為了研究人在高空環(huán)境中的生活與使用藥物的影響，常常需要對(duì)與人生活密切相關(guān)的溫度、氣壓及人的活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常需要模擬這些溫度、氣壓等環(huán)境條件，用與人體生理特征相似的動(dòng)物作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)一組動(dòng)物在不同溫度、氣壓和藥劑量的情況下的動(dòng)物活動(dòng)狀況的監(jiān)測(cè)，來(lái)分析各種因素之間的聯(lián)系，從而指導(dǎo)人們的用藥。目前，在常見(jiàn)的動(dòng)物藥理實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)中，對(duì)動(dòng)物環(huán)境的溫度和氣壓多采用傳統(tǒng)的模擬或數(shù)字儀器測(cè)量方法，而對(duì)動(dòng)物的活動(dòng)狀態(tài)則使用人工監(jiān)測(cè)或攝像等方法。這種傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法因其精度低、記錄數(shù)據(jù)可靠性差、數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)功能不強(qiáng)等原因，越來(lái)越不能滿足實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的需要^[1]。這里，針對(duì)醫(yī)院動(dòng)物藥理實(shí)驗(yàn)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的需要，開(kāi)發(fā)了一套動(dòng)物藥理實(shí)驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)動(dòng)物環(huán)境的溫度、大氣壓力和荷重，并可根據(jù)控制需要調(diào)節(jié)動(dòng)物所處高壓倉(cāng)的溫度和氣壓。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　該系統(tǒng)由一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)(PC機(jī))和多臺(tái)(最多32臺(tái))智能數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集儀(前端單片機(jī))組成。智能數(shù)據(jù)采集儀能自動(dòng)采集、顯示和存儲(chǔ)一段時(shí)間內(nèi)的多路溫度、壓力、荷重等數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理，而且還能控制高壓倉(cāng)的加熱設(shè)備和空氣壓縮機(jī)。監(jiān)控主機(jī)具有友好的人機(jī)界面，通過(guò)串口與前端單片機(jī)通信，對(duì)前端單片機(jī)進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)采集，并能把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、圖表顯示和打印輸出，而且還能按照用戶(hù)的具體要求做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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2 智能數(shù)據(jù)采集儀
　　智能數(shù)據(jù)采集儀由單片機(jī)、傳感與檢測(cè)模塊、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、硬件時(shí)鐘模塊、人機(jī)界面模塊和通信模塊等部分組成。智能數(shù)據(jù)采集儀如圖2所示。單片機(jī)作為應(yīng)用系統(tǒng)的控制中心，完成多路信息(溫度、壓力、荷重等)的實(shí)時(shí)采集，以及對(duì)定時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、求平均值、分時(shí)存儲(chǔ)等，并根據(jù)主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制參數(shù)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。
2.1傳感與檢測(cè)模塊
　　因?yàn)樾枰獧z測(cè)動(dòng)物籠中的溫度、空氣壓力和動(dòng)物的活動(dòng)能量，因此設(shè)計(jì)了測(cè)溫、測(cè)氣壓和測(cè)動(dòng)物活動(dòng)能量三個(gè)模塊，各模塊分別采用溫度、荷重、氣壓傳感器進(jìn)行采集。
2.1.1 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)
　　把溫度傳感器LM335作為一個(gè)兩端器件與一個(gè)電阻串聯(lián)，再加上適當(dāng)?shù)碾妷海涂梢缘玫届`敏度為10mV/K、直接正比于絕對(duì)溫度的測(cè)溫電路模塊。
2.1.2 測(cè)壓模塊的設(shè)計(jì)
　　測(cè)量動(dòng)物所處的動(dòng)物籠內(nèi)的空氣壓力(高壓密封倉(cāng)內(nèi)的空氣壓力)以及籠外的空氣壓力，采用Motorola公司生產(chǎn)的MPX100集成應(yīng)變式壓力傳感器模塊來(lái)完成。這個(gè)模塊采用X形壓敏電阻，實(shí)現(xiàn)了0℃～85℃范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償^[2]。
2.1.3 動(dòng)物活動(dòng)能量測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)
　　動(dòng)物活動(dòng)的能量與動(dòng)物活動(dòng)的劇烈程度有直接的關(guān)系，動(dòng)物活動(dòng)的劇烈程度可以通過(guò)荷重傳感器的變化程度反映出來(lái)，因此可以用荷重傳感器的變化量來(lái)近似表示動(dòng)物的活動(dòng)能量。選擇OP-07運(yùn)算放大器作為荷重放大電路，放大倍數(shù)為300，以保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
　　系統(tǒng)需要檢測(cè)的信號(hào)量共有八路(兩路溫度、兩路氣壓與四路荷重)。微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543之間的數(shù)據(jù)傳送采用軟件合成SPI操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。二者之間的接口電路" title="接口電路">接口電路如圖3中左半部分所示。TLC2543的I/O CLOCK、DATA INPUT和CS由單片機(jī)的雙向I/O口的P11、P12和P10提供。TLC2543轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出數(shù)據(jù)由P13接收。為了檢驗(yàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的正確性，另外選擇了通道AIN9連接參考電壓V_ref、通道AIN8連接GND作為檢測(cè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果正確與否的檢測(cè)通道，使系統(tǒng)具有A/D轉(zhuǎn)換器件的自檢功能，以保證系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換的可靠性。
2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊
