FPGA进行医疗设备设计的时候要把可靠性作为最高的考虑因素。由于SRAM FPGA要实现超低功耗工作通常需要把器件待机而关掉电源，因此在休眠前就要把SRAM的寄存器状态存放到非易失性存储器里，这使得SRAM FPGA对设计和成本造成很大的影响。(见图1、2)Actel的低功耗FPGA使用Flash Freeze技术降低功耗，支持该技术的器件只需1us就可以进出低功耗模式。而Flash Freeze工艺的FPGA器件在提供低功耗特性的同时也能使寄存器的内容得到保持，因此Flash FPGA不但具有SRAM工艺和反熔丝工艺FPGA的优点，也能对“固错误”进行免疫。戴梦麟强调Actel的proASIC3L系列器件是真正的单芯片 Flash GPGA，比那些只是将SRAM FPGA与Flash FPGA进行混合封装的器件具有更高可靠性和更低的成本。

在本次大会上便携式超声成像系统成为半导体供应商提及最多的医疗电子设计。最新的超声成像系统都采用数字处理信号链、更高采样频率以及朝着便携式的 方向发展。在这些新型的超声系统中需要显示3D乃至4D的高质量彩色图像。随着超声系统的设计的复杂化，如何应对现代超声成像的设计挑战呢？两大FPGA 巨头，Xilinx和Altera都建议在超声成像的波束生成器(Beam Former)设计中采用具有DSP性能的FPGA。

图3：Xilinx的高性能数字波束生成器方案。

Xilinx亚太区DSP产品和解决方案营销业务高级经理林鸿瑞表示便携式超声系统的一个趋势就是越来越多的数据需要越来越快地被处理，因此超声成 像系统的波束生成器将需要更多地使用可编程的高性能DSP平台。Xilinx的低功耗FPGA通过使用DSP48 Slice提供全频谱的高性能FIR滤波器、FFT算法甚至是浮点运算，同时也降低了成本。

图4：Altera器件在超声系统中的应用。

随着需要的探头数的增多，波束生成器的通道数也相应增多，则意味着需要更多的DSP功能和更高速串行接口，而PCIe接口和新型的 DDR2/DDR3也将在新型的便携式超声系统中流行。Altera资深技术市场工程师赵敏指出，在超声系统设计当中使用高速的Stratix III FPGA能应付高性能波束生成器所带来的这些挑战，因为Stratix III器件具有大量的DSP模块实现滤波和加权功能并支持多个通道，同时还是目前唯一支持DDR3的FPGA；同时由于采用可编程功耗技术、可选内核电压 以及优化的芯片工艺，Stratix III器件的功耗得到大幅度降低，从而成为业界最低功耗的高性能FPGA。

图5：ADI的超低功耗PulSAR ADC具有众多优点

ADI医疗仪器产品经理Paul Errico表示连续波多普勒超声系统的图像质量需要不断地得到改善，因此设计过程中应该选用高性能的模拟器件，同时为便携式超声系统选用高集成度模拟器 件也使得整体成本更低。Paul Errico在大会上介绍ADI针对连续波多普勒处理推出了高性能八通道单芯片模拟前端AD9271、四I/Q解调器AD8339以及超低功耗的16位 ADC AD7980。其中，AD9271集成了LNA、VGA以及12位流水线ADC，不但能改善便携式医疗设备的图像质量、更小的芯片面积和低成本优势，也提 升了电池的使用寿命和可靠性。

图6：双极型工艺和CMOS工艺对超声波系统前端器件参数影响的对照。

无独有偶，TI在大会上也介绍了一款高集成的八通道模拟前端AFE5805，因为模拟前端是决定图像质量和总体系统性能的关键，不过该款低功耗模拟 前端是在一个封装里集成了LNA、VCA和ADC。TI模拟产品信号链应用工程师陈红生在大会上强调，面对连续波多普勒超声系统所带来的噪声、带宽以及面 积等设计挑战，采用双极型工艺和CMOS工艺对不同功能模块的参数具有不同的影响(见图6)，因此工程师要注重对模拟前端功能模块的工艺的综合考虑。

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医学研究中的统计技术

人与人之间普遍存在着个体差异，所以医学研究中的变异无处不在，再加上外在因素的影响，医学现象更显得变化无常。

        例如，某种疾病的发生或流行是什么因素所致？可能涉及的多种因素中哪些是无关紧要的？哪些才是真正相关的？其中又具体地以哪一个为主？哪一个为次？又比 如，用某种新药品或新疗法治疗某种疾病，为什么有的患者感觉“妙手回春”，而有的患者却依然久病不起？如何客观地评判该药品或该疗法是否真的有效？或者说 它与以前的药品或疗法相比具有明显的优势？为了获取正确的结果，需要做多少次临床试验才够呢？……诸如此类，举不胜举。

        针对上述医学问题，我们应该如何进行客观科学的分析，从而得出可靠的判断和结论呢？将医学研究与统计技术相结合所产生的医学统计学就是帮助我们解决这类问 题的一个强有力的工具。医学统计学绝不是干巴巴的学术理论，也不是冷冰冰的数学公式，更不是硬生生的计算推导，而是将统计学渗透到医学研究等各领域的一种 思维方式。我们并不奢望每个医学工作者都能成为专业统计学工作者，而是希望赋予医学工作者更多的一种方法，建立以科学方法开展试验与分析的逻辑观念，从不 确定性或概率的角度去思考问题，在开展医学相关研究设计，进行数据的搜集、整理、分析时具备清晰的思路。

