毕业设计（论文）-基于USB接口的脉搏检测仪的设计.doc

本科学生毕业设计基于USB接口的脉搏检测仪的设计 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 吴东艳 职 称： 讲 师 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Pluse Detecting Instrument Based on USB InterfaceCandidate：Specialty： Measurement-Control Technology and InstrumentationClass：Supervisor：Lecturer. Wu DongyanHeilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要脉诊是中华医学的重要组成部分，也是中医临床上诊断病症的重要手段之一，中医脉学的许多推理虽然也有其合理的一面，但是毕竟只是一种主观的触觉，缺乏客观性和科学性。因此实现脉诊科学化是继承开拓中医脉学的重要途径。本设计制作了一种基于USB接口的脉搏检测仪，该检测仪由硬件和软件两部分组成，硬件电路包括数据采集电路、放大滤波电路、控制电路及电源电路。其中数据采集部分采用的是光电脉搏传感器；放大电路采用了AD620；滤波电路由二阶有源低通滤波器构成；控制电路选用了带USB控制器、内部时钟源、具有标准 CIP51内核的微控制器 C8051F320。软件包括固件程序设计、USB 设备驱动程序设计、数据采集程序设计等三部分，其中固件程序、主机驱动程序由C语言编写，数据采集程序由 VB6.0 语言编写。该仪器同时具有使用、携带方便等优点。关键词：脉搏；光电传感器；低通滤波；C8051F320；USB接口 ABSTRACTPulsology is an important component of Chinese medicine, mine while, it is oneof the important means in clinical diagnosis of the disease either, although many Chinese pulsology reasoning has a reasonable side, after all, it is just a subjective sensations and is lack of objective and scientific. Therefore, to inherit and pioneering Chinese Pulsology, realizing the scientific of Pulsology is very important.The pulse test instrument based on USB interface is designed and it can measure a persons pulse online, the hardware and the software are made of it. The hardware includes the data collecting circuit, the amplifying and filtering circuit, the controlling circuit and the power circuit .The data collecting circuit is photosensor, the large filter circuit is AD620 as amplifiers. In the part of signal filtering, we design the active second-order low-pass filter circuit .The controlling circuit is a microprocessor of C8051F320 with USB controller, inner clock source. The software includes the firmware program, USB drivers program, data collecting program and the baseline drift correcting program. Firmware Program is complied with C language, the Data managing program is complied with Visual Basic 6.0. It can work well .It has the advantages of high accuracy, low price ,and is convenient to carry and use.Key words: Pulse ;Photosensor ;Low pass filtering ;C8051F320 ; USB interfaceII目 录摘 要IAbstractII第1章 引 言11.1 概述11.2 脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势21.3 设计的研究内容和拟达到的结果31.3.1 设计的研究内容31.3.2 拟达到的结果3第2章 方案选择与论证42.1 总体方案的比较与论证42.2 电压信号放大电路模块的选择52.3 传感器的选择52.4 串行通信的选择52.5 本章小结6第3章 系统硬件设计73.1 传感器电路设计73.1.1 