智能仪表与传感器 计算机测量与控制. 2010. 18( 11) �Computer Measurement & Control � �� 2669 �
收稿日期: 2010�03�15; � 修回日期: 2010�04�23。
作者简介:支剑锋( 1969�) , 男,陕西蓝田人,副教授, 硕士研究
生,主要从事工程图学及计算机应用技术方向的研究。
文章编号: 1671�4598( 2010) 11�2669�02 � � � � � � 中图分类号: T N915 文献标识码: A
一种新型耳鸣
治疗仪的研制
支剑锋, 曹 � 静
(西安科技大学 计算机科学与技术学院, 陕西 西安 � 710054)
摘要: 介绍了一种新型耳鸣治疗仪的工作原理及其软硬件设计; 该仪器采用虚拟仪器编程语言 ( LabWindow s / CVI) 编写人机交互
界面; 硬件电路采用嵌入式 C8051F330单片机作为主控芯片, 使用 DDS技术产生输出频率在 31~ 12000Hz 的范围内能达到 1Hz 的精度
和 1%的波形失真度的周期波形; 采用 SD卡存储治疗用的多种模拟声音; 掩蔽声强级采用多级电阻衰减器网络, 由单片机自动切换实现
声强级输出在- 10~ 120dB的范围内达到 0� 5dB的精度; 系统实现了数字化输出治疗耳鸣的多种掩蔽声, 具有较强的实用性和良好的
可操作性。
关键词: 频率; 声强级; DDS
Research of a New Tinnitus Instrument with Detection and Treatment
Zhi Jianfeng, Cao Jing
( Institute of Computer Science and Techno log y, X i�an Univer sity of Science and T echnolog y, x i! an � 710054, China)
Abstract: T he w ork and design of hardw are and sof tw are of new type inst rum ent for curin g t innitus is int roduced. T he detector u ses vir�
tual inst rum ent programmin g lan guage ( LabWind ow s/ CVI) to w rite the in terface of human- machine; T he system�s hardware devices, u sing
C8051F330 microcont roller as the master ch ip. T he DDS techn olog is used to pr odu ce periodic w aves, it improves w ave w hich mak e th e dis�
t ort ion is w ithin 1% , t imbre and precision w hich is conf ined in 1H z range of 30Hz- 12000H z. It use one SD ch ip to pu tout m any natural
sounds. T he mult i- level at tenu at ion resis tor netw ork is u sed to cont rol intensity, it confin es precision in 0. 5dB range of - 10dB -
120dB. computer automat ic cont rol t innitu s devices , It can of fer many shelter sounds, regulate f requency and volume by digital. T he system
has st r ong pract ical and good operabilit y.
Key words: f requ ency; s ou nd intensity level; DDS
0 � 引言
目前, 在医院检测和治疗耳鸣领域, 掩蔽疗法[1]已成为主
流。笔者融合单片机技术, 虚拟仪器技术以及计算机通信技
术, 设计了一套专用的检测治疗设备。该设备是在传统的耳鸣
检测和治疗手段的基础上, 数字化控制输出治疗耳鸣的多种掩
蔽声; 该系统采用 ∀ 一机多控# , 多机通信的组网模式, 实现
了一名医生对多名患者同时治疗的智能化管理。
1 � 耳鸣检测治疗仪的工作原理
该仪器是在耳鸣后效抑制实验和耳鸣掩蔽疗法的医学理论
基础上设计的集耳鸣检测与治疗为一体的设备。在设备硬件中