       为了排除形成新思路时的障碍，减少学习统计学时的困难，下面将阐述说明一个在医学科研界常用的方法——“配对设计与检验”，以此为例帮助大家理解如何应用医学研究中的统计技术。

      “配对设计与检验”是指研究者为了控制可能存在的主要非处理因素，将条件相同或相近的受试对象配成对子，然后每对中的两个个体随机地被分配到实验组和对照 组进行试验。这样做的优点是可以在同一对的试验对象间取得均衡，以提高试验的效率。具体形式可能有：配对的两个受试对象分别接受两种不同的处理；同一受试 对象的两个部分分别接受两种不同的处理；同一受试对象接受某种处理前后结果的比较，即自身前后对比；等等。

        解决这类问题，首先是求出各对结果差值的均值。理论上讲，两种处理的效果无差别或某种处理无效时，差值的总体均值应该为0。因此，对于配对设计的均值比 较，可以看成是样本均值与总体均数的比较，也就是建立配对检验统计量t进行统计推断。在此，笔者不想赘述教科书上的统计学基本概念及其思想原理，而是想借 用一个实际案例来强调如何使统计分析切合医学问题的中心。

      背景介绍：某生物医药单位研究饮食中缺乏维生素E与肝中维生素A含量的关系，将同种属的小白鼠按性别相同，年龄、体重相近者配成10对后，将每对中的两只 小白鼠随机分到正常饲料组和维生素E缺乏组，经过一段时间后将小白鼠杀死，测量其肝中维生素A的含量，结果见表一。试问两组小白鼠肝中维生素A的含量有无 明显区别？

                                      表一  不同饲料组小白鼠肝中维生素A的含量（U/g）

       显然，该案例非常适合用“配对设计与检验”的方法来分析。获得10对试验对象的数据后，很容易求得对应的差值。在此基础上，我们可以一步步地用配对t检验做统计推断。

       首先，确定原假设和备择假设和检验显著性水平如下。
       H0:u等于0，即两组小白鼠肝中维生素的含量相同；
       H1:u不等于0，即两组小白鼠肝中维生素的含量不同；
a=0.05。
      

       其次，计算检验统计量t值。借助权威的统计分析软件JMP可以快速地得到如表二所示的计算结果。由该表可知，样本均值等于942，样本均值的标准误差为 156.559，自由度DF = 9,因此其对应的95%置信区间为[587.839，1296.16]，检验统计量t = 6.016908。

表二  配对t检验的分析报告

       最后，将t值转化为P值，得出统计推断结论。由于本案例采用的是双侧检验，故只需参考表二中的“P值 > |t| 0.0002*”。因为P = 0.0002，即P < ? = 0.05,所以我们有较大的把握拒绝原假设H0,接受备择假设H1。用医学的语言来翻译这个统计结论就是：两组小白鼠肝中维生素A的含量不同，即维生素E 缺乏对小白鼠肝中维生素A的含量有影响。

       有的医学工作者感觉上述分析过程比较抽象，难于理解。高级统计分析软件JMP考虑到了这一点，别具特色地用图形化的方式诠释了这个结果。为了能够清晰地读 懂图形表达的含义，简要地做一些必要的理论铺垫。在如图一所示的图形中，原先的二维坐标轴分别代表两个响应y1和y2。将其旋转45度后，得到一个新的二 维坐标轴，此时y轴代表的是两个原始响应的差值，x轴代表的是两个原始响应的总和。此图形与原先构造的二元散点图相同，只是视觉角度被旋转了45度而已。

图一  旋转前后的二元散点图

        在图一的基础上，再进行尺度的重新调整，就可以显示两个响应的差值和均值了，至于如何判断这两个原始响应（y1和y2）的差值是否显著，可以依据图二的解释说明轻松识别。

                                                       图二  配对t检验的图形解释

        将这一原理应用在刚才的案例上，可以得到如图三所示的图形。由该图可知，正常饲料组和维生素E缺乏组之间的差值及其95%置信区间都远大于0，说明两组小 白鼠肝中维生素A的含量确实明显不同，维生素E缺乏对小白鼠肝中维生素A的含量确有影响。这个可视化的结论与先前统计计算的结论完全一致，但相比之下，直 观形象了很多，适合于绝大多数非统计专业人士的理解。

                                                     图三  实际试验的配对t检验图

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RFID有效追踪药品和医疗管理

药品是特殊商品，如果给病人用错药，用假药、劣药或者过期药品，将给人民的身体健康及生命带来威胁。

　　近些年来，药品安全问题频频发生，2006年我国就发生了几起药品叫停事件:卫生部紧急叫停欣弗、国家食品药品监督管理局（SFDA）叫停鱼腥草注射剂等，就是因为问题、假冒伪劣药品给人们的生命安全造成了伤害。

　　根据世界卫生组织的报道，全球假药比例已超过10%，全球假药年销售额已超过320亿美元，其中60%的假药在发展中国家。世界上每年的死亡病例有1/3源于不合理用药。美国每年约有7000名住院病人因用错药而死亡。

