李瑞霞 刘传朋

（日照职业技术学院，山东 日照 276826）

1 前言

组织工程是20世纪80年代崛起的一门生命科学，而构造组织工程化心肌组织则是组织工程领域中重要的一个方面。目前已经可以将胶原与心肌细胞混合培养后获得一致的跳动，该跳动在频率上和自然生长的心肌组织吻合，但是心肌的跳动产生的收缩力也是检验组织工程化心肌性能的一个重要指标，然而对收缩力的精确检测的手段仍然不够成熟。

有关计算机对模拟信号的实时采集，已经有比较成熟的技术，主要有 A/D数据采集卡以及利用已有的通讯协议（例如RS232/485等）进行数据的采集和传输。因此如何利用现有的高级语言设计具有多种功能的数据操作和处理平台就成了一个关键的问题。

本文从设计收缩力检测装置出发，设计出悬臂式拉伸检测结构。因为VB的MSCOMM通信控件具有完善的串口数据发送和接受功能，利用它就可以屏蔽对硬件的操作，简易快捷地进行串行通信编程，所以我们利用VB语言实现传感器与PC计算机的通讯，并且在实现数据采集的基础上，设计了便于操作的数据采集与处理功能的操作平台。

2 硬件介绍

2.1 拉伸装置简介

简单机械收缩力拉伸机械应该具有结构简单，拉伸同轴性好，试件装拆方便，预紧调整方法可靠，以及实验重复性好等特点。根据以上要求，我们设计了如图1所示的悬臂式收缩拉力检测装置。

如图1所示，收缩力检测装置包括底座/支架、力传感器、于今螺母和支撑悬臂梁等几部分组成。其中带有温度补偿的拉力传感器是该装置的核心部件，并且应变片包埋在硅胶粘合剂中而与空气隔绝，避免了受外界的腐蚀作用，又由于其他所有的零部件都是不锈钢制成，因此整个装置可以放在水中测量，这对于测量心肌条带的收缩力是必要的，因为组织工程化心肌条带如果离开培养液而暴露在空气中，心肌细胞很快就会死亡。支架在靠近底部的某处可以折成90°从而使心肌条带处于水平的位置，这就可以使心肌在检测时放入培养皿等盛有培养液的容器里。

利用同轴定位原理将传感器和支撑悬臂梁保持在同一平面内，上面各装有一个钩子，钩子通过特殊的结构而保持严格的同轴心，这就保证了拉伸的严格同轴性，减小了测试的原理性误差。通过预紧螺母将待测心肌条带预紧于装置上，那么心肌条带的微弱跳动都能被传感器检测到。

2.2 数据采集硬件及流程框图

力传感器检测到的收缩力信号经过传感器转化为微弱的电信号，我们再通过放大器将微弱信号放大到数据采集卡能够识别的电压信号，经过数据采集卡转变成数字信号后进入到计算机，通过数据采集处理平台进行存储、打印、修改和分析等处理。整个过程的基本框图如图2所示。

3 数据采集及处理系统的的主要功能和程序基本结构

3.1 系统的主要功能

基于VB语言开发的检测平台希望实现以下几个主要功能：

（1）文件读写，包括读入以前采集的数据进行分析和存储当前采集的数据，数据格式合理；

（2）数据采集的控制及初步处理，包括采集时间和采样频率的预设和控制，数据采集过程中的实时中断和抗干扰处理等；

（3）采集拉力数值在平面坐标系里的实时变化曲线的绘制，附带有图像的存储、调入以及粗细颜色变化的处理等；

（4）图像重绘功能，对于得到不合适的图像进行坐标轴大小的变换，得到便于分析的图像。

3.2 程序基本结构

该平台的程序设计按照以上几个功能模块作结构化设计，其简单流程图如图3所示，整个程序包括4个功能模块：数据采集模块、曲线实时绘制模块、坐标变换及重绘图形模块和菜单功能模块。

（1）数据采集模块程序

数据采集卡将经过放大器放大的传感器信号调制成数字信号，数据采集模块程序将数字信号依次读出来，在读信号之前，需要对采集通道进行初始化，为了在采集的过程中消除一些干扰信号带来的误差，采用了滤波程序。

（2）曲线实时绘制模块

曲线实时绘制模块是该平台的主要功能，包括曲线和采集数据的实时显示，最值的跟踪计算，波峰之间的时间间隔的窗口显示和鼠标点击时坐标值的即时显示等功能。

（3）坐标变换及重绘图形模块

坐标的变换是为了适应不同大小拉力测量值的绘制，在测量组织工程化心肌条带这种拉里很小的试样时，就需要坐标刻度相对密集，因此我们采用了分段方法绘制或者重绘曲线。传感器的测力范围为0～5N，那么我们就将坐标轴的类型分成3种，一种是测力范围大于2N，它的坐标最小刻度为0.5，一种是测力范围在0.2N～2N之间，它的最小刻度为0.1，还有一种是测力范围小于0.2N，相应的坐标最小刻度为0.01。开始是系统默认第一种坐标方式，为了让使用者注意坐标系的选择，我们系统开始时并不绘制出坐标系，而是在需要绘制图形的时候才提示使用者选择坐标系，下面几幅图代表了该功能的具体效果。由图4～图6的比较我们可以看出，图5更为清楚地表达了数据的峰值间隔和熟知的变化趋势，所以我们采用这种方法解决了图形的合适显示问题。

当然，对图形的处理并不只有这些功能，还包括对过去曲线的显示、放大、修改等等，因此图形操作的模块其实还具有图像浏览软件所具有的一些功能。

4 菜单功能模块

图7就是运行中的数据采集平台，它包括一个很醒目的数据曲线实时绘制区域，而其他的区域是下拉菜单和与之对应的图标菜单，这些菜单可以实现一些过程控制和数据处理的功能。

（1）文件菜单。文件菜单里含有对测量过程的控制，主要包括测量的开始、暂停中断、结束和退出测量等有用的控制功能；还包括对测量的初始化，包括采样时间和采样频率的设定。

（2）处理菜单。该菜单包括对数据的最大值和最小值的计算和显示，以及重绘图形时坐标数值的输入接口等。

（3）曲线菜单。曲线菜单主要是对曲线的一些处理，包括显示实时曲线、保存当前曲线、放大当前曲线、打印当前曲线、显示过去曲线以及曲线本身和背景颜色的设定等。

（4）帮助菜单。帮助菜单链接一个对系统使用方法和注意事项的说明文本，可以提供给使用者必要的提示和帮助。

结语

本文介绍了应用VB开发应用于组织工程心肌组织收缩力测量的系统。经过测试实验证明，该系统具有稳定性好，测量范围广，数据处理和图形绘制功能强的特点。 本系统程序具有很好的可移植性，可以应用于很多类似的系统中。为组织工程中一些实验数据的检测提供了一条比较方便的方法。

[1]李淑华.vb 程序设计及应用（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]王化祥.传感器原理及应用（第三版）[M].天津：天津大学出版社，2007.

[3]房庆华，葛剑鸿.卷取机关键零件力学分析程序设计[J].山西冶金，2014（04）.

[4] 田艳凤，季凯，李培君.VB 环境下基于KPCI-812 的采集系统的设计与实现[J].未来英才，2015（04）.