數字化醫療儀器第一章數字化醫療儀器導論本章內容醫療儀器的分類與發展動態生物醫學測量的基礎知識數字化醫療儀器組成特點與設計方法1.1醫療儀器的分類與發展動態

1.1.1醫療器械的定義國際標準化組織ISO的定義

（1）為下列目的的用于人體的，不論是單獨使用還是組合使用的，包括使用所需軟件在內的任何儀器、設備、器具、材料、或者其他物品。

（2）其對于人體體表及體內的主要預防作用不是用藥理學、免疫學或代謝的手段獲得，但可能有這些手段參與并起一定輔助作用。疾病的診斷、預防、監護、治療或緩解；損傷或殘疾的診斷、監護、治療、緩解或者補償；解剖或生理學過程的研究替代或者調節；妊娠控制。我國醫療器械監管條例(2000)的定義單獨或者組合使用于人體的儀器、設備、器具、材料、或者其他物品，包括所需要的軟件，其用于人體體表及體內的作用不是用藥理學、免疫學或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用。其使用旨在達到下列預期目的：對疾病的預防診斷治療監護緩解；對損傷或者殘疾的診斷治療監護緩解補償；對解剖或者生理過程的研究替代調節；妊娠控制。醫療器械產品分類方法1、醫療器械分類規則指導下的醫療器械分類2、根據臨床應用范圍所做的分類3、根據產品價值等級所做的分類4、根據產地分為境內產品和境外產品等目前使用最為廣泛的是根據國家藥品監督管理局發布的醫療器械分類目錄

《醫療器械監督管理條例》分類管理第二類是指對其安全性有效性應當加以控制的醫療器械；第一類是指通過常規管理足以保證其安全性有效性的醫療器械；第三類是指植入人體用于支持維持生命，對人體具有潛在危險，對其安全性、有效性必須嚴格控制的醫療器械。醫療器械的產品分類及編碼－1我國醫療器械分類方法是分類規則指導下的目錄分類制。分類規則和分類目錄并存。用于指導醫療器械分類目錄的制定和確定新的產品注冊類別。2002年8月28日，國家藥品監督管理局組織制定了醫療器械分類目錄國藥監械[2002]302號，共有49個一級類別和大于263

個二級類別的產品種類。醫療器械的產品分類及編碼-36821醫用電子儀器設備206822醫用光學器具儀器及內窺鏡設備86823醫用超聲儀器及有關設備76824醫用激光儀器設備66825醫用高頻儀器設備56826物理治療及康復設備96827中醫儀器設備36828醫用磁共振設備16830醫用X射線設備46831醫用X射線附屬設備及部件76832醫用高能射線設備26833醫用核素設備46834醫用射線防護用品裝置26839醫用射線設備專用檢測儀器我國對醫療器械的分類按照我國現行規定，境內生產的醫療器械第一二類由省級藥品監督管理部門負責審批。第三類醫療器械由國務院藥品監督管理部門負責審批。其中，第一類產品可以直接獲得準產注冊；第二、三類產品需要經過臨床試驗和生產注冊階段。部分醫療器械品種需要同時獲得生產許可證和注冊證書，才能進入市場流通醫療器械行業監管體系的發展及現狀

醫療器械市場準入制度的引入是在1989年,明確了政府監督管理的“核心”是保證醫療器械產品的安全性、有效性，并逐步建立起一套行之有效的產品上市的行政管理辦法。1999年12月18日召開的國務院第二十四次常務會議通過《醫療器械監督管理條例》，并于2000年1月4日以國務院令276號發布，在4月1日正式實施。這標志著我國的醫療器械監督管理進入依法行政和依法監督的新階段。

關于進口醫療器械的監督管理入世后，在市場準入方面，進口醫療器械應該和國產醫療器械享受同樣的國民待遇?！稐l例》實施前，對進口產品在國內市場準入方面的要求比國內生產的產品更寬松，監督管理對進口產品缺乏力度。目前，我國和歐美日等先進國家和地區在醫療器械的市場準入方面尚未實現互認。新的醫療器械注冊管理辦法加強了對進口產品的監督管理方面的要求，使我國對境內外醫療器械的監督管理得到提升，國內企業的競爭力也得到一定的保障。1.1.2醫療器械發展概況1、中國醫療器械行業在世界市場所占份額及發展歷程

但是：和國際發達國家相比，中國醫療器械在世界市場中的份額依然很低，仍有很大增長空間。中國有13億人口，31萬個醫療衛生機構，醫療器械有廣闊的市場。中國是全球醫療器械十大新興市場之一，成為除日本以外亞洲最大的市場。中國醫療器械市場容量已超過1000億元，年均增長率15－18%。2、我國醫療儀器產業發展現狀兩個關鍵詞－“新興產業”和“朝陽產業”醫療器械產業是關系人類生命健康的新興產業，世界發達國家一直保持著6％～7％很高的年增長率，被譽為朝陽工業。發展迅速我國近年發展也很快，年增長率達到15％以上，但與發達國家相比尚有較大差距。今后的十年我國的醫療器械產業將會有一個更大的發展。