　　中国药学会提供的数据显示，在我国，每年至少有20万人因用错药、用药不当而死亡，不合格用药人数占用药人数的11%～26%，日常急救病例的10%因用药失误引起。

　　因此，越来越多的国家希望借助高科技手段，对药品进行跟踪和监测，打击假冒伪劣药品，规范整顿医药市场。RFID标签就是其中一种日益受到欢迎的新技术。在2007年两会期间，代表、委员们还提出了采用RFID技术打击包括药品在内的假冒伪劣产品的议案。

　　最适合的跟踪器

　　RFID标签是一种内含无线电技术的晶
片，晶片中可记录一系列资讯，例如产品类别、位置、日期等。在一定范围内，RFID标签商品的接收端可透过扫描器感应到资料，因而可提高物流和库存管理效率。与现有的条码资讯辨识系统比较，RFID系统可储存更多资料、读取时间较短，每个标签都有独特的电子产品编码，不但无法复制，还可以加密，因此未来有望取代条码系统。就医药行业而言，RFID技术的功能主要体现在:

　　在制药、打假、规范市场方面，RFID标签依附在产品上的身份标识具有唯一性，难以复制，可以起到查询信息和防伪打假的作用，将是假冒伪劣产品一个非常重要的查处措施。

　　另外还可以起到全程实时监控的作用，药品从科研、生产、流通到使用整个过程中，RFID标签都可进行全方位的监控。特别是出厂的时候，在产品自行自动包装时，安装在生产线的读取器可以自动识别每个药品的信息，传输到数据库，流通的过程中可以随时记录中间信息，实施全线监控。

　　在包装生产线、出厂的时候，在产品流通、仓储、流通过程中，直至消费者购买的过程中，我们如果使用了RFID标签全程记录、实时记录，跟踪、追溯药品这个问题就能解决。

　　具体来说，RFID在医药业可应用方向如下:

　　首先，能够防止伪药于市面上流通。

　　例如，美国Purdue Pharma以生产处方药、非处方药与医疗用产品闻名，该公司已将RFID的标签作业与单一药瓶包装产线的流程成功整合，应用RFID技术于生产线产品，将符合EPC(Electronic Product Code)标准的标签贴于OxyContin药品的包装瓶上。此外，Pfizer药厂之Viagra药品流向追踪及防伪等。

　　其次，可用于物流作业管理。

　　除一般物流申补作业外，尚可应用于:

　　◇药品运送及储存环境条件监控

　　药品制造经过安定性试验，确认其适当储存温度和架储期，如果运送和储存环境不符作业要求，会造成药品失效而影响医疗结果。透过主动式RFID应用，可达成运送及环境条件监控，确保药品品质。

　　◇药品库储暨效期管理

　　透过RFID技术应用于药品效期管理，可减少人力作业、并降低不必要之库存浪费，提升物流作业效率。

　　此外，也能够提升用药安全。

　　医疗人员在调剂药品、递送至病患给药的过程中，确认的内容包括药事作业部门的调剂(例如病患身份、品名、剂量、数量、用法之双重甚至三重查核等)、护理人员对于病患身份、药物、时间、给药途径、注射部位、注射速率等与病患安全有关作业事项。虽然RFID无法全面性运用于医院或社区药事作业上，但可经由RFID辅助提升用药安全。应用方向可包括:

　　◇避免药品剂量与剂型容易混淆品项的辅助识别

　　◇药品名称相似的品项之辅助识别

　　◇血液制剂管理

　　法规及评鉴要求医疗院所确实掌握订购输血用血液制剂之种类、使用及退还状况，且需确实记录病人使用流向及保存所用血液批号。可藉由RFID作为辅助，从药品制造商到住院或居家病患之全程追踪管理，并可减少人工作业量。

　　◇化疗制剂管理

　　化疗药物本身具有极高之毒性，医疗院所可藉由RFID辅助，确认病患使用制剂之种类、记录病人使用流向及保存批号等，避免用药疏失，落实病患用药安全。

　　最后，可以建立起一个资讯查询系统。

　　医疗品质是一个持续不断进步的改进过程。如果能整合医院资讯系统，可以让病患在门诊领取药物后将药物取出、透过扫瞄机自我检查，提供病患多一份用药安全的保障。若医院资讯系统连接上药物资料库，病患在核对的同时还可以获得完整的药物资讯，甚至列印所需资讯。可以补足药袋上药物资讯的不足，也可教育病患加强自己的用药知识，对医院整体服务形象也有正面的帮助。

普及步伐一份名为“全球保健和医药应用市场中的RFID” 的报告显示，2004年RFID在保健和医药应用市场中获得的收入为3.7亿美金，而且据预测，到2011年将会增长到23.188亿美元。2004年，相对于前一年来说，市场的增长率不是很大，为11.8%。在预测期中，该市场预计将会以29.9%的年复合增长率（CAGR）增长。

　　但是，随着监管建议的出现，在医药和病人追踪方面，RFID的投入也在不断增加。最初的利益来自北美和欧洲的零售托管，因为这些地区要求医药链必须由某一类接受RFID标签的商店来支持。

