脉搏信号采集系统的设计

第一章 绪论 脉诊传统中医中最具有特色的诊断方法之一，是中医理论体系中必不可少的组 成部分。脉象（脉搏信号）能反馈出人体各部分的生理与病理信息，是反映人体内 部各种功能变化窗口，可以为疾病的诊断提供重要的参考依据。 脉诊在临床医学的运用十分广泛，涉及到医学很多领域，医生根据脉象的变化， 可以测知人体的健康状况，推断病源的出处，以便为开处方提供依据。但是中医的 把脉全凭借的是多年的经验的积累，存在主观上因数素，有时候很容易出现失误。 如果客观的对人体的脉搏信号进行采集处理，最后送到上位机进行分析，研究就可 以尽可能减少人为判断上的主观失误，从而为医学上病理的诊断提供更安全可靠地 依据。 1.11.1 课题提出的意义课题提出的意义 脉搏是人体生理参数中重要非常重要的参数之一，它包含了人体丰富的病理和 生理信息，具有十分重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号是一种含有很强 噪声的低频微弱信号，含有随机性强、频率低等特点，极易受到检测系统内部噪声 和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤 波、放大，才可获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、 有效的脉搏数据源口。当代以来，随着电子技术和计算机技术的发展。人们能够将 人体脉搏信号提取出来，直观地显示在各种显示器上。特别是人体脉搏测量仪的出 现大大地推动了医学的发展，为人类的健康做出了巨大贡献。人们通过观察和分 析人体脉搏波形，能够更快更精确地诊断各种病症。当前。虽然人们已经制造出了 各种各样的脉搏测量仪，但人们对脉搏测量仪的进一步研究依然在火热进行中，我 认为设计一个，简单、实用、准确的脉搏信号采集系统十分必要，也具有很强的实 用意义。本论文设计的人体脉搏信号提取系统是参考国内外先进的信号采集系统的 基础上，进行进一步开发，优化得到的脉搏信号提取系统，具有很强的实用性。 1.21.2 课题所要达到的指标课题所要达到的指标 本课题所要达到的指标为： (1)对脉搏传感器输出的信号通过信号调理电路对脉搏信号进行滤波、放大，提 升的处理以便得到干净的信号。 (2)把经过信号调理电路处理的信号进行模数转换，为上传到上位机做准备。 (3)实现采集装置与上位机之间的数据传送。 烟台大学毕业论文（设计） 3 第二章 采集系统的总体设计方案 从工作方式的角度分析，人体脉搏信号采集系统可以分为两大类：一是将人体 的脉搏信号的采集与运算等一系列功能在一个脱机系统中完成，这类系统常常采用 DSP(数字信号处理器)这种具有高速运算能力的器件来构成。一般运用于便携式医 疗检测设备中。另一类是运用基于单片机、放大器、A/D 转换器、等器件设计的硬 件采集设备对人体脉搏信号进行采集，然后将其传送到上位机，通过上位机强大的 运算能力和分析能力，来实现对人体脉搏信号的分析。主要应用于临床医学领域对 疾病进行详尽的分析。 本设计是第二类，采用一种采用美信公司最近推出的新型模数转换器 MAX1240 芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240 由 单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为 12 位的数字值 输入到单片机，单片机再将此数据处理为 2 个字节，低位字节为低 8 位数据，高字 节的低 4 位为数字电压值的高 4 位，进行数据处理后再通过串口发送出去。单片机 的稳定性与低耗能性，是基于单片机构建成的信号采集系统具有成本低、电路简单， 稳定的优点，同时又能很好满足信号采集系统的要求。 2.12.1 系统设计原则系统设计原则 基于脉搏信号采集系统由硬件检测和上位机软件分析两部分组成，在设计和研 发过程中我们要遵循原则如下。 (1)安全原则 脉搏信号检测系统是一款直接与直接人体接触的医疗设备，因此保证人身安全 应作为设计的最重要原则。 (2)准确原则 设计系统后期分析诊断的准确性取决于所提取脉搏信号的准确性。错误的信息 将导致错误的医学分析结果，将对人体的健康产生巨大的严重的后果，有事甚至会 付出生命的代价。脉搏信号的缺点使它易受到外界信号(如 50Hz 的工频干扰，人体 温度的干扰)的干扰，因此在计中时需要要采取一切必要的措施保证信号的真实性， 防失真不失真。 (3)可靠原则 医用系统一定要保证系统工作的稳定性与可靠性。这是设计必须保证的。 (4)易用原则 考虑本设计的脉搏信号采集系统系统的设计主要面向家庭而非医院用户，用于 动脉硬化的和妊高征检测早期检测，大多数用户对电子产品和计算机的使用能力有 限，因此简单、易学、易操作是对采集系统的基本要求。 (5)便于更新升级 本设计的系统的主要功能是对所脉搏信号进行采集、处理、而后传送到上位机 中，进行脉搏波分析系统，以便进行中医脉象、心血管功能检测、妊高征检测等检 测，需要对系统不断进行更新以增加识别的精确性，所以设计需要考虑对系统功能 的更新要求。 2.22.2 总体结构框架总体结构框架 本系统主要由 传感器 脉搏信号调理模块、A/D 采样电路、单片机、电源系统、 通信接口电路组成，如图 2-1 所示。