一种新型耳鸣检测治疗仪的研制

智能仪与传感器 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, � � 2670 � � 计算机测量与控制 � 第 18卷 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, 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, 根据治疗标准要求, 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。 � � 2674 � � 计算机测量与控制 � 第 18卷 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。 参考文献: [ 1] 任红星. 基于M SP430下 A5191HRT 和 AD421的 HART 协议的 设计 [ J] . 科技创新导报, 2009 ( 16) : 26�27. 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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。 参考文献: [ 1] 黄治物,常 � 伟,陈桂芳. 耳鸣掩蔽疗法[ J ] . 听力学及言语疾病杂 志, 2004, ( 6) : 376�377. 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