　　制药公司现在都把精力集中在试点活动中以求把这种技术整合到他们的供应链中。然而，发展速度会出现区域性的不一致，因为绝大部分的研发中心都集中在北美地区。欧洲仍然在标准、频率和缺少政府驱动的首创精神等相关问题上停滞不前。亚太地区在病人追踪和反假冒措施上表现出主动性，因此RDIF在这一地区拥有巨大的增长潜力。

　　传统上RFID技术会被应用在资产管理和设备追踪的应用中。人们希望该技术随着管理和立法机关的发展而在药品追踪方
面显示出巨大的应用潜力，同时保证医药供应链的安全也驱使各方实施RFID方面的大型部署工作。

　　就保健和医药市场的收入和增长率来讲，美国市场是RFID最大的应用市场，而且增长速度最快，年复合增长率（CAGR）为31.3%。增长率在不同的地理区域会产生巨大差异。美国市场是美洲地区的“发动机”，接着是加拿大，紧随其后的是亚太地区、欧洲、中东。

　　在三个分析的应用情况中，药品追踪市场预计会有最强劲的年复合增长率（CAGR），在预测期中将接近32.8%。紧接着是医疗设备追踪市场，年复合增长率（CAGR）28.9%。

　　由于医药界应用RFID技术来防止药品被仿冒的要求越来越高，各国政府在立法、政策方面来积极推动RFID。比如，美国国会致力于立法透过 RFID等相关技术来建立追踪体系，同时必须在2010年以前将处方药包的追踪系统完成。根据这项法案，药商必需整合防窜改技术在气泡包装上，并且必须在 2007年以前在三十多种最容易被仿冒的药品包装上加入追踪技术。若此法案通过，所有的药品就都可以拥有完整的药谱纪录。此外，美国食品及药物管理局 (FDA)已经要求医药产业发展RFID的相关标准并且开始进行先导流程的规划，如此一来将可以形成更广泛的RFID技术应用。他们希望在2007年前会有企业自愿完成此项先导计划。

　　有规划地应用

　　RFID为全新科技，不但技术复杂度高，需要花费的建设成本也不可小视。医药企业须考量自身公司与产品，在选择最符合运营需求方案的同时，还要填密地规划系统导入各阶段，这样才能达到最高的效益。

　　1.策略拟订:针对企业需求拟订系统导入策略。医药企业首先须确认RFID系统可为企业营运带来何种实质利益，在全面考察现有供应链结构后，再与系统开发商合作，拟订一套对企业运营冲击最小，且最具备成本效益的导入策略。

　　2.导入初期:妥善管理导入与初步导入系统后，为确保系统的成效，医药企业还须针对软硬件系统架构与应用方案整合进行前导实验计划，以确认产品资料可正确且迅速地被RFID 标签读取，并成功传送至系统。

　　3.全面布局:由于医药产品复杂度高，医药企业最好依据产能业绩需求设定测试基准，在供应链系统正式运行前做好最后确认。之后，医药企业还须针对建构资料仓库系统与资料管理服务，以及整合供应链合作厂商，共同研究和拟订策略，以确保企业可充分利用这套系统。