其中，脉搏信号调理模块包括前置放大电路、 调零电路、50 Hz 陷波电路、带通滤波电路及二级放大电路和电压提升电路；调理 后的信号由 12 位 A/D 转换器 MAX1240 采样到 STC89C52RC 单片机；电源系统为 各功能模块提供所需的直流电压；脉搏信号的智能分析软件是在上位机中运行的。 图 2-1 总体结构框图 2.32.3 脉搏信号的提取脉搏信号的提取 古今脉诊，获取脉动信息给临床分析的部位、信息量，均会影响到临床分析的 结果。理论上讲，获得的信息量越大、越有效，分析的结果越准确。从解剖生理学 角度来说，寸口离心脏距离相对较远，而人迎脉距离心脏的距离相对较近。人迎脉 反映的血压、血流等心血管信息量比寸口反应的多，能反映人体的整体的病理生理 状况。根据难经记载，古代也是以“独取寸口”来提取脉搏信号，现代脉诊研 究，也从寸口部获取脉搏压力信息、波形信息。 “独取寸口”在方便提取脉博信号的 同时，能否全面反映出人体的整体的病理生理状况，是否丢失海量信息？这是诊断 方法学上的误区。 “独取寸口”采集的信息是否可以替代“三部九候”所采集获得的 信息，满足中医辨证所需?从信息量叠加的原理，显然可见寸口、人迎、趺阳或遍诊 取脉参与分析，对有效诊断的贡献应该大的多。基于此假设，我们在实现一部取脉 烟台大学毕业论文（设计） 5 的脉动信息采集与识别技术的字化、可视化的基础上，初步对“独取寸口法”与 “遍诊法”所获得的信息进行信息学的比较，旨在从信息学的角度对“心中易了， 指下难明”的切诊技术及“独取寸口”的科学含义给以定量的阐述。 寸口指的是桡动脉寸、关、尺三部位，如图 2-2 所示。之所以从桡动脉处采集 脉搏信息，首先是因为其动脉行径比较固定，解剖位置比较浅，毗邻组织比较分明， 是信号采集的有利位置；其次寸口是全身经脉之气汇集处，能反映五脏六腑的气血 盛衰和功能情况，携带大量的人体生理病理信息。 图 2-2 寸口取脉图 本设计采用的脉搏传感器是华科电子研究电子生产的 HK2000B 型压电脉搏传感 器。HK-2000B 型脉搏传感器采用高度集成化工艺，将灵敏度温度补偿元件、力敏 元件（PVDF 压电膜） 、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部，其输出信号为 模拟信号。主要特点： 1) 灵敏度高。 2) 抗干扰性能强。 3) 过载能力大。 4) 一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 HK2000B 型压电脉搏传感器的外形如图 2-3 所示，固定方法如图 2-4 所示， HK-2000B 技术指标： 1) 电源电压：56VDC 2) 压力量程：-50+300mmHg 3) 灵敏度：2000uV/mmHg 4) 灵敏度温度系数：110-4/ 5) 精度：0.5% 5) 重复性： 0.5% 6) 迟滞： 0.5% 7)过载：100 倍 图 2-3 HK2000B 脉搏传感器 图 2-4 HK2000B 脉搏传感器固定方法 烟台大学毕业论文（设计） 7 第三章 信号调理电路的设计 脉搏是人体生理参数中重要的参数之一，它含有许多反应人体生理和病理的信 息，具有重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号属于强噪声背景下的低频微 弱信号，具有随机性强、频率低的特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激(环 境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤波、放大，才可 获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数 据源口。因此，研究脉搏信号调理电路对整个脉搏信号检测系统具有十分重要的意 义。 3.13.1 设计要求设计要求 脉搏信号取自人体表面动脉，信号源输入阻抗较大，且幅值小、频率低，极易 受到噪声的干扰。因此，对脉搏信号调理电路提出如下要求：(1)高输入阻抗：由于 信号源阻抗较高，脉搏信号很微弱，若输入阻抗不高，经分压后信号会更小，会使 脉搏信号有严重损失甚至畸变；(2) 增益：由于 HK2000B 型压电脉搏传感器的输出 范围约为-0.20.6V，为了提高 AD 采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。 根据所选择的 A/D 转换器的输入参考电压范围为 03.3V，所以脉搏信号放大器的 放大倍数应在 20 倍内可调；(3)高共模抑制比：是用来消除市电 50 Hz 的工频干扰； (4)低噪声：在信号调理电路中噪声主要为电子线路的固有热噪声和和散粒噪声，必 须保证他们不湮没微弱的脉搏信号；(5)低漂移：防止放大电路出现饱和失真现象； (6)适合的带宽：以有效地消除噪声干扰，防止采样重叠；(7)高安全性：确保其对人 体的的伤害为零，主要考虑电气安全，辐射的要求。 3.23.2 调理电路设计方案调理电路设计方案 基于脉搏信号的上述要求，本设计的信号调理模块有前置放大电路、调零电路、 50Hz 工频陷波电路通滤波电路、主放大电路和电压提升电路组成，其原理框图如图 3-1 所示。 