采用嵌入式单片机技术[ 2] 和存储 SD 卡技术, 利用 DDS [ 3]
( Direct Dig ital Fr equency Synthesis, 直接频率数字合成器) 造
图 2 � 耳鸣治疗仪系统结构图
波原理构造出与耳鸣相似的周期波形信号; 使用大容量的数据
存储器存储上百种的非周期信号作为掩蔽声供检测和治疗选用;
硬件利用多级可调分贝衰减器对声音的强度进行调节控制, 通
过功率放大器对声音进行放大, 最后输出给负载耳机, 掩蔽声
通过耳机直接作用于患者的耳部, 刺激相关的耳神经, 有效地
促进血液循环, 渗透病灶, 促进听觉毛细胞及神经末梢功能
恢复, 使耳鸣症状逐渐减轻, 最终使耳鸣声消失, 实现耳鸣
的绿色治疗。耳鸣检测治疗仪系统工作原理如图 1 所示, 耳
鸣治疗仪系统结构如图 2 所示。
图 1 � 系统工作原理图
2 � 耳鸣治疗仪的硬件设计
本系统的硬件设备, 采用 C8051F330 单片机作为主控芯
片。耳鸣检测仪包括声音信号产生模块、声强级控制模块、数
据传输模块、电源模块。各种检测结果通过串口通信送到控制
终端, 控制终端采用 LabWindow s/ CV I 编写人机交互界面,
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完成患者耳鸣数据处理及患者信息管理。
2� 1 � 声音信号产生模块设计
声音信号产生模块是整个音频数字信号源的核心, 它直接
决定着整个系统的性能。该模块包括周期波形声音产生模块和
非周期语音产生模块, 主要提供治疗耳鸣的基本处方信号。根
据处方要求, 按照数字化处理方法的不同, 系统产生的声音信
号分为 3 类, 分别为纯音、窄带噪声和啭音、模拟风声雨声等
其它信号。声音的分类不同, 进行数字化处理的方法不同。纯
音信号是由单片机利用 DDS 技术计算得出; 窄带噪声和啭音
是由 LabWindows/ CV I程序含有的函数计算得出; 模拟风声
雨声等其它的声音信号是将其对应的� WAV 文件存储在单片
机的外存储器中, 使用时直接调用。
( 1) 周期波形声音产生模块: 根据系统设计要求, 利用
DDS 技术, 构造纯音。纯音的输出频率范围为 31~ 8000Hz。在
本设计中, 晶振频率为 11� 0592MHz, DDS 造波程序一个循环
需 46个时钟周期, 故 DDS 参考周期为 46/ 11059200s, 为保证
输出信号波形的准确性, 每周期 DA 的采样点数应不少于 2 个,
所以系统较为准确输出的最大频率为 12020H z, 满足系统要求。
根据 �f = f s / 2n 及对信号频率分辨率的要求有: �f =
f S / 2
n < 0. 01 得到 n> 24。故取相位累加器字长为 32 位。由公
式 f o = f s � k / 2n 可知: k = f o � 2n / f s 频率范围内任一频率的
纯音信号只需根据公式 f o = f s � k/ 2n 计算出相应的步长 k 即
可。将本系统中的数据带入可得步长的计算公式为: k= f o �
388� 361 � 47
由于波形数据数量为 256= 28 , 故相位累加器的高 8 位作
为查表偏移量实现幅值转换, 然后将幅值数据写入 DAC, 完
成一个 DDS 时钟周期。
( 2) 非周期语音产生模块: 该模块输出与上位机选择一致
的多种非周期声音处方, 多频率的窄带噪声、啭音、多种自然
声, 在该系统中通过一块 SD存储卡来提供这些声音。外存储
器选择 AT45DBl61, 共 2MB 存储空间。自然声音采用� w av
声音 素材。� w av 文 件由 PC 机中 通过 单片 机下 载到
AT 45DBl61 外存储器卡中, 使用时由单片机从存储器卡调出。
其原理如图 3 所示。
图 3� 外存储器调用文件原理
图 4 � 衰减器网络电路 (下转第 2674 页)
2� 2 � 声强级控制模块设计
声强级是本系统中一个很重要的参数, 它的精度直接决定
着该耳鸣康复仪的性能。声强级是按对数关系变化的物理量,
根据治疗
要求, 信号能达到- 10dB 至 120dB 的强度改变。
模拟信号经过由模拟开关 CD4053 控制的一系列衰减器实现强
度改变, 最后经模拟放大电路输出驱动耳机。
2� 2� 1 � 衰减器设计
本系统利用多级可调衰减网络对声音强度来进行控制。
根据医学检测的要求, 系统发出声音强度的范围为- 10~
120dB, 采取的
首先经过中国计量科学研究院的测试仪器
进行校准, 使该系统发出声音的最大响度达到国标要求的
120dB, 然后利用多级可调衰减器对该强度的声音通过单片机
控制来达到应用的要求。
衰减器采用纯电阻结构的 T 型衰减器多级串联, 每一级
有不同的衰减值, 由三组二路模拟开关 CD4053 控制其是否接