传感器的定义与组成73.1.2 光电容积式脉搏传感器的原理73.1.3 光电传感器电路设计83.1.4 光电式脉搏传感器的实验测量和噪声分析83.2 放大滤波电路设计93.2.1 放大电路的设计93.2.2 低通滤波电路设计113.3 USB总线简介113.4 MCU及外围电路设计133.4.1 C8051F320介绍133.4.2 USB寄存器访问173.4.3 USB时钟配置193.4.4 MCU外围电路设计193.5 本章小结21第4章 系统软件设计224.1 MCU固件程序设计224.2 数据采集程序设计2442.1 Visual Basic 6.0 简介244.2.2 数据采集系统254.4 本章小结25结束语27参考文献28致 谢30附 录31附录A系统总体硬件原理图31附录B1数据采集系统程序代码33附录B2单片机程序代码38第1章 引 言1.1 概述中医仅用三个手指切取腕部的脉搏信息，根据脉学理论即可诊断人体的疾病。但是中医切脉带有个人主观臆断的因素。随着科学技术的发展，脉诊的客观化、定量化、智能化与数字化的已成为中医诊断的必然趋势1。中医诊断依赖于对病人脉象信息的测试与分析，而脉诊客观化的最基本的是研制高性能的脉搏传感器，取代人手指靠触压觉对脉搏信号检测。采用传感器检测脉搏信息，利用计算机技术、现代信号处理技术、人工智能技术，可较客观地记录出脉搏波，有利于存储，对脉搏信息进行分析、识别2。脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论治”的基本精神的体现和应用，亦是中医理论体系不可缺少的组成部分。脉搏在生物医学测量中是一种常用而重要的指标，也是人体重要的动力学信号之一，它能反映人体心脏器官和血液循环系统的生理变化，在临床健康观察和疾病诊断中十分重要。脉搏检测手段的发展大体分两个阶段：传统的中医诊脉和现代客观化诊脉。中医手指切脉依靠指端触觉、压觉、振动觉感受器感受脉象信息，是在手指对挠动脉管施加不同干扰力的条件下进行的。即在医生手指对挠动脉管施加压力下，细心地体会脉搏特征并将手指下的综合感觉称为脉象。这种切脉过程可以归纳为两个明显的特征：一是医生指面要对脉管施加一个大小不同的静压力；二是医生指而又同时感受到反映脉搏特点的微细反搏力。由于传统的中医诊脉容易受到人为等多方面因素的干扰，使其缺乏客观性。在西方医学随工业革命发展而医疗技术飞速进步的形势下，中国脉学不论在理论上或是方法上都较少有新的突破，而且脉学理论深奥，方法陈旧，使脉诊的临床应用受到很大的限制。中医脉学的许多推理和经验虽有其合理和实用的一面，但往往给人以玄妙莫测的印象，长期以来影响着脉学的传授和发展。因此实现脉诊客观化是继承、开拓中医脉学的重要途径3。在中医国际化高速发展的今天，中医数字化和标准化研究日益深入，利用现代计算机技术进行中医辅助诊疗的系统应运而生。基于 USB 技术的脉搏数据采集系统从中医的脉诊数字化入手，采集并重现中医的脉图，可为中医师临床工作带来极大的方便。USB是一种标准的PC外设接口，经过近十年的发展， USB技术在PC领域以及消费电子产品市场领域日益占据了统治地位；另一方面，USB还正成为多种新型应用的通用连接标准，包括数据采集、测量测试以及POS产品等场合。基于以上思想，设计基于USB接口的脉搏测量仪，它可以短时间内测得人体脉搏次数，并能实时显示脉搏跳动波形为心血管疾病的诊断提供有效的基础数据4。1.2 脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势脉搏传感器检测的信号要通过串行通讯的方式传输给微处理器。串行通讯是把主系统与子系统（或系统与系统、或子系统与子系统）输入输出通道的发送与接收端连接在一起作为信息交流的公共通道，以达到相互之间通讯的目的。利用这种方法可以节省通讯时间，提高信息交换速度，减少相互间连线，从而有效提高系统的可靠性和降低系统成本。因此，在数据采集、数据通信、计算机网络、分布式工业控制系统以及武备系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息5。目前常用的串行总线接口标准主要有RS232、RS422、RS423、RS485和USB等。RS232总线是 PC机早期采用的通用串行总线, 至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。通用串行总线（U-niversal Serial Bus）与以往的传统方式相比具有传输速度快、支持即插即用、功耗低等优点，已成为新型数据通信接口的首选，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、A-DSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。目前主流的计算机均配备有R-S232和USB两种串行接口，而早期的计算机主板只支持RS232串行接口，当今则以USB接口为通用外设接口的趋势6。近年来日本、美国等国家的医生、学者在医学研究、针灸研究中设计了一些脉象客观描记仪器或装置。这些仪器的主要功能是描记脉象波形，是用作临床观察脉象变化的工具。但是这些仪器装置大多数没有形成产品，也没有见到广泛临床应用的报道。其中比较有代表性的仪器有美国医学博士Jhon.H.laub研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪，日本的田口贤辉发明的一种“压力、脉搏测定装置”、日本的代用文彦设计了一种“局部加压型可偿还脉装置”、日本Cofnia公司研制的一种CBM3000/2000型挠动脉脉波检测仪以及日本Sony公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为脉波传感元件的脉波检测仪7。