图 3-1 信号调理电路的原理框图 3.33.3 前置放大电路前置放大电路 前置放大电路主要功能是对检测到的脉搏信号进行线性放大和消除干扰信号，其性 能的好坏程度直接决定了后续信号处理系统对数据分析处理的正确性。针对脉搏信 号的幅值小，频率低的特点，应当采用适当增益、输入阻抗高、高共模抑制比、低 噪声、线性工作范围宽和低漂移的并联差动三运放仪表放大器。 针对脉搏信号处理的要求，通过综合比较分析，本电路选择体积小、功耗低、 噪声小及供电电源范围广的 AD620 作为一级放大电路的主体芯片。可用电池驱动 方便应用于可携式器材中 AD620 参数特点：精确度高、使用简单、低噪声；高输入阻抗：10G，2pF； 高共模抑制比高(CMR)：100dB；低输入抵补电压 (Input offset Voltage)：50uV；低 输入偏移电流(Input bias current)：1.0mA；低消耗功率：1.3mA。性能参数见表 3- 1。 表 3-1 AD620 的性能参数 项目规格特性备注 增益范围11000只需一个电阻即可设定 电源供应范围 2.3V 18V- 低耗电量Max supply current=1.3mA可用电池驱动，方便应用 于可携式器材中 精确到低补偿电压：VOFFSET(max) =50uV 漂移电压：0.6uV/ (max) - 低噪声在 1KHz 的条件下为 9nV/Hz- 应用场合ECG 量测与医疗器材、压力量 测、V/I 转换、数据撷取系统 等。 - 前置放大电路的具体电路如图 3-2 所示。 AD620 使用方便，增益可通过改变引脚 l 和引脚 8 之间的电阻来调节，计算公 式如下： (3-1) = 49.4 + 1 烟台大学毕业论文（设计） 9 式中，G为增益 计算可得： (3-2) = 49.4 1 脉搏信号和噪声同时经过这一级电路放大，在放大脉搏信号的同时噪声也被放 大。噪声幅度过大，则对于后级电路处理非常不利，使得后级信号处理电路难以有 效消除噪声干扰。所以，前置放大电路放大倍数不宜太大，本级增益设置为 2，根 据电阻的标称值,此时在引脚 1 和引脚 8 之间接一个精度为 00l、阻值为 49.9k 的金属膜电阻 R1。 图 3-2 前置放大电路 3.43.4 调零电路设计调零电路设计 调零电路能够进一步抵消由于肌肉抖动、紧张、呼吸颤抖等的那份外界因素引 起的漂移的功能，从而在输人为零的时候，能够保证整个电路的输出也为零。本设 计所用到的所有运算放大器均采用 TL084，其主要特性如下： （1） 输入阻抗极高，大于 1012； （2）失调电流极低，小于 5Pa； （3）低温漂，小于 1uV/； （4）共模抑制比大于 80dB； （5）开环效益较高，大于 11dB； 本电路采用的是广泛使用的同相端输入外部调整调零电路，如图 3-3 所示。 本电路设置只 R3 和 R5，的阻值分别为 100 K 和 500 ，构成 200：1 的分压 电路，R5 两端将得到失调电压调整范围由下式决定： 式中，Vss 为3.3V,U 为失调电压调整范围。 R5 两端将得到165 mV 的失调电压调整范围，能够满足调零电路的要求.在 进行调零电路的设计时，为了使 R5两端产生的电压不影响其他回路，R5的只应该尽 可能小些。 图 3-3 调零电路图 3.53.5 工频陷波电路设计工频陷波电路设计 为最大限度的消除工频干扰，需要加人针对 50Hz 的工频陷波器。为了达到较 好的滤波效果同时考虑电路结构简单化，我决定选用具有正反馈的双 T 电路。双 T 网路电路被广泛应用在零值电路网络中，但是存在着 Q 值为固定的 1/4 的缺点，因 此需 烟台大学毕业论文（设计） 11 图 3-4 带阻滤波器 要引入正反馈来克服。其电路结构如图 3-4 所示。 对于上图 3-6 的电路，其 Q 值为： (3-3) = 1 4(1 ) 式中，Q为品质因数，K为电路反馈系数。 选择 K 为小于 1 且非常接近 1 的正数，则电路的 Q 值能够明显增加，则 K 值 决定式： (3-4) = 1 1 4 在正反馈双 T 网络中，可以先选 C=0.1uF，则根据式: (3-5) = 1 2 可以计算出 R=31.8K，但将参数输入到电路仿真时发现衰减 3dB 时的带宽 BW 为 43-57Hz，但衰减深度仅为 7.34dB，所以需要调整，经反复调整与参考别的设计 最终选定 R=47K，C=68nF。所以： (3-6) 8= 2 (3-7) 3= 2 通过计算选取：R6=R7=47 K，R8=23.5 K，C1=C2=68nF，C3=136nF。 带阻滤波器的仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 10-100Hz，带阻频带的仿真见图 3-5。 图 3-5 带阻频带仿真 有图可以看到，放大倍数为 0.9994636，即电路的增益为 1，当衰减为-3dB 时频率值为， 41Hz 和 61Hz,所以带阻宽为 BW=20dB。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为 5V，频率为 1Hz，其仿真结果见图 3-6。 图 3-6 带阻滤波器瞬态仿真 3.63.6 滤波电路的设计滤波电路的设计 常规脉搏信号的主要频带范围是 0.05 40Hz。为防止在干扰状态环境中采集的 脉冲信号中混入各种噪声，本采集系统中采用通带频率为 0.0544Hz 的带通滤波电 路进行滤波，将脉冲信号的有效成分从采集到的信号中提取出来。