主流產品－數字化、高科技、高附加值醫療儀器產品是現代工業的主流產品，在產業發展中起著主導和引領作用。由于其高增長性、高科技含量、高附加值：

其發展水平已成為一個國家綜合經濟技術實力與水平的重要標志之一?；谛l生健康需求和醫療器械發展的大趨勢，應以數字醫療核心儀器裝備和關鍵技術為重點，以現代主流數字化醫療產品帶動整個國家醫療器械產業的發展。3、數字化醫療器械發展（1）數字化精密醫療器械現狀醫療器械產品聚集和融入了大量現代科技的最新成就，是醫學與多種學科相結合的高新技術產物。我國醫療器械產業與發達國家相比質量、數量、水平差距都還較大，高檔醫療器械產品，特別是數字化精密醫療儀器，目前基本被國外或跨國公司占領。

近十余年來各國競相發展，取得了重大成就,現代數字化影像、診斷、治療設備和醫院信息化設備的出現，不僅將醫療器械產業推到了一個新的發展階段，帶動了整個醫療器械產業的快速發展和進步，而且推進了臨床醫學的發展進程和國民經濟的增長。現代醫療衛生事業已從單純的醫院內診治為主的模式逐步發展為院前急救、臨床診治和康復保健結合的社區醫療、家庭護理的多元化的現代醫療保障體系，發展新型的、小型化、高精度和人性化的醫療器械產品成為近幾年醫療器械產業發展的新亮點。離體診斷器械及用品等有利于健康篩查、疾病早期發現的產品受到更大的重視。（3）高檔新產品開始進入國際市場

近些年，一批國產化的高、精、尖產品，包括自主研發的新型數字化醫療設備和專利技術，已逐步進入國內外市場。a.數字黑白超聲診斷設備已有較高水平，彩超已逐步走出OEM產品階段，逐步推出自行設計的產品。b.平板DR已有自己的整機產品并有少量出口；線掃描DR通過引進-消化-創新，不僅研制出有自主知識產權的產品推向市場，而且已開始向國外銷售，同時還推出低成本（28萬元）的低輻射劑量普及性體檢機。f.監護、碎石、眼科、無創呼吸機等部分新產品，達到國外同類產品水平，已進入廣闊的國內外市場。g.新的國產IVD產品日益增加。如：300T/H-520T/H全自動生化分析儀、血球分析儀，以及各種試劑。h.能改善血管再狹窄問題的微創冠脈藥物涂層支架及導管，已有了與跨國公司爭奪國內市場份額和進入國際市場的實力。i.醫療機器人和MEMS技術醫用設備研發已有較好基礎。

（a)智能膠囊(b)圖象記錄儀(c)影像工作站

膠囊內窺鏡在人體小腸病灶檢測方面具有獨特的優勢。

*智能膠囊消化道內窺鏡系統

未來的醫療器械產業存在四大趨勢，也是行業的增長熱點

四大趨勢計算機相關技術家庭和自我保健器械微創醫療器械器官移植和輔助醫療器械家庭自我監護與診斷、家庭自我醫療與遠程醫療相應產品。無創傷或微創傷的醫療器械、醫學、成像、微型化醫療器械、激光診療和非植入式輔助傳感等。如各種內窺鏡和導管技術等無創和低創的直視檢查，將深入到人體各個臟器和部位，獲得精確的形態、功能、病理等電生理診斷。如人工骨、心臟瓣膜、心泵、軟骨、胰、血管、腎、皮膚、肝、眼和再生的神經細胞及心臟、神經肌肉刺激器等。計算機輔助診斷、智能器械、生物傳感器械、機器人器械網絡。相應的新產品，如集成化病人醫學信息系統、病人智能卡、臨床實驗室機器人、計算機輔助臨床實驗系統、生物傳感器等。1.2生物醫學測量的基礎知識

1.2.1生物醫學測量的范圍

生物醫學測量的范圍包括對生物體分子水平、細胞水平、器官水平和系統水平各層次的信息的測量。

生物醫學測量的對象具有生命的生物體人體生物分子、細胞、器官和功能系統等各層次組成的復雜系統1.2.2生物醫學測量的基本特點一.生物醫學測量基本屬于弱信號測量生物醫學測量屬于弱信號測量范疇具有弱信號測量的共同特點即要求測量系統的靈敏度高、分辨力強、抑制噪聲和抗干擾能力好這一特點在生物電、生物磁信號的測量中尤為突出!!!!生物體是一個極其復雜的系統，如何從生物體中有效地提取被測信號，是生物醫學測量的重要問題。在生物醫學測量中，不僅要抑制儀器系統的噪聲，更重要的是要充分認識人體噪聲的性質和特點，采取有效辦法（如濾波、相關或自適應處理，改進信號耦合方法等），從人體噪聲中提取有用信號。

二．生物體內的噪聲對測量有重要影響三．信息測量中容易引入外界環境的干擾（1）環境電場、磁場和電磁場的干擾①電場干擾：最常見的電場干擾是工頻（50Hz）電場的干擾。②磁場干擾：變壓器、電動機和熒光燈的鎮流器周圍產生的交流磁場。③高頻電磁場干擾：空中的電磁波,通過測量系統與人體連接的導線引入。（2）外界刺激對測量的干擾外界刺激的干擾主要是通過生物體的感覺器官引入體內，引起生理狀態的異常改變，造成測量結果的不穩定或產生偽差。