虽然国内外在提取脉搏图像方面已经开展了大量的工作，先后研制了不同种类的传感器及测量设备获得脉搏波形，但从研制情况看，大部分传感器不能模拟中医切脉诊法来检测脉搏信号，适用性不够好。例如80年代研制的液态传感器利用将单位长度管段动脉内血液休积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测最脉搏波的。这种传感器虽然有较高的灵敏度，但出于液态传感器本身结构特点的限制使测量过程并不十分方便。所以人体脉搏信号采集装置的研究仍有其可行性和必要8。1.3 设计的研究内容和拟达到的结果1.3.1 设计的研究内容包括传感器的选用，传感器驱动电路的设计、调理电路的设计、光电隔离电路设计、单片机最小系统设计、USB接口设计、人机接口的设计等。1.3.2 拟达到的结果技术指标脉搏信号属于低频、微弱信号，而且干扰较大。设计基于USB接口的脉搏检测仪要具有检测人体脉搏且通过数据传输、处理最终显示结果的能力。1）对脉搏传感器输出的信号进行放大。2）把经过放大后的脉搏信号进行二阶低通滤波为后续的信号处理做准备。3）实现电路板与计算机之间的通信功能。4）在PC机上实现脉搏信号的还原、实时显示及信号处理。第2章 方案选择与论证2.1 总体方案的比较与论证方案一：系统结构框图如图2.1所示。图2.1 光电型倍频法测脉搏系统框图方案二：系统的结构图如图2.2所示。图2.2 基于USB接口的脉搏检测仪系统框图方案比较：方案一利用光电传感器检测脉搏信号，经放大整形后，输出脉搏脉冲信号，在将其输入计数器之前，首先利用锁相环倍频器作100倍频的处理，计数器对其进行测量，设置闸门脉宽为0.6s，即能显示出脉搏跳动次数N次/min。但由于放大整形后的脉搏脉冲信号本身并非完全呈周期性，而倍频器的倍频需要一定的稳定时间，影响了系统的测量精度。 方案二中的传感器检测到的脉搏信号先进行初级放大然后进入低通滤波器进行滤波处理，再经过次级放大放大信号，进入比较器进行波形变换得到脉冲信号， 送入单片机并测频计算1min脉搏跳动的次数，由上位机显示。与方案一相比，方案二中系统的测频利用软件计时法完成，同时可以利用软件进行精度的调整，节省了资源。2.2 电压信号放大电路模块的选择方案一：OP07是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大电路，具有非常低的输入失调电压，无需额外的调零措施，超低偏移，低输入偏置电流稳定性好，这种低失调高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号方面，OP07信号放大器如图2.3所示9。图2.3 OP07信号放大器功能框图方案二：采用由传统的三运算放大器发展而成的集成运放芯片AD620, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽（2. 3 18 V ） , 设计体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅1. 3 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。对电压信号进行放大处理，根据系统的需要可以选择不同的阻值就可以产生不同的放大倍数。使之成为适合A/D转换的（010V）的模拟电压信号。方案比较：虽然方案一的运放在各个方面都有出色的表现和明显的优势，但是从本设计应用的角度来考虑，其工作环境以及其它方面要求的条件，AD620完全可以胜任，其中最为关键的是AD620价格低廉、通用性好，而OP07单片价格昂贵、成本高，从成本上考虑本设计，选择通用性更好、价格更低的AD620。2.3 传感器的选择各种传感器，由于原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同。但是有些一般要求，却基本上是共同的，包括：可靠性、静态精度、动态性能、量程、抗干扰能力、分辨力、灵敏度、成本、能耗、对被测对象的影响等。传感器是通过检测功能来达到各种技术指标的目的，很多传感器要在动态条件下工作，精度不够、动态性能不好或出现故障，整个工作就无法进行。在某些系统中或设备上往往装上许多传感器，若有一个传感器失灵，会影响全局。所以传感器的工作可靠性、静态精度和动态性能是最基本的要求。目前我们常见的脉搏采集方法有：压力传感器法、超声脉图法、光电容积法、电容传感器法、电声传感器法等10。 以上这些方法中，超声脉图法和光电传感器法在目前临床应用中比较普遍。而电容、电声和压力传感器法多用于无创血压测量中的脉搏测量，本文采用光电容积法实现对脉搏信号的采集。2.4 串行通信的选择 串行通讯是把主系统与子系统(或系统与系统、或子系统与子系统)输人输出通道的发送与接收端连接在一起作为信息交流的公共通道，以达到相互之间通讯的目的。利用这种方法可以节省通讯时间，提高信息交换速度，减少相互间连线，从而有效提高系统的可靠性和降低系统成本。因此，在数据采集、数据通信、计算机网络、分布式工业控制系统以及武备系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息11。目前常用的串行总线接口标准主要有RS232、RS422、RS423、RS485和USB等。RS232总线是 PC机早期采用的通用串行总线, 至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。