本设计的带通滤 波器由 0.05Hz 的高通滤波串联 44Hz 的低通滤波器的来实现。 脉搏信号具有近似脉冲波形的特征，为保证其不失放大，必须充分考虑滤波器 的相位特性。有三种典型滤波器：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔波器 3.6.13.6.1 二阶有源低通滤波器的设计二阶有源低通滤波器的设计 为降低元件灵敏度，获得较好的高频衰减特性和失真特性，本文采用二阶无限增益 多路反馈巴特沃斯有源低通滤波器。其电路结构如图 3-7 所示。 根据设计要求可知 =44Hz，若： (3-8) 9= 10= 11= 烟台大学毕业论文（设计） 13 (3-9) = 34 (3-10) 0= 1 可以计算的出传递函数的表达式为： (3-11) = 1 910 245+ 5( 1 9 + 1 10 + 1 11) 2 910 = - 2 0 2+ 0 + 2 0 式中， (3-12) = 1 3 4 5 所以可知： (3-13) 4= 3 (3-14) 5= 3 有 (3-15) = 1 2 取 R 的值为 36K，采用巴特沃斯滤波，Q=0.707，代入以上公式可得 C4=220nF，C5=47nF。 图 3-7 低通滤波器 低通滤波器的仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 10100Hz，带阻频带的仿真见图 3-8。 由图可知当衰减为-3dB 时频率为 44Hz，与设计的目标相吻合。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为 2mV，频率为 1Hz，其仿真结果见图 3-9。可见除了在波形跳变时稍有尖脉冲， 其他指标都与设计相吻合。 图 3-8 低通滤波器频带仿真 图 3-9 低通滤波器瞬态分析 3.6.23.6.2 二阶有缘高通滤波器的设计二阶有缘高通滤波器的设计 根据设计要求，需要加入截止频率为 0.05Hz 的高通滤波器，使采集到的信号中 有用的脉搏信号通过，滤除低于脉搏信号频率的干扰信号。 在高通滤波器的选型上，为了达到较好的滤波效果，应该选用二阶滤波器，经 仿真分析发现增益为 1 的 Sallen-Key 滤波器电路的效果比多重反馈型的滤波电路要 理想。因此，高通滤波器采用二级 Sallen-Key 滤波电路，本电路采用反相输入端直 烟台大学毕业论文（设计） 15 接接输出端反馈的电路连接方式，这样可以实现增益为 1 的高通滤波效果，其电路 结构如图3-10 所示。 图 3-10 高通滤波器 根据高通滤波器的电路的参数进行如下计算： (3-16) 6= 7= 则： （3- = 1314 17） 所以传递函数的表达式为： (3-18) = = 2 0 2+ 20 14 13 + 2 0 式中， （3- 0= 1 20） （3- = 1 2 13 14 21） 所以可知： （3- 13= 2 22） （3- 14= 2 23） 又 （3- = 1 2 24） 取 C=27uF，有由巴特沃斯滤波方式，所以取 Q=0.707，将它们代入以上公式并 结合电阻和电容标称值得：R13=47K，R14=22.5K 高通滤波电路仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 0.001100Hz，带阻频带的仿真见图 3-11。 图 3-11 高通滤波器频带仿真 由图可知当衰减为-3dB 时频率为 0.049Hz，与设计的目标相吻合。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 烟台大学毕业论文（设计） 17 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为 2mV，频率为 1Hz，其仿真结果见图 3-12。 图 3-12 高通滤波器瞬态分析 3.73.7 滤波、陷波电路的综合仿真滤波、陷波电路的综合仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 0.001100Hz，带阻频带的仿真见图 3-13。 图 3-13 滤波电路频域仿真 由仿真结果可知下限频率为 0.05Hz，上限频率为 44Hz，增益为 1，基本满足设 计要求。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为 2mV，频率为 1Hz，其仿真结果见图 3-14。 图 3-14 滤波电路的瞬态仿真 3.83.8 主放大电路的设计主放大电路的设计 脉搏信号属于小信号，即使经过性能优良的传感器得到的信号经前级电路处理 后的脉搏信号幅度小，不能满足 A/D 转换的需求，需要对其进一步放大，才能与 A/D 转换单元的输入范围匹配，从而减小量化误差。 前置放大电路放大量 2 倍后，是为了后续的信号处理与滤波，而根据 MAX1240 的 A/D 转换器的输入参考电压范围为 3.3V，HK2000B 型压电脉搏传感器所采集集 到的信号幅值 0.6V，所以增益应该在 20 内可调。则主放大电路的增益设置为 20/2=10 倍。主放大电路电路图如图 3-15 所示。 