荧光信号检测原理.doc

引言牙齿牙髓活力状态是衡量人体牙齿健康与否的关键，在此摒弃以往用牙髓电活力测试的检测方法，而利用激光照射牙齿而激发牙髓物质产生荧光的机理。研究发现，荧光强度与牙髓活力有密切关系。能反映牙髓是否健康，牙髓是否能康复，通过牙齿的荧光现象判断牙髓活力，是一种诊断牙髓疾病的客观方法。牙齿在短波长激光的照射下可以产生荧光，通过入射光纤照射到牙齿表面，再由出射光纤输出荧光信号，荧光强度会随牙髓活力降低而减弱，将激光诱导荧光技术应用于牙髓活力检测领域。介绍牙髓荧光信号采集与显示电路设计，详细阐述单片机程序设计，实现对荧光信号的采集，包括A/D采集与基于TFT-LCD显示的程序设计。2 荧光信号检测原理某些物质受光照射激发能发射比激发光波长更长的光。此物质能从外界吸收并储存能量(如光能、化学能等)，并进入激发态；当其从激发态再回到基态时，过剩的能量以电磁辐射的形式放射(即发光)，称为荧光。产生荧光必须具备两个条件：物质的分子必须具有与照射光相同的频率；吸收与本身特征频率相同能量的分子。必须具有高荧光效率。设计原理是利用脉冲调制电路将单色激光转变为调制激光光源。调制激光光源作为系统的激发光源，通过入射光纤直接照射到牙齿表面基于激发的荧光通过出射光纤反射输出，选择光电倍增管作为荧光接收的光电传感器。由于出射的荧光较微弱，为了直观观察激发出的荧光，设计合理的放大电路，经A/D转换，单片机读取采样数据并进行相应处理。利用TFT-LCD终端显示输出。图1为总体设计框图。3 采集与显示电路设计采集系统采用12 bit ADS7804转换器，其内部采用逐次逼近式工作原理，单通道输入，模拟输入电压范围为10 V，采样速率为100 kHz，采样精度达2 mV。信号采集电路如图2所示，AT89C51单片机为控制处理器。其通信接口通过MAX232进行电平转换，直接与TFT-LCD连接。根据ADS7804器件的采集时序要求，首先将R/C引脚变为低电平；然后在CS引脚输入一个脉冲，并在其下降沿启动AD转换，此脉冲的宽度要求在40 ns6s之间；这时BUSY引脚电平拉低表示正在进行转换；经过约8s后，转换完成，BUSY引脚电平相应变高；再把R/C引脚电平拉高，这样，CS引脚脉冲的下降沿即把转换结果输出到数据总线。AT89C51单片机利用4个IO端口为ADS7804器件提供工作时序，该时序由单片机软件完成。ADS7804的CS、BUSY、BYTE、RC分别与单片机的P10、P11、P12、P13相连，将示波器连接P10、P11、P12、P13引脚检测ADS7804一次采集，单片机提供工作时序，图3为MD转换启动时序。选用TFT-LCD DMT48270S型7英寸液晶显示器作为显示终端。由湿示器与M600人机界面驱动模块组成TFT组合模块，界面支持触摸屏操作。TFT组合模块的特点是：具有串行口，可直接与AT89C51通讯，数据通讯只需3根线；具有统一指令集和硬件接口；完整的TFT面板接口信号，支持所有(TTL/CMOS)RGB接口面板，功耗低。是一种理想的终端显示组合模块。TFT组合设有两种数据传输速率模式：一种为固定模式，其波特率为921 600 bs，另一种为可设置波特率，其波特率在1 200 bs到115 200 bs之间可调。该系统设计选择19 200 bs波特率，输出界面模式由单片机软件完成。4 采集与显示程序的设计41 AD采集程序设计首先，单片机的P10、P11、P12、P13引脚为ADS7804器件提供启动转换时序信号。然后等待AD转换完成，即等待BUSY引脚电平变高，完成后，ADS781M器件的转换结果是12位，需2次读取8位单片机，最后处理采样数据，AT89C51的P0口读取采集数据，P00P07引脚分别连接ADS7804的136引脚，根据其使用说明，当BYTE脚为低电平时，数据总线上输出高字节；反之，输出低字节。所以将采集数据有移4位得到真正转换结果。图4是A/D采集流程。42 基于TFT-LCD显示的程序设计基于硬件电路的设计，通过编写控制与处理程序完成数据采集与数据显示等功能，单片机执行系统所有功能程序，系统软件设计流程如图5所示。系统上电后，单片机与TFT-LCD液晶屏初始化，主要设置单片机通信协议和显示液晶屏初始化界面，该初始化界面一帧显示25 s。初始化完成后，单片机处于等待接收触摸屏状态，如果接收到坐标数据则调用坐标判断子程序，如果收到“自动”或“单次”按键范围内坐标数据，就执行调用AD采集子程序，完成荧光信号数据的采样与读取。为能够在TFT-LCD正确显示，需对数据进行格式化转换，读取采样数据判断其正负，然后调用对应子程序处理，该子程序主要完成十六进制数据与对应电压值的转换，电压值与显示屏的坐标位置转换。转换结束后，调用显示子程序，利用本次采样值相对坐标点与前一次采样值相对坐标点连接的方法，进行连续AD采集，通过TFT-LCD显示终端实时显示，反映荧光信号强度的动态变化。每次采集时间约为500 ms，“自动”模式下进行多次采集，“单次”模式下进行一次采集。为了便于显示屏的人机界面操作，通过触摸屏可设置停止、采集与复位清屏等功能。5 试验分析为了测试本系统对牙齿的监测性能，对两种牙齿进行试验检测，一种为蛀牙牙齿，另一种为无蛀牙齿，做5次实验，牙髓荧光信号采集结果如图6所示。从测量结果看，第1次荧光的相对强度很低，仅06 mV，而第25次荧光强度信号的幅值较高，同时看到信号并不是一条水平线，说明探头照射位置的改变等因素也会带来一定影响。无蛀牙齿的荧光强度相对有蛀牙齿的要高，变化较明显，说明牙齿的牙髓活力状况与自身的反射荧光大小有直接关系。同时，荧光相对强度与检测放大电路有密切相关，检测放大电路的放大倍数越大，荧光信号的相对强度也越高。6 结论基于系统荧光信号的采集与