各種生物體都是在內環境與外環境相適應的條件下，維持其新陳代謝和生命。為適應各種外環境的變化和差異，生物體內各種系統，包括一個細胞、器官、功能系統乃至整體，它們的功能活動都在不停地變化著，調整著，以在內外環境間保持動態平衡。此外，遺傳因素也造成生物體各種功能、狀態的個體差異。

這些因素使被測量的生物醫學信息往往具有多變性。

四．生物醫學信息的多變性為了獲取生物體內的信息予以測量，生物醫學測量系統或儀器一般需通過傳感器或電極與生物體聯接，這些傳感器或電極，有些置于體表（皮膚外），有些需插入或植入機體內部，因此產生了測量系統對生物體的電安全性、機械安全性和化學安全性等問題.

五．生物醫學測量的安全要求靈敏度

靈敏度是指儀器在穩態下輸出量變化與輸入量變化之比，可表示為:

S為靈敏度，A0和Ai分別為輸出量變化和輸入量變化

1.2.3生物醫學測量儀器的主要技術指標２.頻率特性頻率特性是指儀器輸出量和相位與輸入正弦信號頻率的關系。使儀器的輸出幅度隨頻率的變化不超過規定值（如3dB）的輸入信號頻率范圍稱為響應頻率，又稱為通頻帶。部分常見生理信號的頻率范圍

生理信號頻率范圍（Hz）生理信號頻率范圍（Hz）心電0.01～250動脈血壓0～100腦電0～150靜脈血壓0～50肌電0～10000脈搏波0.1～50眼電0～50心輸出量0～20視網膜電0～50心音2～2000胃電0.05～20呼吸率0.1～10血流量0～30３.精密度

精密度簡稱精度，用相同條件下重復測量間的最大偏差與儀器滿量程之比表示，即

Ai、Aj分別為任意兩次測量的結果值，Ｈ為儀器的最大測量范圍４.準確度

準確度用儀器的實際測量結果值同真值（理想值）間的最大偏差與儀器滿量程之比來表示，即

Ea為儀器的測量準確度，Amax為實測值與真值間的最大偏差，H為儀器的滿量程

５.非線性度

非線性度用實測值和與相應輸入量成正比關系的理論值間最大偏差同滿量程之比表示，即

EL為儀器的線性度，

ALmax為全量程內的實測值與理論值之間的最大偏差，H為全量程儀器非線性度的示意圖

輸入量輸出量理想曲線實測曲線

Amax

６.漂移

漂移是指儀器的輸出量隨時間或外部環境變化而變化的程度，主要包括零點漂移、溫度漂移和靈敏度溫漂等指標。①零點漂移：用無輸入信號和恒定環境條件下的儀器輸出量在一定時間內的最大變化與滿量程之比來表示，即

Dz為零點漂移，Azmax為指定時間內在輸入量為零時輸出量的最大變化，H為儀器的滿量程

②溫度漂移：用無輸入信號條件下儀器的輸出量隨環境溫度的變化與儀器的滿量之比來表示，即

DT為溫度漂移，AT為環境溫度變化T時引起的儀器輸出量變化

③靈敏度溫漂：用一定環境溫度變化范圍內儀器靈敏度的最大相對變化量來表示，即

Ds為靈敏度溫漂，Smax為一定溫度變化范圍內儀器靈敏度的最大變化

７.分辨力

分辨力是指儀器分辨出最小的信息變化的能力。按被測信息的性質和儀器用途的不同，儀器分辨力分為幅度分辨率、頻率分辨率、時間分辨率和空間分辨力等指標。幅度分辨率一般用儀器最小可分辨的輸出信號幅度或大小與儀器滿量程之比來表示，即

R為幅度分辨率，又稱為分辨率，Amin為儀器最小可分辨的輸出信號幅值或大小，H為儀器的滿量程。R愈小，儀器的幅度分辨率愈高８.輸入阻抗和輸出阻抗輸入阻抗：指從一測量系統或線路環節的輸入端測得的系統自身的阻抗，即

Zi為系統的輸入阻抗，Vi和Ii分別為從系統輸入端測得的輸入電壓和輸入電流

輸出阻抗：指從一測量系統或線路環節的輸出端測得的系統自身的阻抗，即

Zo為系統的輸出阻抗，Zh為輸出端接入的負載阻抗，Vo和Vh分別為系統輸出端開路和接入負載阻抗Zh時的輸出電壓

９．漏電流

生物醫學儀器對人體電擊危險的主要來源，有三種：接地漏電流：儀器接地導線流入大地的電流。機殼漏電流：儀器外殼經外部導體流入大地，或流向系統其它部分的電流?；颊呗╇娏鳎航浡摻踊颊呱眢w的導線或被測患者身體流入大地的電流。漏電流種類B型儀器BF型儀器CF型儀器正常單一故障正常單一故障正常單一故障接地漏電流0.510.510.51機殼漏電流0.10.50.10.50.010.5患者漏電流0.10.50.10.50.010.05