　　硬件時(shí)鐘較軟件合成的時(shí)鐘準(zhǔn)確性高。硬件時(shí)鐘采用DS12887來(lái)提供。DS12887片內(nèi)共有128個(gè)字節(jié)的帶有掉電保護(hù)功能的RAM^[3]。另外，DS12887具有頻率可調(diào)的方波輸出能力，可以利用該特性來(lái)定時(shí)采集A/D數(shù)據(jù)，連接DS12887的SQW管腳與89C51的端，由DS12887的方波觸發(fā)89C51的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷0，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)精確的定時(shí)采集，從而便于進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。接口電路如圖3中右半部分所示。
2.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
　　鍵盤(pán)采用4×4距陣鍵盤(pán)，鍵的功能定義分為數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵為0～9，系統(tǒng)的功能鍵主要有CLR(清除鍵)、OK(確認(rèn)鍵)、MENU(主菜單鍵)、上翻鍵、下翻鍵。液晶顯示器選用信利公司的產(chǎn)品，其分辨率為128×32點(diǎn)陣。人機(jī)界面接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

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2.5 功率接口與看門(mén)狗模塊
　　為了對(duì)被測(cè)對(duì)象所在環(huán)境的溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，系統(tǒng)必須與大功率的外部設(shè)備如壓縮機(jī)、空調(diào)等接口。同時(shí)為防止干擾造成程序跑飛而破壞RAM存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，采用X25045可編程看門(mén)狗監(jiān)控芯片來(lái)設(shè)計(jì)看門(mén)狗監(jiān)控電路。
2.6通信模塊
　　監(jiān)控主機(jī)和多臺(tái)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀之間采用串行總線型主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的半雙工通信。通信模塊由單片機(jī)、RS485通信接口電路和RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換電路組成。
　　采用MAX485實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與RS-485通信協(xié)議的接口電路。由于串行總線在任一時(shí)刻只允許一對(duì)接口進(jìn)行通信，每臺(tái)智能數(shù)據(jù)采集儀都有自己唯一的通訊地址碼，因此只有當(dāng)監(jiān)控主機(jī)選中相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀時(shí)，才能對(duì)其動(dòng)物籠內(nèi)的動(dòng)物活動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或?qū)v史記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
　　由于PC機(jī)是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行口，為了使PC機(jī)數(shù)據(jù)能夠通過(guò)RS-485串行數(shù)據(jù)總線傳輸，需要設(shè)計(jì)RS-232串行電平轉(zhuǎn)換成RS-485協(xié)議電平的接口電路。通信電路如圖5所示。
3 系統(tǒng)軟件
　　系統(tǒng)軟件包括PC機(jī)應(yīng)用軟件和單片機(jī)應(yīng)用軟件。單片機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、存儲(chǔ)、顯示、通信處理等功能； PC機(jī)軟件主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、曲線繪制、報(bào)表顯示以及打印輸出等功能。
3.1 PC機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
　　PC機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是完成對(duì)前端數(shù)據(jù)分站的數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬、曲線及報(bào)表繪制、打印輸出等。程序采用VB6.0編程語(yǔ)言編寫(xiě)。VB6.0建立在多任務(wù)方式的基礎(chǔ)上，具有編程簡(jiǎn)單、圖形功能豐富等優(yōu)點(diǎn)^[4]。軟件采用按鈕式界面，用戶(hù)可以象操作按鈕式儀器一樣使用它。其軟件分層圖如圖6 所示。

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3.2單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)軟件由主程序、外部中斷程序、串行口中斷程序三個(gè)模塊組成。主程序主要由中斷方式、串行口方式、定時(shí)器方式初始化，RAM、ROM、CPU運(yùn)算，I/O檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)判斷，液晶顯示等程序模塊組成；外部中斷程序是利用硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS12887定時(shí)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)A/D的采集頻率；串行口中斷程序?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)與主機(jī)交換信息和數(shù)據(jù)。
　　動(dòng)物藥理實(shí)驗(yàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在空軍醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)得到實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用。經(jīng)過(guò)近一年來(lái)的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)可滿足某部隊(duì)醫(yī)院動(dòng)物藥理實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、動(dòng)物活動(dòng)能量時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)精度、穩(wěn)定性等的要求；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高；各采集區(qū)采用RS－485總線結(jié)構(gòu)，布線和維護(hù)簡(jiǎn)便，柔性和擴(kuò)展性強(qiáng)；系統(tǒng)應(yīng)用軟件界面友好、操作簡(jiǎn)便，能實(shí)時(shí)采集、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。因而，對(duì)需要大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集的場(chǎng)合非常實(shí)用，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。