图 3-15 主放大电路 在图 3-9 中，第一个运算放大器组成了电压跟随器，其显著的特点是：输入阻 抗高，输出阻抗低，一般来说，输入阻抗达到几兆欧姆，输出阻抗通常可以达到几 欧姆，有时甚至更低，主要用于增加输入阻抗和降低输出阻抗的电路中。第二个运 算放大器主要用来实现同向放大的功能。其放大的倍数由 RP2 和 R15 共同决定。其 增益在 10 倍以内可调。 （3-25） = 1 + 2 15 主放大电路的仿真 1.频域仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 101MHz，带阻频带的仿真见图 3-16。由图可知，其截止频率 为 100KHz。 烟台大学毕业论文（设计） 19 2.放大倍数仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为10mV，频率为 10Hz，其仿真结果见图 3-17，其放大倍数为 10 倍。 图 3-16 主放大电路频域仿真 图 3-17 主放大电路瞬态仿真 3.93.9 电压提升电路设计电压提升电路设计 经过前面的电路，已经得到一个比较纯净的脉搏信号，但是脉搏信号有存在小 于零的部分，而 A/D 转换器 MAX1240 定义的最低转换极限为 0V，为了保证 A/D 转换时不出现负峰失真，必须将滤波后的心电信号通过一个电压提升电路，使得心 电信号的电平值都为正值。电压提升电路其实就是加法器电路。 3.9.13.9.1 TL431TL431 简介简介 TL431 是一个热稳定性能良好的的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用 两个电阻就可以设置输出到从 VREF (2.5V) 到 36V 范围内的任何电压值。该元件的 典型动态阻抗为 0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，常常应用于 数字电压表，运放电路、可调压电源、电压提升电路，开关电源中。 特点： 1)可编程输出电压为 36V 2)电压参考误差：0.4 ，典型值为 25（TL431B） 3)低动态输出阻抗，典型 0.22 4)负载电流能力 1.0mA to 100mA 5)等效全范围温度系数 50 ppm/典型 6)温度补偿操作全额定工作温度范围 7)低输出噪声电压 3.9.23.9.2 加法器电路加法器电路 加法器电路结构如图 3-18 所示。为保证 TL431 正常工作，应选择合适的电阻值 以保证阴极电流在 1100mA。TL431 和电位器 RP3提供 02.5V 可调电压，从而 保证输出电压全都为正值。其输出为: （3-26） 0= 2（1+ 2） 图 3-18 加法器 加法器电路仿真 1.频域仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 10-100Hz，带阻频带的仿真见图 3-19。其上限截止频率为 225KHz。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 烟台大学毕业论文（设计） 21 的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅 值为5V，频率为 10Hz，其仿真结果见图 3-20。 图 3-19 加法器频域仿真 图 3-20 加法器瞬态仿真 3.103.10 综合电路的仿真综合电路的仿真 3.10.13.10.1 通频带仿真通频带仿真 完整信号调理电路见附录一，在带阻滤波器的输入端输入幅值为1V，频率为 10Hz 的正弦交流信号，Proteus 的仿真参数设置为 10-100Hz，带阻频带的仿真见图 3-21。 3.10.23.10.2 瞬态仿真瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形 的失真情况。输入幅值为 0.2V，频率为 10Hz，正弦交流信号，其仿真结果见图 3- 22。 图 3-21 综合频域仿真 图 3-22 综合瞬态仿真 3.113.11 HK-2000B+脉搏传感器模块脉搏传感器模块 HK-2000B+ 脉搏传感器是在 HK-2000B 脉搏传感器的基础上改进的产品。传 感器探 头直径做到 15mm，电路部分外设。该电路集成了信号放大、信号调理、幅 度调整、基线调整等电路。输出可直接接到 A/D 转换电路。因其价格便宜，精确度 高，本次设计的信号采集与信号调理部分直接用起来代替，这样可大大降低电路的 复杂程度，节约成本。其实物见图 3-23，技术参数见表 3-2 所示。 管脚定义如下： 1 信号输出 2 幅度调整 3 空 烟台大学毕业论文（设计） 23 4 正电源 5 信号输入 6 基线调整 7 电源地 8 空 表 3-2 HK-2000B+脉搏传感器技术参数 项目最小值推荐值最大值单位 工作电压33.3VDC 工作电流5001500A 输出幅度0.23V 工作温度060 外形尺寸： 长 25mm 宽15mm 高10mm HK-2000B+脉搏传感器应用电路见图 3-25。 