生物醫學儀器的漏電流允許值（mA）

1.3.數字化醫儀組成特點與設計方法

1.3.1數字化儀器的組成及特點

微電子學和計算機等現代電子技術的成就給傳統的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。隨著微處理器在體積小、功能強、價格低等方面的進展，電子測量儀器和計算機技術結合愈加緊密，形成一種全新的以微機數字化處理為特征的儀器，即“數字化儀器”或稱“智能儀器”。一．數字化儀器的典型結構

數字化儀器核心是專用的微機系統，由硬件和軟件兩大部分組成。

硬件部分:包括主機電路、模擬量I／0通道、人機聯系部件與接口電路、標準通信接口等（見下頁圖）。

主機電路用于存儲程序、數據，進行運算和處理，通常由微處理器、程序存儲器、I／0接口電路等組成。用來輸入輸出模擬量信號，主要由A／D轉換器、D／A轉換器和有關的模擬信號處理電路等組成。模擬量輸入輸出通道主要由儀器面板中的鍵盤和顯示器等組成。人機聯系部件用于實現儀器與計算機的聯系，數字化儀器一般都配有并行或串行等標準通信接口。標準通信接口電路軟件部分:包括監控程序和接口管理程序兩部分。通過鍵盤操作輸入并存儲所設置的功能、操作方式與工作參數；通過控制I／O接口電路進行數據采集，對儀器進行預定的設置；對數據存儲器所記錄的數據和狀態進行各種處理；以數字、字符、圖形等形式顯示各種狀態信息以及測量數據的處理結果。監控程序面向儀器面板鍵盤和顯示器其內容是接受并分析來自通信接口總線的各種有關功能、操作方式與工作參數的程控操作碼，并通過通信接口輸出儀器的現行工作狀態及測量數據的處理結果，以響應計算機的遠控命令。接口管理程序主要面向通信接口二．數字化儀器的主要特點

(1)數字化儀器使用鍵盤代替傳統儀器中的旋轉式或琴鍵式切換開關來實施對儀器的控制，從而使儀器面板的布置和儀器內部有關部件的安排不再相互限制和牽連。(2)微處理器的運用極大地提高了儀器的性能。例如智能儀器利用微處理器的運算和邏輯判斷功能，按照一定的算法可以方便地消除由于漂移、增益的變化和干擾等因素所引起的誤差、從而提高了儀器的測量精度。

(3)數字化儀器運用微處理器的控制功能，可以方便地實現量程自動轉換、自動調零、觸發電平自動調整、自動校準、自診斷等功能，有力地改善了儀器的自動化測量水平。

(4)數字化儀器具有友好的有人—機對話的能力，使用人員只需通過鍵盤打人命令，儀器就能實現某種測量和處理功能，與此同時，智能儀器還通過顯示屏將儀器運行情況、工作狀態以及對測量數據的處理結果及時告訴使用人員，使人-機之間的聯系非常密切。

(5)數字化儀器一般都配有GP-IB或RS-232等接口，使數字化儀器具有可程控操作的能力。從而可以很方便地與計算機和其他儀器一起組成用戶所需要的多種功能的自動測量系統，來完成更復雜的測試任務。

數字化儀器是以微處理器為核心的電子儀器。它不僅要求設計者熟悉電子儀器的工作原理，而且還要求掌握微型計算機硬件和軟件的原理。因而其設計不能完全沿用傳統電子儀器的設計方法和手段。

1.3.2數字化儀器的設計要點一.設計、研制數字化儀器的一般過程

Step1：確定設計任務Step2：擬制總體設計方案，選擇微處理器芯片

Step3：確定儀器工作總框圖Step4：硬件電路和軟件的設計與調試Step5：整機聯調

二.微處理器的選擇

微處理器是整個儀器的核心部件，它直接影響整機的硬件和軟件設計，并對數字化儀器的功能、性能價格比以及研制周期起決定性的作用。因此在設計任務確定之后，首先應對微處理器進行選擇。

1.3.3數字化儀器的現狀及發展在此基礎上新方法的提出在新技術革命的推動下，尤其是微電子技術和微型計算機技術的快速進步，使電子儀器的整體水平發生很大變化。一種被稱為21世紀儀器的VXI總線儀器系統問世。70年代以來1987年先后出現獨立式數字化儀器、GP-IB自動測試系統、插卡式數字化儀器(個人儀器)。VXI系統特點：集中了數字化儀器、GP-IB總線、個人儀器的很多特長，是一種全世界范圍內完全開放的，適用多供貨廠商的模塊總線儀器系統，已被公認為當前儀器發展的世界潮流。一.獨立式數字化儀器及自動測試系統

獨立式數字化儀器(簡稱數字化儀器)即前述的自身帶有微處理器能獨立進行測試的電子儀器，數字化儀器是現階段智能化電子儀器的主體。

自動測試系統具有極強的通用性和多功能性，對于不同的測試任務，只需增減或更換“掛”在它上面的儀器設備，編制相應的測試軟件，而系統本身不變。

二.個人PC儀器系統及VXI總線儀器系統

個人PC儀器是在數字化儀器的基礎上，伴隨著個人計算機(PC)登上電子測量的舞臺而創造出的一種嶄新的儀器品種。而原數字化儀器所需的鍵盤、顯示器以及存儲器等均借助于PC機的資源，就構成了個人PC儀器(又稱PC儀器或儀器卡)。它是將原數字化儀器中的測量部分配以相應的接口電路制成各種儀器卡，插入到PC的總線插槽或擴展箱內；特點一