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酸度计的使用方法

酸度计简称pH计，由电极和电计两部分组成。使用中若能够合理维护电极、按要求配制标准缓冲液和正确操作电计,可大大减小pH示值误差，从而提高化学实验、医学检验数据的可*性。
一、 正确使用酸度计的使用方法与保养电极
目前实验室酸度计使用的电极都是复合电极，其优点是使用方便，不受氧化性或还原性物质的影响，且平衡速度较快。使用时，将电极加液口上所套的橡胶套和下端的橡皮套全取下，以保持电极内氯化钾溶液的液压差。下面就把电极的使用与维护简单作一介绍：
⒈复合电极不用时，可充分浸泡3M氯化钾溶液中。切忌用洗涤液或其他吸水性试剂浸洗。
⒉使用前，检查玻璃电极前端的球泡。正常情况下，电极应该透明而无裂纹；球泡内要充满溶液，不能有气泡存在。
⒊测量浓度较大的溶液时，尽量缩短测量时间，用后仔细清洗，防止被测液粘附在电极上而污染电极。
⒋清洗电极后，不要用滤纸擦拭玻璃膜，而应用滤纸吸干, 避免损坏玻璃薄膜、防止交*污染，影响测量精度。
⒌测量中注意电极的银—氯化银内参比电极应浸入到球泡内氯化物缓冲溶液中，避免电计显示部分出现数字乱跳现象。使用时，注意将电极轻轻甩几下。
⒍电极不能用于强酸、强碱或其他腐蚀性溶液。
⒎严禁在脱水性介质如无水乙醇、重铬酸钾等中使用。
二、酸度计的使用方法标准缓冲液的配制及其保存
⒈pH标准物质应保存在干燥的地方，如混合磷酸盐pH标准物质在空气湿度较大时就会发生潮解,一旦出现潮解,pH标准物质即不可使用。
⒉配制pH标准溶液应使用二次蒸馏水或者是去离子水。如果是用于0.1级pH计测量，则可以用普通蒸馏水。
⒊配制pH标准溶液应使用较小的烧杯来稀释，以减少沾在烧杯壁上的pH标准液。存放pH标准物质的塑料袋或其它容器，除了应倒干净以外，还应用蒸馏水多次冲洗，然后将其倒入配制的pH标准溶液中，以保证配制的pH标准溶液准确无误。
⒋配制好的标准缓冲溶液一般可保存2—3个月，如发现有浑浊、发霉或沉淀等现象时，不能继续使用。
⒌碱性标准溶液应装在聚乙烯瓶中密闭保存。防止二氧化碳进入标准溶液后形成碳酸，降低其pH值。
三、pH计的正确校准
pH计因电计设计的不同而类型很多，其操作步骤各有不同，因而pH计的操作应严格按照其使用说明书正确进行。在具体操作中，校准是pH计使用操作中的一重要步骤。表1的数据是精度为0.01级、经过计量检定合格的pH计在未校准时与校准后的测量值，从中可以看出校准的重要性。
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
标准pH┄┄┄校准前误差（pH）┄┄┄校准后误差（pH）
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
13.000┅┅┅ 00.0600┅┅┅┅ 00.0000
12.000┅┅┅ 00.0450┅┅┅┅ 00.0005
11.000┅┅┅ 00.0500┅┅┅┅ 00.0010
10.000┅┅┅ 00.0300┅┅┅┅ 00.0000
9.000 ┅┅┅ 00.0200┅┅┅┅ 00.0005
8.000 ┅┅┅ 00.010┅┅┅┅ 00.0005
7.000┅┅┅ 00.0015┅┅┅┅ 00.0000
6.000┅┅┅ -00.0100┅┅┅┅ -00.0005
5.000┅┅┅ -00.0105┅┅┅┅ 00.0005
4.000┅┅┅ 00.0150┅┅┅┅ 00.0000
3.000┅┅┅ -00.0300┅┅┅┅ 00.0000
2.000┅┅┅ -00.0200┅┅┅┅ -00.0003
1.000┅┅┅ -00.0350┅┅┅┅ -00.0001
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
尽管pH计种类很多，但其校准方法均采用两点校准法，即选择两种标准缓冲液：一种是pH7标准缓冲液，第二种是pH9标准缓冲液或pH4标准缓冲液。先用pH7标准缓冲液对电计进行定位，再根据待测溶液的酸碱性选择第二种标准缓冲液。如果待测溶液呈酸性，则选用pH4标准缓冲液；如果待测溶液呈碱性，则选用pH9标准缓冲液。若是手动调节的pH计，应在两种标准缓冲液之间反复操作几次，直至不需再调节其零点和定位（斜率）旋钮，pH计即可准确显示两种标准缓冲液pH值。则校准过程结束。此后，在测量过程中零点和定位旋钮就不应再动。若是智能式pH计，则不需反复调节，因为其内部已贮存几种标准缓冲液的pH值可供选择、而且可以自动识别并自动校准。但要注意标准缓冲液选择及其配制的准确性。智能式0.01级pH计一般内存有三至五种标准缓冲液pH值，如科立龙公司的KL-016型pH计等。
其次，酸度计在校准前应特别注意待测溶液的温度。以便正确选择标准缓冲液,并调节电计面板上的温度补偿旋钮,使其与待测溶液的温度一致。不同的温度下，标准缓冲溶液的pH值是不一样的。如表2所示：
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
温度（℃）┄┄ pH7 ┄┄ pH4 ┄┄ pH9.2
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
10┄┄┄┄┄┄6.92 ┄┄ 4.00 ┄┄9.33
15┄┄┄┄┄┄6.90 ┄┄ 4.00 ┄┄9.28
20┄┄┄┄┄┄6.88 ┄┄ 4.00 ┄┄9.23
25┄┄┄┄┄┄6.86 ┄┄ 4.00 ┄┄9.18
30┄┄┄┄┄┄6.85 ┄┄ 4.01 ┄┄9.14
40┄┄┄┄┄┄6.84 ┄┄ 4.03 ┄┄9.01
50┄┄┄┄┄┄6.83 ┄┄ 4.06 ┄┄9.02
50┄┄┄┄┄┄6.83 ┄┄ 4.06 ┄┄9.02
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
校准工作结束后，对使用频繁的酸度计一般在48小时内仪器不需再次定标。如遇到下列情况之一，酸度计则需要重新标定：
⑴溶液温度与定标温度有较大的差异时.
⑵电极在空气中暴露过久，如半小时以上时.
⑶定位或斜率调节器被误动；
⑷测量过酸（pH＜2）或过碱（pH＞12）的溶液后；
⑸换过电极后；
⑹当所测溶液的pH值不在两点定标时所选溶液的中间，且距7pH又较远时。

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虚拟仪器概念

       虚拟仪器( VI - Virtual Instrumentation )是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。

   LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench实验室虚拟仪器工程平台）是NI公司的图形化、交互式的编程设计环境,为虚拟仪器提供了实现途径。本文首先在设计虚拟示波器的基础上，熟悉Labview编程原理。然后结合固体电介质的体电阻和表面电阻测量实验编制了一套实验室虚拟仪器系统。该虚拟仪器包括前面板和框图程序两个部分，前面板是跟用户进行信息交换界面，框图程序相当于传统仪器的内部结构，它对用户来说是透明的。前面板又可以分为两个部分：控制部分和显示部分。前面板编制完成后，在框图程序中将数据发生模块、处理模块、数据显示模块按照仪器的内部结构连接起来。最后将网络协议TCP/IP添加到数据发生模块中，这一仪器就可以通过网络进行数据采集，完成实验。