入。为了节约单片机的 IO口, CD4053 的控制信号经由 8 位串
入并出移位寄存器 74LS164 到达。其结构如图 4 所示。
将 7级 T 形电阻衰减器串联, 组成基本音频衰减器通路,
采用一组数控开关切换若干组基本单元接入音频通路或被短路
接出, 改变控制量。选用三组二路模拟开关 CD4053 作为数控
开关切换各级衰减器接入音频通路或被短路接出, 改变控制
量。可将 0~ 130 dB 范围内每 1 dB 值对应控制信号编写为数
组, 预先存入 C8051F330, 使用时查表读出。
2� 2� 2 � 功率放大器
单片机发出的声音信号经过衰减网络, 电流和电压值都变
得很小了, 已经没有再驱动负载的能力, 所以要接入功率放大
电路来进行电压和电流的方法来提高驱动能力。功率放大电路
如图 5 所示。
图 5 � 功率放大电路图
系统采用具有低电压漂移、高转换率的运算放大器来进行
电压的放大, 放大倍数为 R90/ R12, 在该电路图中, 电压的
放大倍数为 2倍, 可以根据系统要求输出的电压改变放大倍数
来满足要求。T IP122 和 T IP127 分别为 PNP 和 NPN 型功率放
大器, 两者配合输出对信号进行电流的放大来驱动耳机, 产生
人耳能识别的声音信号。
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图 5 � 仪表主程序流程图
从测试结果可见, 测量氧含量精度高。
HART
的通信过程首先由上位机发送命令帧发起,
本仪表作为从设备通过对 A5191H RT 的 OCD 进行载波监听,
使用串口中断完成接收和应答, 实现远程参数设置、测量数据
传输等功能。
� � 本仪表在温控房和发电厂现场使用, 温度均控制 750 ∃
1 ∃ , 用标气测试, 所得结果如表 2 所示。
5 � 结束语
文中所设计的氧量分析仪完全达到了 HART 协议技术规
范要求, 而且采用模糊 PID 控制温度具有精度高、稳定性好
等特点, 从而提高了氧量检测精度。经过现场使用证明, 该仪
表与传统的模拟仪表有着很好的兼容性, 并适应现代数字化仪
表的要求, 在仪表领域有着广泛的应用空间。
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(上接第 2670页)
表 1 � 测试数据
频率( Hz ) 气导纯音测试( dB) 气导窄带噪声测试( dB)
125 132 126
250 131. 5 127. 5
500 132. 8 124. 5
750 127. 5 125. 5
1000 125. 2 124
1500 125 120. 5
2000 123 120
3000 122. 5 121
4000 124. 5 116. 5
6000 121. 5 108
8000 111 100
3 � 耳鸣治疗仪软件设计
本系统软件主要由单片机下位机程序和上位机检测软
件两部分组成。上、下位机通信采用串行通信 RS232 电平
协议。
上位机的人机交互界面选用 NI公司的 LabWindows/ CV I
虚拟软件开发平台,该软件有丰富的数字信号处理库函数,界面
设计方便灵活,满足了检测系统软件的开发与研制。本系统可
对患者全程的就诊过程进行保存,对患者各种检测数据、诊断结
果、治疗方案和康复评估等结果显示、相互比较, 有利于大型医
疗卫生机构的使用和管理。为了便于代码复用, 虚拟仪器软件
开发采取模块化设计和双线程技术。在主线程中, 主要是各个
参数之间相互关系和发送控制命令字来控制下位机发声, 次线
程主要是实时接收下位机发送的回传信号。利用全局变量来协
调主线程和次线程之间的关系, 进而方便地实现了数据的实时
采集和显示, 同时不影响人机交互界面的操作。
4 � 结论
以气导纯音和窄带噪声为例,在中国计量科学院的测量数
据如表 1所示, 各种类型声音的最大值均能达到国标要求。
耳鸣治疗仪在医疗仪器上属于听力计类型的医疗器械, 实
践证明有以下优点:
( 1)采用单片机控制, 简化了检测仪的结构, 提高了工作效
率和自动化程度;
( 2)采用电阻衰减器网络实现声音信号衰减, 大大提高了声
强级动态调节的范围和精度, 达到了 120db 范围内 0� 5dB 的
精度, 电路设计具有极大的灵活性, 提高了系统的稳定性和安
全性;
( 3)采用虚拟仪器制作人机交互界面, 融传统的检测手段和
现代的计算机技术于一体,提高了检测系统的可操作性。
目前, 本检测系统已经在某耳鸣耳聋康复医院中实际应用,
研制的系统通过了相关计量部门的检验,各种主要技术性能参
数达到了用户的要求 ,整个系统运行正常。
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