特點二特點一：VXI總線是一個開放式結構。下圖顯示出典型的VXI總線儀器的構成形式。VXI總線兩大特點VXI總線對所有儀器生產廠家和用戶都是公開的，即允許不同生產廠家生產的卡式儀器都可在同一機箱中工作，從而使VXI總線很快就成為測試系統的主導結構。VXI總線是面向模塊式結構的儀器的總線，與GP-IB總線相比較其性能有了較大幅度提高。特點二：VXI總線面向模塊化。三.軟件技術的高速發展及虛擬儀器

在新一代的儀器系統中，計算機軟件和測試儀器更加緊密地結合在一起，為了使儀器系統的硬件設備盡量少，傳統儀器的許多硬件乃至整個儀器都被計算機軟件代替。在新一代儀器系統中，計算機處于核心地位。以計算機為核心的儀器系統結構如下頁圖所示。Eg：只使用一塊A／D卡，借助于計算機的計算功能，在軟件的配合下就可能實現多種儀器的功能，如數字多用表，數字存儲示波器，數字頻譜分析，數字采集系統，數字頻率計等。與計算機一起工作的儀器共有四類，即GP-IB儀器、RS-232儀器、VXI儀器數據采集板。序號項目（或任務）名稱項目（或任務）方案描述預設能力目標教學資源學習成果學時教學方法/教學手段1數字化醫療儀器結構與開發流程任務：數字化醫療儀器結構與開發流程熟悉數字化醫療儀器結構與開發流程。PPT，PC，調研報告8案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法2MCS-51單片機應用基礎任務一：定時器/計數器應用；任務二：中斷技術應用。掌握MCS-51單片機定時器/計數器的設置應用；掌握中斷技術應用。PPT，PC，實驗平臺軟件，作業，文件，演示。8案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法3數字化醫療儀器微機控制電路任務一：微機控制片外RAM擴展與訪問；任務二：按鍵輸入與單個發光管顯示；任務三：LED發光管顯示的接口電路與程序設計；任務四：鍵盤控制七段LED顯示器接口電路與程序設計。能正確應用存儲器擴展功能；鍵盤工作原理與編程設計；發光管和七段碼LED顯示器原理與程序設計應用。PPT，PC，實驗平臺軟件，作業，文件，演示。16案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法4心電圖機數據采集系統電路板任務一：模/數轉換接口電路與程序設計基礎；任務二：模/數轉換接口電路與程序設計；任務三：數/模轉換接口電路與程序設計；任務四：數據采集系統的聯機調試；任務五：心電信號采集接口的聯機調試。掌握A/D轉換與單片機接口的方法；掌握D/A轉換與單片機接口的方法。數據采集接口電路和程序設計；心電信號采集接口電路和程序設計。PPT，PC，心電信號發生器，實驗平臺軟件，作業，文件，演示。20案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法《數字化醫療儀器》做中學學習課程總體項目（或任務）設計與授課進程5監護儀數據通信接口電路及編程調試任務一：串行數據通信基礎與調試；任務二：串行數據發送與調試。掌握串行接口通信功能設置與應用和程序設計；能完成PC機與下位機數據塊串行通信并掌握軟件的基本調試方法。PPT，PC，實驗平臺軟件，作業，文件，演示。8案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法6綜合產品調試任務一：心電信號微機按鍵控制數據采集系統的聯調；任務二：監護儀微機控制數據通信接口電路聯調；掌握綜合產品制作的過程，學會調試的方法。PPT，PC，實驗平臺軟件，作業，文件，演示。12案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法7數字化醫療儀器應用實例任務：數字化醫療儀器結構與開發舉例：數字心電圖機、智能化動態心電監護儀、多參數床邊監護儀等。舉一反三，拓展熟悉數字化醫療儀器結構與開發應用實例。PPT，PC，復習題8案例引導法、任務驅動法、學做合一、頭腦風暴法《數字化醫療儀器》做中學學習課程總體項目（或任務）設計與授課進程課程名稱數字化醫療儀器教學單元名稱情景一、數字化醫療儀器結構與開發流程本單元學時數6+2（緒論與準備）＝8課程教學團隊數字化醫療儀器學習目標分析1、通過數字化醫療儀器結構與開發流程的調研，培養思考問題、解決問題的能力；2、完成數字化醫療儀器結構與發展調研、單片機實訓平臺開發流程，養成跟蹤數字化醫療技術發展前沿的習慣，學會撰寫技術報告的技能。3、通過撰寫技術報告的能力培養，提高學習興趣。學習者分析1、具備數字電路、模擬電路、單片微機應用和醫用電子儀器基礎，會用調研和情報資料查詢的各種手段，能完成數字化醫療儀器技術發展前沿的小論文，并能制作匯報材料，學習單片機實訓平臺開發方法。2、掌握跟蹤數字化醫療儀器技術發展前沿的調研和總結應用能力。學習內容分析1、數字化醫療儀器的組成及特點的基本概念；2、數字化儀器的單片機實訓平臺開發要點；3、學習跟蹤數字化醫療儀器技術發展前沿的調研和總結的工作方法。教學策略引導文法；案例教學法；學做合一；組織形式為全班、小組(2-3人)。學習成果跟蹤數字化醫療儀器技術發展前沿的調研和小結報告。教學評價1、匯報材料關于數字化醫療儀器的組成及特點的調研應充分；2、數字化儀器的技術開發方法須明確；3、跟蹤數字化醫療儀器技術發展前沿調研小結的創新性。第一單元：數字化醫療儀器結構與開發流程數字化醫療儀器技術發展前沿或開發技術的小論文，制作匯報材料序號考核內容考核要求配分得分1搜集資料搜集資料充分102調研手段熟練掌握各種調研手段方法203報告質量報告內容合理、完整滿足要求；可讀性好；可參考性強。304匯報效果回報效果好；表達能力強；305評價評價正確，有建設性的意見106合計得分7否定項發生重大責任事故、嚴重違反教學紀律者得0分項目驗收考核評分表第二單元教學設計：MCS-51單片機應用基礎任務1：定時器/計數器應用課程名稱數字化醫療儀器教學單元名稱情景二、MCS-51單片機應用基礎子情景1、定時器/計數器應用本單元學時數4課程教學團隊數字化醫療儀器學習目標分析1、通過電路分析及軟件的編制，培養思考問題、解決問題的能力；2、完成定時器/計數器應用設計、利用實驗系統上的定時器/計數器在P1.0產生周期為20ms的方波，學會定時器/計數器應用編程。3、通過具體電路和定時器功能學習，提高學習興趣。學習者分析1、具備數字電路、模擬電路基礎，會用KeilC語言編程，理解定時器/計數器的基本工作原理，能完成單片機控制在實訓專用線路板P1.0接口輸出產生周期為20ms的方波的編程，并用示波器記錄測試輸出模擬電壓波形和編程數據的一致關系。2、掌握單片機定時器/計數器定時控制的原理和應用能力。學習內容分析1、51單片機定時器/計數器應用的基本概念；2、實訓專用51單片機控制小系統線路板P1.0接口的工作原理；3、學習星研KeilC51編程仿真平臺進行C語言開發的工作方法。教學策略引導文法；案例教學法；學做合一；組織形式為全班、小組(2-3人)。學習成果51單片機定時器/計數器應用的輸出波形圖及相應程序。教學評價硬件：51單片機定時器電路應用設計是否合理；功能是否滿足，可操作性是否強；軟件：程序是否合理、完整；可讀性如何；可參考性如何。任務1、51單片機定時器在P1.0產生周期為20ms的方波電路結構設計的連線與調試任務。2、技術指標與功能測試。3、完成51單片機定時器控制在P1.0產生周期為20ms的方波輸出程序流程設計。接口電路的設計及相應程序的編制。要求：能通過示波器顯示單片機定時產生周期為20ms的波形結果，并測試相關信號。第二單元教學設計：MCS-51單片機應用基礎任務1：定時器/計數器應用完成本次課程單元數字電壓表的任務，需要新增的知識（a）定時器/計數器的結構與原理51系列中有3個16位的可編程定時器/計數器：T0、T1和T2。其中T0有四種工作方式；T1有三種工作方式，T2有三種工作方式。通過編程可設定工作于某種方式。每個定時器/計數器既可以對系統時鐘計數實現定時，也可以對外部脈沖信號實現計數功能，通過編程設定來實現。作計數器用時，計數器對芯片引腳T0（P3.4）或T1（P3.5）上每輸入一個脈沖進行加1計數。加法計數溢出時可向CPU發出中斷請求信號；作定時器用時，加法計數器對內部機器周期脈沖TCY計數。由于機器周期是定值，所以對TCY計數也就是定時，如TCY=1μs，計數值100，相當于定時100μs。方式寄存器TMOD：GATEC/M1M0GATEC/M1M0