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提问有奖--Agilent电路设计中可预测和不可预测问题的调试技术

Agilent电路设计中可预测和不可预测问题的调试技术--在线研讨会精彩回放

在嵌入式系统设计中，经常会出现一些可预测和不可预测的问题或者低概率事件信号。

快速有效地发现这些问题需要不同的技术。收看并向专家提出精彩问题的观众，更有机会獲得Sony PSP游戏机

我要提问！>>>>

在线研讨会介绍
研讨会主题：电路设计中可预测和不可预测问题的调试技术
举行公司：安捷伦科技公司
研讨会简介：在嵌入式系统设计中，经常会出现一些可预测和不可预测的问题或者低概率事件信号。您是否需要使用示波器在长时间范围内捕获并记录模拟、数字信号及串行总线（I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, RS-232/UART），然后对這些信号进行回放、解码，并作深入分析? 您是否需要实时监测CAN/FlexRay, RS232/UART串行总线的错误? 您是否想知道您的示波器捕获不可预测信号的概率？在本次研讨会中，我们的专家将基于安捷伦InfiniiVision 7000系列示波器，并结合实际的案例来回答这些问题，案例包括雷达、人造卫星、高能物理、Error Logging、混合信号除错、封包式总线错误检测等的应用。
点此进行在线调查

奖品设置
凡在2008年8月15日前收看安捷伦科技在线研讨会并向专家提出精彩问题的观众:
1）提问最精彩者将获得由安捷伦科技公司提供的Sony PSP游戏机一部。
2）当中20名幸运观众将有机会获得由安捷伦科技公司赠送的100元当当网上购物券以示感谢!
中奖名单将于9月初在本网站公布

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基于单片机的万年历程序

;真正的万年历: 84 bytes 的 51 ASM

;==SUB_WNL=== 万年历 ==* Deng Miao *  2004-06-01 ***** GuangZhou ******
          SJ    DATA   30H ; 世纪  BCD  00 TO 99   
          NH    DATA   31H ; 年号  BCD  00 TO 99    0000 TO 9999 年
          YF    DATA   32H ; 月份  BCD  01 TO 12

   org 000h
     MOV SP, #40H
     MOV SJ, #21H ;2004-05
     MOV NH, #01H
     MOV YF, #4H   
     ACALL SUB_WNL
     SJMP $   

;===============SUB_WNL===================
     ; 入口：
        ;  SJ    DATA   30H ; 世纪  BCD  00 TO 99   
        ;  NH    DATA   31H ; 年号  BCD  00 TO 99    0000 TO 9999 年
        ;  YF    DATA   32H ; 月份  BCD  01 TO 12
     ; 出口
        ; ACC   --  本月天数 BCD 28 to 31
        ; B     --  本月1日的星期数 1 to 6 == 星期1 to 星期6
        ;                                0 -- 星期日
     ; 使用:  ACC, B, R5, R6 
     ; STACK:  3 bytes (不包括调用）
      ORG 50H


SUB_WNL:
      PUSH PSW
      MOV A, SJ 
      ACALL BCD2BIN_MOD4      
      ; x 400年: (大周期) 
      ;       =146097天 = 7 * 20871 + 0 天
      ; x 100年: 
      ; 000年 = 7 * 0     + 0 + 1 - 1       1  =  0 * 2 + 1 ****
      ; 100年 = 7 * 5217  + 7 + 1 - 2       2  =  1 * 2 
      ; 200年 = 7 * 10435 + 7 + 1 - 4       4  =  2 * 2  
      ; 300年 = 7 * 15653 + 7 + 1 - 6       6  =  3 * 2 
      ;                                 {1,2,4,6}              
      MOV A, R6  ; A=R6= SJ_BIN MOD 4
      RLC A   ; A=A*2+C       A =       {1,2,4,6}           ****
      XRL A, #10000111B ;     A = 87H - A  ; 边界调整
      MOV R5, A         ;     A =   {86H, 85H, 83H, 81H} ; R5: 星期  
      MOV A, NH  
      JZ  WNL_1
        ACALL BCD2BIN_MOD4
        XCH A, R5     
        SUBB A, R5 ; 0 年 ;  0  =   0 +   0 + 1 + (-1) ***
        MOV R5, A

WNL_1:
      MOV A, YF
      ADD A, #(WNL_TAB-$-4)
      MOVC A, @A+PC
      MOV R6, A
       
      SWAP A
      ACALL WNL_F0; 大年对>=3月调整准备
      ADDC A, R5  ; 月调整
      MOV B, #7
      DIV AB      ; B = A MOD 7