图 3-23 HK-2000B+ 脉搏传感器实物图 图 3-24 HK-2000B+脉搏传感器应用电路 烟台大学毕业论文（设计） 25 第四章 数据采集与传输电路的设计 4.14.1 单片机的选择单片机的选择 本设计中单片机及其外部电路部分主要完成信号的 A/D 转换及与上位机的串口 通信，因此对单片机的要求比较低。STC89C52RC 是一个高可靠、超低价、低功耗、 无法解密高性能 8 位单片机。完全能满足脉搏信号采集系统的要求。 单片机是一种具有体积小、价格低廉、可靠性高和使用方便灵活特点的高集成 电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把能够进行数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、I/O 口和中断系统、定时器/计时器 （可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路） 等功能电路集成到一块芯片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制 领域的广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 32 位 300M 的高速单片机。其最典型的 51 系列的单片机内部结构如图 4-1 所示。 图 4-1 51 系列的单片机内部结构 4.1.14.1.1 STC89C51RC/RD+STC89C51RC/RD+ 系列单片机简介系列单片机简介 STC89C51RC/RD+ 系列单片机是兼容 8051 内核的单片机，是高速/ 低功耗的 新一代 8051 单片机，12 时钟/ 机器周期和 6 时钟/ 机器周期可反复设置，最新的 D 版本内部集成 MAX810 专用复位电路。其特点如下： 1. 增强型 6 时钟/ 机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051 CPU。 2. 工作电压：5.5V 3.4V（5V 单片机） / 3.8V 2.0V（3V 单片机） 。 3. 工作频率范围：0 40 MHz，相当于普通 8051 的 080MHz.实际工作频 率可达 48MHz。 4. 用户应用程序空间 4K / 8K / 15K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节。 5. 片上集成 512 字节 / 1280 字节 RAM。 6. 通用 I/O 口（32/36 个） ，复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/ 弱上拉 （普通 8051 传统 I/O 口） ，P0 口是开漏输出，用作总线扩展，不需要加上 拉电阻，作为 I/O 口用时应当添加上拉电阻。 7. I S P （在系统可编程）/ I A P （在应用可编程） ，可采用通用的编程器，通 过串口（P3.0/P3.1）来下载用户程序。 8. EEPROM 功能。 9. 看门狗。 10. D 版本才有内部集成 MA X 8 1 0 专用复位电路，外部晶体 2 0 MHz 以下时， 可不用外部复位电路。 11.共 3 有个 16 位定时器/ 计数器。 12. 2 路外部中断,下降沿中断和低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中 断或者低电平触发中断方式唤醒。 13. 通用异步串行口(UART)。 14.工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85。 15.封装： PDIP40，PLCC44,PQFP44。 管脚见图 4-2,结构框图如图 4-3 所示。 烟台大学毕业论文（设计） 27 图 4-2 DIP40 管脚 图 4-3 结构框图 4.1.24.1.2 STC89C52RCSTC89C52RC 单片机最小系统单片机最小系统 单片机最下系统主要由内部时钟电路和上电复位电路组成。单片机内部有一个 用于构成振荡器的到增益反相放大器，引脚 XTAL1 为输入端，XTAL2 为输出端。 在两个引脚间跨接晶体振荡器与微调电容组成并联谐振回路，构成一个自己振荡器 为内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器频率主要取决于晶振频率。本设计希望单片 机产生的波特率为 9600，所以选 11.0592MHz 的晶振作为单片机的晶振,电容 C1、C2 取 30Pf。上电复位电路有电容 C 和电阻构成，上电后由于电容充电，使 RST 持续一段时间的高电平，完成复位操作通常 C=10 30uF,R=1001000。 4.24.2 数据采集系统数据采集系统 本设计采用的数据采集时基于 MAX1240 模数转换器的数据转换模块，经过信 号调理模块后的脉搏信号在经过 MAX1240 后将转换，将输入的模拟电压值转化成 12 位的数字值输入到单片机中，单片机再将此数据处理成 2 个字节，低字节为第 8 位数据。转换完成后，DOUT 端输出高电平，通知单片机转换已完成，单片机再连 续发送 13 个脉冲到 SCLK，完成一个转换值的采集。 4.2.14.2.1 MAX1240MAX1240 A/DA/D 转换器的原理与应用转换器的原理与应用 MAX1240 是 MAXIM 公司新近推出的一种串行 A/D 转换器，具有低功耗、高 精度、高速度、体积小、接口简单等优点。 