D7D6D5D4D3D2D1D0

T1

T0GATE：門控位，用于控制定時/計數器的啟動是否受外部中斷請求信號的影響，一般情況不需受外部中斷影響，故設為0。C/：定時或計數方式選擇位，當C/=1時工作于計數方式；當C/=0時工作于定時方式。M1、M0：工作方式選擇位，用于對T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進行選擇。M1M0工作方式方式說明00013位定時/計數器01116位定時/計數器1028位自動重置定時/計數器113兩個8位定時/計數器（只有T0有）控制寄存器TCON

TF1

TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0

D7D6D5D4D3D2D1D0TF0/TF1：定時器/計數器T0/T1的溢出標志位，當定時/計數器T0/T1計滿時，由硬件使它置位，TF0/TF1=1，如中斷允許則觸發T1中斷。進入中斷處理后由內部硬件電路自動清除，TF0/TF1=0。TR0/TR1：定時器/計數器T0/T1的啟動位，可由軟件置位或清零，當TR0/TR1=1時啟動（指令：SETBTR0/TR1）；TR0/TR1=0時停止（指令：CLRTR0/TR1）。加法計數器TH0/TH1、TL0/TL1TH0/TH1、TL0/TL1均為8位寄存器，可以拼成一個16位寄存器，作為定時器/計數器的加法寄存器，在定時器/計數器啟動前，存入計數初值，啟動后則根據要求加1計數，此時該寄存器的內容為當前的計數值，當不斷加1至溢出時，該寄存器內容一定為0。工作方式1：16位定時器/計數器★用足16位的加法計數器，故最大計數值為216=65536，如需計的數值為N，則置的初值X為：