      MOV A, R6
      ACALL WNL_F0; 大年调整准备
      ADDC A, #28
      POP PSW
      RET

WNL_TAB:
      DB 3*2 + 5 * 32+0 ;1     BIT 0   :  "2月" 标志
      DB 0*2+1+1 * 32+0 ;2 **  BIT 1..2: 月大小
      DB 3*2 + 1 * 32+16 ;3              00：28 天  
      DB 2*2 + 4 * 32+16 ;4              01：---- 
      DB 3*2 + 6 * 32+16 ;5              10: 30 天 
      DB 2*2 + 2 * 32+16 ;6              11: 31 天
      DB 3*2 + 4 * 32+16 ;7    BIT 3: 0 ----- 
      DB 3*2 + 7 * 32+16 ;8    BIT 4:  0: 1/2月                
      DB 2*2 + 3 * 32+16 ;9            1: >=3月 
WNL_F0:        ; 6 BYTES ; 大年调整准备
        RRC A            ;0AH 
        ANL A, #07H      ;0BH
                         ;0CH 
        ANL C, F0        ;0DH
                         ;0EH
        RET              ;0FH
      DB 3*2 + 5 * 32+16 ;10H  BIT 5..7:  星期调整数          
      DB 2*2 + 1 * 32+16 ;11H            0：---         
      DB 3*2 + 3 * 32+16 ;12H          1-7: 调整数 

BCD2BIN_MOD4:
     ; 功能：A. 1 BYTES BCD TO BIN
          ;  B. MOD 4
          ;  C. MUL 2 
     ; 入口：
        ;  A  :  SJ OR NH   
        ;  F0 :  大世纪
     ; 出口
        ; ACC   --  (BIN(A) \ 4) * 2 - (BIN(A) MOD 4) - F0
        ; R6    --  BIN(A) MOD 4
        ;  C    --  IIF( (BIN(A) MOD 4)=0, 1, 0 )
     ; 使用:  ACC, B, R6, PSW 
     ; STACK:  0 bytes (不包括调用)

      MOV R6, A        ;   BCD ==> BIN 
      ANL A, #0F0H     ; 16X+Y ==> 10X+Y 
      SWAP A
      MOV B, #(256-6)  ; (256-6)*X + (16X+Y)  
      MUL AB           ;
      ADD A, R6        ; = 256X + (10X+Y) 
      
      MOV R6, A        ; MOD4   
      ANL A, #3
      XCH A, R6       ; R6 = BIN MOD 4   = {0,1,2,3}
                 ; X 4年：3 * 365 + 366 = 7*209 + (-2) **
      XRL A, R6              ; A = (BIN \ 4)
      RR A                   ; A = (BIN \4 ) *      2  **
      MOV C, F0   ; 大世纪调整
      SUBB A, R6 
      ;X 1 年:                          
           ;0 年  0  =   0 +             0 + 1 + (-1) *** 
           ;1 年 366 = 7*52 +            1 + 1
           ;2 年 366 + 365 = 7*104 +     2 + 1
           ;3 年 366 + 365 + 365 = 7*156+3 + 1
           ;                         {-1,1,2,3} 
      CJNE R6, #1, $ + 3 ; C = IIF(R6>=1, 0, 1)
      MOV F0, C          ; C=1 为大年/大世纪  
      RET 
       ;----------------------------- 
   END ;======== END OF FILE

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系统分类: 单片机   |    用户分类: 无分类    |    来源: 原创

PIC单片机软件异步串行口实现技巧

在用单片机开发各种嵌入式应用系统时,异步串行通信是经常要用到的一种通信模式,很多应用中还要求实现多路异步串行通信。大家平时熟悉的各种厂家的单片机,绝大部分片上只提供一个硬件UART模块,利用它可以方便实现一路串行通讯。PIC系列单片机也不例外,在其丰富的产品家族成员中,除高端系列（PIC17/18）一些型号片上带有两路硬件UART模块外,其它大部分型号片上只有一路UART,一些低端廉价的PIC单片机甚至还不带硬件UART。为了提高系统的性能价格比,就要求设计工程师用软件增加实现一路或多路异步串行通信。很多工程师对用软件实现的UART在可靠性和效率方面持怀疑态度,其实关键问题是看软件采用何种方式来实现可靠的UART功能。

　　在讨论具体实现方式前,我们先来简单回顾一下异步串行通信的格式定义。发送一个完整的字节信息,必须有“起始位”、“若干数据位”、“奇偶校验位”和“停止位”;必须定义每位信息的时间宽度——每秒发送的信息位个数,即为“波特率”。单片机系统中常用的波特率从300～19 200 b/s。当波特率为1200b/s时,每个信息位的时间宽度为 1/1200≈833μs;无数据通信时,数据线空闲状态应该是高电平,“起始位”为低电平,数据位低位先发且后跟奇偶校验位（若有）,“停止位”为高电平,如图1所示。

图1

　　按图1最基本的异步串行通信时序,软件实现UART在不同架构的单片机上有多种方法。其中数据接收是关键,因异步通信没有可参照的时钟信号,发送方随时都可能发送数据,任何时刻串行数据到来时,系统都应该及时准确地接收。比较而言,本机发送串行数据相对容易,只要对发送出去的电平做持续时间的定时即可。按不同的接收技巧并针对PIC单片机的特点,这里介绍两种常用且十分可靠的方法。

1  三倍速采样法

　　三倍速采样法顾名思义就是以三倍于波特率的频率对接收引脚Rx进行采样,保证检测到“起始位”,又可以调整采样的时间间隔;将有效数据位的采样点控制在码元的中间1/3处,最大限度地减少误码,提高接收的准确性。我们把图1的起始位和部分数据位放大,如图2所示,把每个信息位分成三等份,每等份的时间宽度设为ts,以方便分析。