通用串行总线(Universal Serial Bus)与以往的传统方式相比具有传输速度快、支持即插即用、功耗低等优点，已成为新型数据通信接口的首选，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡、ADSL Modem、Cable Modem等，几乎所有的外部设备。目前主流的计算机均配备有RS232和USB两种串行接口，而早期的计算机主板只支持RS232串行接口，当今则以USB接口为通用外设接口的趋势12。2.5 本章小结本章主要从整体上经过对控制功能的实现，硬件电路的设计，各个器件性能的优劣，成本造价的高低等方面的综合考虑，选择出了合理的设计方案。本次设计各器件的选择均满足需求，得到了实用性的最大化。第3章 系统硬件设计3.1 传感器电路设计3.1.1 传感器的定义与组成传感器（Transducer/Sensor）在我国国家标准（GB76651987）中的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如图3.1所示。被测量电量敏感元件转换元件基本转换电路图3.1 传感器组成框图敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：将电路参量接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制13。3.1.2 光电容积式脉搏传感器的原理生理学和解剖学中脉搏没有专门的部位，也没有专门对脉搏的讲解，脉搏是一个非常复杂的过程，它是由心脏收缩和舒张产生的压力，通过容量血管与阻力血管，在动脉内产生的压力变动以及有节律性的冲动形式，它存在于身体的每个部位。通常人们对感触到的体表的反应叫脉搏，它是受心脏、血管、大脑中迷走神经、交感神经、及心脏神经控制的一个非常复杂的过程。就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状动脉弥散至毛细血管，然后从静脉回流14。血液是一种高度不透明的液体。近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。皮肤内的血液容积在心脏作用下呈波动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，而心脏舒张时则外周血容量减小。血容积搏动使组织中血液透光率随之变化，当光源和光敏元件置于被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波15。3.1.3 光电传感器电路设计在本设计中我们采用IR333型红外发射二极管作为光源，BPW83型红外接收二极管作为光电转换器件，两种二极管的峰值波长都在900nm附近，在指夹中，红外发射二极管和红外接收二极管并排摆放。R2选500是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R2过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R2过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号，电容C1起到隔直通交的作用，因为从光电二极管拾取的电压信号是直流和交流叠加的信号。光电传感器电路原理图如图3.2所示。图3.2 光电式传感器电路3.1.4 光电式脉搏传感器的实验测量和噪声分析在测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境的干扰，因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析，从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰，使之能够准确测量到脉搏信号，光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、工频干扰、测量过程运动噪声，下面对上述情况结合仪器软硬件设计做进一步的分析16。在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅有包含脉搏信息的反射光的信号，而且有测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰17。在同时考虑到传感器使用的方便性，本仪器采用特制的指夹封装形式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小背景光的影响。 工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在 0.320Hz 之间，小于工频 50Hz，因此必须通过低通滤波电路滤除工频干扰，这里我们使用二阶低通滤波电路进行滤波处理。 在通常脉搏测量过程中，手指和光电式脉搏传感器可能产生相对运动，会使脉搏测量产生误差，这里我们采用指夹式机械模型，提高其机械抗运动性，使指夹能够更紧的夹在手指上，不易松动来降低运动噪声的干扰。3.2 放大滤波电路设计由光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为微伏量级或毫伏量级，所以首先要对信号进行放大，介于此系统的特点，我们使用了两级放大电路，分别为初级放大和次级放大。在信号采集过程中，工频、人体位移、呼吸作用等都会对原始信号产生干扰，所以必须对信号进行滤波处理。3.2.1 放大电路的设计由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为微伏量级或毫伏量级，所以要求前置级满足下述要求：1、高输入阻抗。