MAX1240 是一种单通道 12 位逐次逼近型串行 A/D 转换器具有普通方式和待 机方式两种工作模式为减少系统功耗提供了方便；参考电源既可使用片内+2.5 V 参考电压，也可由外部管脚提供，其范围为 10VDD ；模拟输入信号为单极性 输入，其范围为 0 VREF ；三线串行外设接口兼容于 SPI、QSPI 和 MICROWIRETM，可与标准微处理器 I/O 口直接相连。 1 MAX1240 功能特点 (1)2736 V 单电源供电； (2)12 位分辨率； (3)内部提供 25V 参考电源； (4)8 脚 DIP/SO 封装； (5)低功耗：37mW(73 KSPS)， 5uW(待机工作方式)； (6)内部提供采样/保持电路； (7)兼容于 SPI/QSPI/MICROWIBE 串行三线外设接口； (8)内部提供转换时钟。 2 MAX1240 工作过程 MAX1240 引脚分布如图 4-4 所示，其功能如表 4-1 所示。 图 4-4 MAX1240 引脚分布 表 4-1 MAX1240 引脚功能 管脚名管脚功能管脚名管脚功能 电源输入 （2.73.6V） GND数字和模拟地 模拟信号输入（0 ） DOUT串行数据输出端 SHDN工作方式控制CS片选输入 烟台大学毕业论文（设计） 29 REF外部参考电压输入， SHDN=0 时有效 SCLK串行时钟输入， 其频率可达 2.1MHz 工作方式控制 (1)SHDN=0，MAX1240 待机模式仅需提供 15uA 电流。 (2)SHDN= 1，MAXI240 工作在普通工作方式，使用内部参考电源。 (3)SHDN 悬空MAXI240 内部参考电源失效，允许在 REF 管脚接入外部参考 电源其允许输入电压范围为 1.0VDD。 图 4-5 所示是 MAX1240 最传统的外围配置电路。其中，1 脚为电源输入端，输 入电压为 2.73.6V。2 脚是为模拟信号输入端，输入电压范围是 0VVREF，可以 在 9 us 内实现将输入的模拟信号转换成为数字信号。3 脚是关断控制输入端，通过 其可实现两种工作模式的切换，即 3 脚外接低电平，芯片工作于关断模式，输入电 流可减少至 10uA 以下，处于节能状态；如果外接高电平，芯片工作于标准工作模 式 ，可实现模/数转换。管脚 4 是内置基准电压，需外接 4.7uF 的电容，芯片具有 内置基准电压，基准值是 2.5V。5 脚是接地端，根据前面介绍的的工作方式控制方 法，让 SHDN 悬空，此时，即可在 REF 引脚输人参考电压，其范围为 10VDD。VREF 引脚外接电解电容需要取合适的值，因为电容越大，MAX1240 从待机工作模式转换到到正常工作模式需要的时间越长。管脚 6 是数据输出端，当 其由 0 翻转为高电平时，表示数据转换已经完成，可以读数据了。7 脚是片选端， 低电平有效。管脚 8 是外部读数时钟脉冲输入端，最高频率可达 2.1MHZ，当数据 转换完成，输入外部读数时钟在每个度数时钟脉冲的上升沿读出一位数据，数据读 出的顺序是由高位到低位，MAX1240 是 12 位 A/D 转换器，所以要完整的读出转换 数据，至少需要外部输出 13 个脉冲。 图 4-5 外围配置电路 MAX1240 的工作过程 MAX1240 内结构框图如图 4-6 所示其工作时序如图 4-7 所示,结合图 4-6 与如 图 4-7，MAX1240 的工作过程分下如下： 图 4-6 MAX1240 内结构 图 4-7 MAX124 工作时序 图 4-8 十三和十六数据存放格式 (1)保持 SCLK 为 0，使 CS=0。MAX1240 的采样保持器开始工作，然后进行 A/D 转换操作；转换期间，必须保持 SCLK=0)；在数据输出结束前，应保 CS=0， 烟台大学毕业论文（设计） 31 否则，输出结果为无效数据。 (2)等待 TCONV 时间约 7.5uS ，转换结束，输出端 DOUT由低电平翻转为高电平； 然后，通过 SCLK 输入的时序脉冲控制下将数据从 D0UT端输出。 (3)通过 DOUT 端口串行输出 l2 位数据，在 12 个 SCLK 时钟脉冲作用下，将 l2 位转换结果以高位在先低位在后的形式从 DOUT 端输出，SCLK 的最高频率可高达 2.1 MHz。其中，在 SCLK 的下降沿到来时把数据输出到 DOUT 端。在 SCLK 的上 升沿时把 DOUT端的数据读人 CPU（单片机内存中） 。数据存储用移位的方式将串行 数据按字节存放于 CPU 内部寄存器内，其中第 l8 个 SCLK 的数据存放于高位字 节 MSB 中，第 9l2 或第 916 个 SCLK 的数据存放于低位字节 LSB 中。 (4)连续 l3 个(含转换期内 1 个及后续 l2 个移位 SCLK 脉冲)SCLK 周期后，使 CS=l，DOUT 变为低电平，完成一个完整的数据转换与传输周期。假如 l3 个 SCLK 脉冲后。CS 仍为低电平，SCLK 仍在输入时钟脉冲，此时，DOUT 端输出为 0，附 在 LSB 之后，成为无效数据位；建议一个周期内，SCLK 的个数不超过 l7 个，使转 换结果存放在 2 个字节的存储器内其数据格式如图 4-8 所示。 (5)两个操作周期间应保持一个最小的时间间隔 TCS约为 0.24uS ，以便让 A/D 转换器有足够的时间初始化。