图2

　　以三倍频对信息位进行采样时,每个信息位都将可能被采样到三次。当处于空闲状态并检测起始位时,最早检测到起始位低电平的时刻必将落在S0阴影区,虽然每次具体的采样点会在此S0阴影区随机变化。检测到起始位低电平后,间隔4×ts时间,正好是第一位数据位的中间1/3处（图2中Ds阴影区）。此后的数据位、校验位和停止位的采样间隔都是3×ts,所有采样点均落在码元的中间1/3处,采样数据最可靠。

　　PIC单片机采用此法实现软件UART时,硬件上只要任意定义两个I/O引脚,分别初始化成输入（串行数据接收）和输出（串行数据发送）即可;软件上只要实现定时采样,定时时间间隔在中档以上有中断机制的单片机上可以用不同的定时器（TMR0、TMR1、TMR2等）通过定时中断实现,在低档无中断的PIC单片机上可以控制每次主循环所耗的时间来实现。对于1200 b/s波特率,码元宽度为833μs,采样时间间隔即为278μs。整个串行接收或发送是一个过程控制问题,用状态机方式实现最为高效简易。图3给出了串行接收的参考状态机转移过程。

图3

　　本刊网络补充版（www.dpj.com.cn）中,介绍了简单的C语言参考源程序。此段程序实现1200b/s全双工串行通信,1位起始位,8位数据位,无校验位,1位停止位,没有帧错误等判别。编译环境为HITECH-PICC编译器V8.00PL4或更高版。

　　在网络补充版的程序中,关键部分是TMR0的中断服务。TMR0每隔278μs左右中断一次,TMR0的中断响应即为软件UART接收和发送全双工通信过程的实现。通过Hitech-PICC高效的代码编译后,约有150条单字指令代码,整个中断服务平均用约35个指令周期,即实现一路软件UART在4 MHz工作频率下占用MCU约12％的运行带宽。理论上,只要保证MCU留有足够的运行带宽给其它任务,在此中断服务程序内把接收和发送的代码再复制一份或多份（数据结构独立）,即可实现多路软件UART。当然,如果每路的波特率不同,采样频率必须是最高波特率的三倍。不同波特率的采样点间隔独立调整。

　　此法最大的好处是软硬件配置极其灵活：接收发送的引脚可以任意定义;采样定时可以用不同的定时器实现;利用同一个定时采样可以方便地实现多路软件UART等。缺点是：不管有无数据通信,始终占用MCU运行带宽;串行通信的波特率不能太高,4 MHz工作的PIC单片机一般能实现2400bps的全双工通信。当然,可以通过提高MCU的振荡频率来实现高波特率通信,当PIC单片机工作在20 MHz时,实现9600b/s绰绰有余。

2  起始位中断捕捉、定时采样法

　　实现此法的硬件条件是PIC单片机有外部脉冲下降沿中断触发功能,在中档以上PIC单片机中有RB0/INT外部中断脚,CCP1/CCP2脉冲沿捕捉脚,PORTB的第4/5/6/7电平变化中断脚等都可以满足。另外需配备一个定时器,以定时中断方式对接收码元正确采样,或发送串行数据流。其关键的异步接收工作原理简介如图4所示。

图4

　　设串行数据位宽度为td。起始位到来时刻（图4 A点）的下降沿触发一个中断并立即响应该中断。在此中断服务中立即关闭本中断使能位（后续的数据流变化无需触发中断）,开启定时器,使其在 1.5td后产生定时中断,用于采样第一个数据位（确保S0采样点落在数据位的中心位置处）;在处理下降沿中断服务的最后,再检测接收端是否还是0电平,以区分窄脉冲干扰。在S0点采样到第一个数据位后的所有采样间隔都是1td,直到收到停止位后,关闭定时器中断,重新开放下降沿捕捉中断,准备接收下一个字节。

　　异步数据接收和发送的状态机控制流程,除了起始位判断和定时时间参数设置与前述方式不同外,其它几乎一样,此处不再重复。

　　此法的好处是可以实现较高的通信波特率。对于通信不是很频繁的系统,此软件UART几乎不耗MCU运行带宽,9600b/s接收或发送在4 MHz运行的PIC单片机上即可轻松实现;另外,由于下降沿中断可以唤醒处于睡眠的单片机,故极易实现通信唤醒的功能。缺点是不能全双工通信（除非另外单独用一个定时器实现发送定时）,异步接收的引脚必须有下降沿触发中断的能力。

　　上面介绍的两种方法在实际产品设计中都得到了很好的验证,最典型的是红外线自动抄表系统。该系统要求收发均为38 kHz红外调制,串行数据1 200bps半双工通讯。用软件实现此UART,并充分利用PIC单片机CCP模块的脉宽调制PWM输出38 kHz载波时,在单片机外除了一个一体化红外接收头和一个红外发射二极管,无需其它任何外围器件,即可完成所有设计要求,最大程度地减化了硬件设计,降低了成本,提高了系统的可靠性和性能价格比。

　　以上的侧重点是基本原理的介绍,希望对大家有所帮助。在接收数据的可靠性处理方面没有太多涉及。有兴趣者可以在采样时刻到来时对数据做多次采样,以消除干扰误码;或有其它处理技巧,欢迎和笔者作进一步交流。

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