光电信号是不稳定的内阻变化的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗，所以要求放大器具有高的输入阻抗。2、低噪声、低漂移。可以减小信号源的影响，增强信号的拾取能力，使输出稳定。AD620 是一种仅需在其引脚跨接一个电阻就能调节放大倍数的低功耗、高精度仪表放大器，其放大倍数调节范围为 1-1000 倍，尽管 AD620由传统的三运放组成，但一些主要性能却优于由三个分立运放构成的仪表放大器。它的电源范围宽(2.3V18V)，体积小,功耗低(最大供电电流仅为 1.3mA)，因而经常使用在低电压、低功耗的应用场合18。AD620 的工作原理是：AD620 是在传统的三运放组合方式的基础上研制的单片仪用放大器。输入三极管 Q1 和 Q2 提供了唯一双极差分输入，因内部的超 处理，它的输入偏移电流比一般情况低 10 倍。通过Q1-A1-R1 环路和 Q2-A2-R2 环路的反馈，保持了 Q1，Q2 集电极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻R 的两端，从输入到 A1/A2 输出的差分放大倍数为 G=（R1+R2）/RG +1，由 A3 组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与 REF 管脚电位有关的单路输出。AD620原理图如图3.3所示。图3.3 AD620原理图AD620封装图如图3.4所示。图3.4 AD620封装引脚图内部增益电阻 R1 和 R2 被精确确定 24.7k ,使得运放增益精确地由确定：G=49.4k /RG +1 或RG =49.4k /(G-1)。由于经光电传感器采集到的信号为毫伏量级，并且在信号的次级放大中还可以设置 2-5 倍的放大倍数，所以在前级放大电路的设计中令放大倍数为 101 倍，经过计算RG =R3=500，交流信号由 2、3 引脚输入经放大后通过低通滤波器进行处理。信号初级放大电路原理图如图3.5所示。图3.5 信号初级放大电路3.2.2 低通滤波电路设计滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。工程上常用它处理信号、传送数据和抑制干扰。有源滤波和无源滤波相比，有源滤波采用了集成运放，集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。通常脉搏信号的频率范围在0.320Hz之间，因此通过低通滤波器可以有效滤除50Hz工频干扰及其他的高频噪声干扰。本文采用二阶有源低通滤波器对经初级放大后的信号进行滤波处理。二阶低通滤波电路图如图3.6所示。图3.6 二阶低通滤波电路3.3 USB总线简介USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。与其它老式PC机接口相比，USB的有如下优点：1、热插拔。用户可以把USB外设连接到一台正在运行的PC机上，操作系统能自动识别，并且用户可以立即使用，而不需要重新启动PC机。用户可以在任何时候断开USB外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏PC机和外设。2、即插即用。USB实现了自动配置，它不需要用户手工配置I/O地址和中断请求。当USB外设接入PC机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。3、共享式接口。USB端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。通过USB集线器，一个USB主控制器上最多可连接127个外设。4、低成本。USB能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂，但是它的组件和电缆并不贵，带有USB接口的外设和具有同样功能的老外设接口相比，所需费用差不多，有时会更少一些。5、性能可靠。USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。6、提供电源。USB电缆向外设提供了一根+5V的电源线，电流的大小取决于集线器，最小为100mA，最大不会超过500mA，用户可以直接使用这个总线电源。另外，USB支持低功耗模式，如果其连续3ms没有总线活动的话，USB就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。7、兼容性。USB规范有良好的向下兼容性，如USB2.0的主控制器就能很好的兼容USBIA的产品，操作系统在检测到全速USB设备接入时，会自动按照12Mb/s的速率进行传输，而其它高速USB设备并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率，它们仍可继续使用480Mb/s的速率进行传输。USB是一种电缆总线，USB的电缆只有四根导线:一对互相绞缠的标准规格线，用于传输差分信号D+和D-，另有一对符合标准的电源线VBUS和GND，用于给设备提供+SV电源。USB连接线具有屏蔽层，以避免外界干扰。一个完整的USB总线系统可以分为三部分：USB总线的主机U（SBHOST）、USB总线的设备（USBDEvICE）以及USB集线器（U-SBHUB）来实现它们之间的互连，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。由主机预定的标准协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设19。