转换过程中，若因 CS=1 使转换进程被中止，则最少 要等待一个采样时间 ，用以更新采样电压值，以保证采样电压的实时性与准确性。 一个完整的采样周期所需要的时间大约是 13.7uS。 4.2.24.2.2 MAX1240 与单片机的连接与单片机的连接 MAX1240 与单片机的连接如图 4-9 所示，其中 SCLK 的脉冲由单片机 P1.0 口 供给，片选输入端 CS 接单片机的 P1.1 口，数据输出口则接单片机 P1.2 数据采集通 过硬件与软件共同来完成。 图 4-9 MAX1240 与单片机的连接 4.34.3 串行通信串行通信 随着信息技术的飞速发展和科技进步，在许多现代化集中管理的控制系统中， 需要对现场数据进行统计、采集、分析等，同时又要对现场设备进行实时控制，完 成各种操作。因为单片机具有体积小、价格低廉、适应性强的特点，所以单片机作 为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用。一般在工业控制系 统中，各种数据的采集和执行机构的控制都是由单片机来完成。但是单片机的计算 能力有限，难以进行复杂的数据处理。在功能比较复杂的自动控制系统中。因此工 业控制中通常以工控机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对 设备的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制。由此必然会 出现单片机与上位机之间的数据传送问题，即我们所说的通信。 常用的通信方式有：并行通信、串行通信、以太网通信及现场总线通信等。由 于串行通信具有结构简单、使用的信号线较少、成本低廉等优点，所以是是工业现 场测控网络中最简单、使用最广泛的一种通信方式。 4.3.14.3.1 串行通信的简介串行通信的简介 串行通信的线路简单，设计成本较低，在速度要求不高的近距离数据传送中应 用比较广泛。串行通信可分为异步传送和同步传送两种基本形式。异步传送特点是 数据在线路上传送不连续，但通信双方必须在事先约定好的字符格式和波特率。同 步传送的速度明显高于异步传送，但硬件比较复杂，而且对同步时钟信号的相位一 致性要求非常严格。本设计运用的是异步通信中。 异步方式通信 ASYNC（Asynchronous Data Communication）,又称起止式异步 通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。它是以字符为单位进行传输的， 字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。接 收、发送双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有 效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束 时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。在异步通信中有两个比较重要的 指标：字符帧格式和波特率。 异步串行通信时的字符帧格式见图 4-10。 烟台大学毕业论文（设计） 33 图 4-10 异步串行通信字符帧格式 对异步串行通信时的字符帧格式的说明： (1) 起始位：开始一个字符传送标志位。逻辑低电平有效，其持续时间以系统 设置不同而不同。 (2) 数据位：起始为之后的传送数据信号位。在数据中，低位在前，高位在后。 (3) 奇偶位：奇偶校验位仅占一位，用于对字符串送作正确性检查啊，有三种 可能，即奇校验、偶校验和无校验。 (4) 停止位：标志着传送一个字符的结束，逻辑高电平有效，可以是 1、1.5 或 2 位数据宽度。 (5) 空闲位：空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上为逻辑高电平。空闲 位可以没有，此时异步传送的效率为最高。 串行通信的数据传输率 数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用比特率和波特率来表示。 (1) 数据传输率：数据传输率是指每秒传输的二进制位数，用 bps（bit/s)表示。 (2) 波特率：波特率是指单位传时间内线路的变换次数，基波传输时数据传输 率等于波特率。数字电路中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代表逻辑“1” 和逻辑“0” ，所以每个符号所含的信息量恰好为 1 比特，因此在计算机通信中，常将 比特率称为波特率，即：1 波特（B）= 1 比特（bit）= 1 位/秒（1bps）计算机中常 用的波特率是： 110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可达 56Kbps (3) 位时间 Td 位时间是指传送一个二进制位所需时间，用 Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B 例如：B=110 波特/秒 ， 则 Td = 1/110 0.0091ms。 异步串行通信的信号形式 单片机的异步串行通