X=65536－N如定時/計數器T0的計數值為1000，則初值為65536－1000=64536，轉換成二進制數為1111110000011000B，則需賦初值：TH0=11111100B，TL0=00011000B。工作方式2：自動重裝載的8位定時器/計數器★16位的計數器只用了8位來計數，用的是TL0/TL1的8位來進行計數，而TH0/TH1用于保存初值。當TL0/TL1計滿溢出時，一方面使TF0/TF1置位，另一方面使TH0/TH1的值就自動裝入TL0/TL1。由于是8位的定時/計數方式，因而最大計數值28=256。如計數值為N，則置入的初值X為：X=256－N如定時/計數器T0的計數值為100，則初值為256－100=156，轉換成二進制數為10011100B，則需賦初值TH0=TL0=10011100B。注意：由于方式2計滿后，會自動地把TH0/TH1的初值裝入TL0/TL1中，因而如果要再次實現N個單位的計數，不用重新置入初值。與工作方式1類似，唯一差別在于計數器位數不同，僅13位（TH0/TH1中的8位，TL0/TL1中的低5位）。工作方式3：2個獨立的8位定時器/計數器僅T0有此工作方式。TL0可作為定時/計數器使用，TH0固定只能作定時器使用，并占用T1的相關資源。定時器/計數器初始化過程（1）根據要求選擇工作方式，確定方式控制寄存器TMOD。

MOV TMOD,#data TMOD=data;（2）根據要求由定時器/計數器的計數值N，求得初值X，寫入初值寄存器THx、TLx。 MOV TH0,#data1 TH0=data1;

MOV TL0,#data2 TL0=data2;工作方式0：13位定時器/計數器（3）根據需要開放定時/計數器中斷（后面須編寫中斷服務程序）。（4）設置定時器/計數器控制寄存器TCON的值，啟動定時/計數器開始工作。

SETB TR0/TR1 TR0/TR1=1;（5）等待定時/計數時間到，到則執行中斷服務程序；如用查詢處理則編寫查詢程序判斷溢出標志，溢出標志等于1，則進行相應處理。

（b）項目內容利用定時器/計數器在P1.0產生周期為20ms的方波。要求：正確畫出流程框圖，完成程序，正確進行調試，在P1.0（測試點TP1）測試并記錄輸出波形，記錄周期、幅值。程序代碼：#include<reg52.h>sbitP10=P1^0;main(){ TMOD=

; //T0,工作方式1,定時 TH0=

; //定時10ms TL0=

; TR0=

; //啟動定時器 while(1) { while(TF0==

); //等待定時時間到 TH0=

; //再次賦初值 TL0=

; TF0=

; //清定時溢出標志位 P10=

; //P1.0取反輸出產生方波 }}典型定時器/計數器在P1.0產生周期為20ms的方波案例分析課程名稱數字化醫療儀器教學單元名稱情景二、MCS-51單片機應用基礎子情景2、中斷技術應用本單元學時數4課程教學團隊數字化醫療儀器學習目標分析1、通過電路分析及軟件的編制，培養思考問題、解決問題的能力；2、完成中斷技術應用設計、利用實驗系統上的按鍵產生單片機外部中斷信號，編制程序，學會中斷技術應用編程。3、通過具體電路和中斷技術功能學習，提高學習興趣。學習者分析1、具備數字電路、模擬電路基礎，會用KeilC語言編程，理解單片機外部中斷的基本工作原理，能完成單片機外部中斷控制在實訓專用線路板八位發光二極管產生全明和全暗交替顯示的編程。2、掌握單片機外部中斷控制的原理和應用能力。學習內容分析1、51單片機外部中斷應用的基本概念；2、實訓專用51單片機控制小系統線路板和八位發光二極管接口的工作原理；3、學習星研KeilC51編程仿真平臺進行C語言開發的工作方法。教學策略引導文法；案例教學法；學做合一；組織形式為全班、小組(2-3人)。學習成果51單片機外部中斷控制的產生輸出八位發光二極管全明和全暗交替顯示及相應程序。教學評價硬件：51單片機外部中斷應用設計是否合理；功能是否滿足，可操作性是否強；軟件：程序是否合理、完整；可讀性如何；可參考性如何。第二單元教學設計：MCS-51單片機應用基礎任務2：中斷技術應用任務1、實訓專用51單片機控制小系統線路板和八位發光二極管接口的工作原理、電路結構設計的連線與調試任務。2、外部中斷初始化編程控制與功能測試。3、完成51單片機中斷控制在產生八位發光二極管全明和全暗交替顯示的程序流程設計。要求：能通過按鍵操作外部中斷產生發光二極管全明和全暗交替顯示的結果。第二單元教學設計：MCS-51單片機應用基礎任務1：定時器/計數器應用案例分析①中斷技術介紹（a）中斷原理中斷源：外部中斷0INT0，外部中斷1INT1，定時器/計數器T0中斷，定時器/計數器T1中斷，串行口中斷TI/RI。外部中斷INT0和INT1TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0