主机，也称为根，根结或根Hub，它做在主板上或作为适配卡安装在计算机上，主机包含有主控制器和根集线器（Root Hub），控制着USB总线上的数据和控制信息的流动，每个USB系统只能有一个根集线器，它连接在主控制器上。集线器是USB结构中的特定成分，它提供叫做端口（Port）的点将设备连接到USB总线上，同时检测连接在总线上的设备，并为这些设备提供电源管理，负责总线的故障检测和恢复。集线可为总线提供能源，亦可为自身提供能源（从外部得到电源），自身提供能源的设备可插入总线提供能源的集线器中，但总线提供能源的设备不能插入自身提供能源的集线器或支持超过四个的下游端口中，如总线提供能源设备的需要超过100mA电源时，不能同总线提供电源的集线器连接。功能设备通过端口与总线连接。USB同时可做Hub使用。USB连接了USB设备和USB主机，USB的物理连接是有层次性的星型结构。每个网络集线器是在星型的中心，每条线段是点点连接。从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件。主控制器负责主机和USB设备间数据流的传输。这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据。USBD为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制器根据主机软件提供的参数提供服务20。USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输，等时传输，中断传输及数据块传输。每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质。3.4 MCU及外围电路设计3.4.1 C8051F320介绍美国Cygnal公司是一家专业从事混合信号片上系统单片机设计与制造的半导体公司，它在市场上推出了53个品种的C8051F系列片上系统单片机。C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SOC（System Onchip），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。所有器件都有内置的FLASH存储器和256字节的内部RAM,有些器件还可以访问外部数据存储器（XRAM）。图3.7 C8051F320内USB0控制器原理框图C8051F320是Cygnal C8051F系列单片机中的一款，它除了具备上述强大功能外，它还带有USB控制处理器，完全遵循USB 2.0协议，支持12Mbps的全速传输或1.5Mbps的低速传输，可时钟恢复，不须额外的晶振，其提供端点（Endpoint）数为8个，且每个端点的传输类型、传输方向均可由设计者自由配置。另外，它的内部还集成有1kbyte的USB SRAM和USB收发器21。USB0控制器原理框图如图3.7所示。1、功能部件 （1）模拟外设10位的ADC（1LSB INL）：其最大可编程转换速率可达200ksps；可多达17个外部输入；可编程为单端输入或差分输入；内置一个温度传感器；2个模拟比较器；2.4V的内部电压基准；精确的VDD监视器和欠压检测器。（2）USB功能控制模块满足USB2.0协议；可在全速(12Mbps)或低速(1.5Mbps)下运行；集成有一个时钟恢复源，对于全速或低速传输均可不用外部晶振；支持8个灵活通用的端点；内置一个1k的USB专用缓冲存储器；集成了一个USB接收器，不需要外部电阻。（3）片内调试模块片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试(不需仿真器)；支持端点、单步、观察点、堆栈监视器；可以观察/修改存储器和寄存器；比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更好的性能。（4）工作温度范围：0-70（5）高速8051微控制器内核（6）采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期：速度可达25MIPS(时钟频率为25MHz时)。（7）存储器1280字节的内部数据RAM；16K字节的可以在系统编程的FLASH闪速存储器。（8）数字外设25个字节宽的端点I/O；所有口线均耐5V电压；可同时使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM；带有4个可编程的16位计数器/定时器阵列；带有5个捕捉/比较模块的通用16位计数器/定时器。（9）时钟源内部晶振的精度为0.25，支持所有USB和UART模式；外部晶振器：晶体、RC、C或外部时钟；内置一个针对与USB控制器的片上时钟乘法器。（10）供电电压片上的参考电源校准器支持USB总线电源操作；校准器的Bypass模式支持USB内部电源操作。2、性能特点C805IF320在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。传统的单片机I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能，I/O口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。这种固定方式既占用较多引脚，配置又不够灵活。C8051F320采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。内有输入/输出电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。