D7D6D5D4D3D2D1D0IT0/IT1：外部中斷0/1觸發方式控制位。IT0/IT1＝0時，低電平觸發；IT0/IT1＝1時，下降沿觸發★。IE0/IE1：外部中斷0/1中斷請求標志位。當采樣到外部中斷源的中斷請求時，硬件置“1”到IE0/IE1，CPU響應中斷后，硬件自動清零。內部中斷源：T0溢出中斷時，TF0置1；T1溢出中斷時，TF1置1；串行口發送完1個字符時，TI置1；串行口接收到1個字符時，RI置1。TF0和TF1若采用中斷方式，硬件自動清零；RI和TI必須由軟件清零。中斷允許寄存器IEIED7D6D5D4D3D2D1D0(A8H)EA-ET2ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請求；EA=1，開放中斷。ET2：定時器/計數器T2的溢出中斷允許位。ES：串行口中斷允許位。ET1：定時器/計數器T1的溢出中斷允許位。EX1：外部中斷INT1的中斷允許位。ET0：定時器/計數器T0的溢出中斷允許位。EX0：外部中斷INT0的中斷允許位。中斷優先級寄存器IPD7D6D5D4D3D2D1D0(B8H)--PT2PSPT1PX1PT0PX0PT2：定時器/計數器T2的中斷優先級控制位，只用于52子系列。PS：串行口的中斷優先級控制位。PT1：定時器/計數器T1的中斷優先級控制位。PX1：外部中斷INT1的中斷優先級控制位。PT0：定時器/計數器T0的中斷優先級控制位。PX0：外部中斷INT0的中斷優先級控制位。如果某位被置“1”，則對應的中斷源被設為高優先級；如果某位被清“0”，則對應的中斷源被設為低優先級。對于同級中斷源，系統有默認的優先權順序。中斷優先權原則：低優先級中斷可被高優先級中斷所中斷，反之不能。CPU同時接到幾個中斷請求時，首先響應優先權高的中斷請求。中斷響應過程硬件自動完成：

保留斷點：PC進棧；

相應中斷請求標志位IE0/IE1、TF0/TF1清零；

中斷服務程序入口地址送入PC；用戶軟件完成：中斷服務程序

在中斷入口地址處加一長轉移指令，跳轉到用戶編寫的中斷服務子程序；

保護現場：將子程序中所用到的寄存器（如PSW、ACC等）進棧PUSH；

服務程序段；

需要時，中斷請求標志位軟件清零（如RI、TI）；

恢復現場：進棧的寄存器出棧POP，注意保證先進后出原則；

中斷返回RETI。中斷服務程序入口地址表中斷服務程序入口地址表中斷源入口地址外部中斷00003H定時/計數器0000BH外部中斷10013H定時/計數器1001BH串行口0023H（b）片外系統擴展發光二極管顯示接口原理單片機系統擴展部分介紹和原理圖將在第三單元第1任務專門介紹；在此暫且先列出應用138譯碼器擴展外圍鍵盤和8位發光二極管的接口地址應為：C000～DFFFH間。圖2-2發光二極管部分原理圖如何點亮發光二極管要點亮一個發光二極管，則須在發光二極管兩端加正向電壓，即陽極電壓要高于陰極電壓。該8位發光二極管為共陽極接法（陽極連在一起），如果在陽極加＋5V，陰極接地，則發光二極管能點亮。如何給陽極加＋5V：如果三極管Q1能導通，則8個發光二極管的陽極都是＋5V。要使Q1導通，則Q1的基極必須為低電平（e-b才能導通），即P1.2須送低電平。如何讓陰極接地（即送低電平）：陰極通過限流電阻接到了鎖存器74HC273的輸出端，只要讓鎖存器能鎖存輸出0（低電平），輸出端Q端就能送出低電平。鎖存器要能鎖存輸出，除了數據總線送到輸入端D端的數據為0外，CLK端還需要一個脈沖信號，該信號由WR和Y6經過或門74HC32后送入CLK。WR和Y6平時都為高電平。WR在執行MOVX時有一段時間維持低電平（見時序圖）；Y6要維持低電平也是在執行MOVX的時候，但須保證此時138譯碼器的輸入CBA為110，即MOVX執行時的執行地址必須在C000H～DFFFH間。項目內容根據原理圖圖1、圖2、利用S10按鍵產生中斷，改變8位發光二極管狀態，由全滅變為全亮，或由全亮變為全滅，繼續按鍵，狀態繼續改變，依次循環。要求：正確畫出流程框圖，完成程序，正確進行調試，測試按鍵（測試點TP9）的信號，記錄按鍵按下和松開時的電壓值，并說明本題所使用的中斷類型。圖2-3外部中斷部分原理圖（2）外部中斷控制在八位發光二極管產生全明和全暗交替顯示的案例程序代碼：#include<reg52.h>#include<absacc.h>#defineLedAddr

//Led地址un