C8051F320还提供了一个完整而先进的时钟系统。在这个系统中，片内设置有一个可编程的时钟振荡器(无需外部器件)，可提供2、4、8和16MHz时钟的编程设定。外部振荡器可选择4种方式。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。编程选择的时钟输出CYSCLK除供片内使用外，还可从随意选择的I/O端口输出。C8051F320 的 ADC子系统集成了两个 17 通道模拟多路选择器（合称 AMUX0）和一个 200ksps 的 10 位逐次逼近寄存器型 ADC。模拟多路选择器（AMUX0）选择 ADC 的正输入和负输入，P1.0P3.0、片内温度传感器输出和正电源（VDD）中的任何一个都可以被选择为正输入；P1.0P3.0、VREF 和 GND 中的任何一个都可以被选择为负输入。当 GND 被选择为负输入时，ADC工作在单端方式；在所有其它时间，ADC工作在差分方式。ADC的输入通道由寄存器AMX0P 和 AMX0N 选择。C8051F320的电压基准MUX可以被配置为连接到外部电压基准、内部电压基准或电源电压VDD。基准控制寄存器REF0CN中的REFSL位用于选择基准源。选择使用外部或内部基准时，REFSL位应被设置0；选择VDD作为基准，REFSL应被置1。C805IF320在8位单片机中率先配置了标准的EC2接口(IEEE1149.1)，在上位机软件支持下，通过串行的EC2接口直接对产品系统进行仿真调试。C8051F的EC2接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，还为在系统测试提供边界扫描功能。通过边界寄存器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。C805IF320把80C51单一的外部复位发展成多源复位：上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以及零功耗系统设计带来极大的好处。3、引脚及封装C8051F320引脚图如图3.8所示。图3.8 C8051F320引脚图C8051F320封装图如图3.9所示。图3.9 C8051F320封装图VDD数字电源；GND模拟地；BEGIN5V校准器的输入端；/RST/C2CK设备的复位引脚或EC2调试接口的时钟信号；P3.0/C2D端口3.0或EC2调试接口的双向信号引脚；VBUSUSB总线输入脚；D+USB的D+；D-USB的D-；P0.2/XTALl端口0.2或外部晶振输入；P0.3/XTAL2端口0.3或外部晶振输出；P0.6/CNVSTR端口0.6或ADC0外部转换开始输入脚；P0.7/VRFF端口0.7或外部参考电源的输入端或输出端；P0.0，P0.1，P0.4，P0.5，P1.0P1.7,P2.0P2.7均为相应的端口引脚。4、电气特性校准器的输入电压(REGIN引脚)：4.0-5.25V；VDD(电压校准器的输出)：3.0-3.6V(通常取3.3V)；VREG偏流(电压校准器有效时)：70uA；CPU和USB运行时的供给电流：1mA(CPU时钟为24MHz,USB时钟为48MHz时)，或9mA(CPU时钟为12MHz,USB时钟为6MHz时)；内部晶振频率：12.0MHz；USB时钟频率：48.0MHz(全速)，6.0MHz(低速)。3.4.2 USB寄存器访问USB共有 8 个端点管道。控制端点（端点 0）总是作为双向 IN/OUT 端点。其它端点被作为 3对 IN/OUT 端点管道。端点地址如表3.1所示。 表3.1 端点地址端点相应的管道USB 协议地址端点0端点0 输入（IN）0x00 端点0 输出（OUT）0x00端点 1端点 1 输入（IN）0x81 端点 1 输出（OUT）0x01端点 2端点2 输入（IN）0x82端点2 输出（OUT）0x02端点 3端点3 输入（IN）0x83端点3 输出（OUT）0x03USB0控制器寄存器的访问是通过两个特殊功能寄存器来实现的，这两个特殊功能寄存器是：USB0地址寄存器（USB0ADR）和USB0数据寄存器（USB0DAT）。USB0ADR寄存器选择读/写 USB0DAT 寄存器时的目标 USB 寄存器。对端点控制/状态寄存器的访问是通过先写USB寄存器INDEX（用目标端点号）实现的。目标端点号被写入INDEX寄存器后，就可以访问与目标端点对应的控制/状态寄存器。USB0K控制寄存器说明如表3.2所示。表3.2 USB0 控制器寄存器USB寄存器名称USB寄存器地址说 明中断寄存器IN1INT0x02端点0和端点1-3输入中断标志OUT1INT0x04端点1-3输出中断标志CMINT0x06公共USB中断标志IN1IE0x09端点1-3输出中断使能OUT1IE0x0B公共USB中断使能CMIE0x07端点0和端点1-3输入中断使能公共寄存器FADDR0x00功能地址POWER0x01电源管理FRAMEL0x0C帧号低字节FRAMEH0x0D帧号高字节INDEX0x0E端点索引选择CLKREC0x0F时钟恢复控制FIFOn0x20 - 0x23端点0 -3 FIFO索引寄存器E0CSR0x11端点0控制/状态EINCSRL0x11端点输入控制/状态低字节EINCSRH0x12端点输入控制/状态高字节OUTCSRL0x14端点输出控制/状态低字节OUTCSRH0x15端点输出控制/状态高字节E0CNT0x16端点0 FIFO中的接收字节数OUTCNTL0x16端点输出包计数低字节3.4.3 USB时钟配置USB0具有全速和低速USB通信功能。通信速度通过特殊功能寄存器USB0XCN中的SPEED位选择。当USB0工作在低速方式时，USB0时钟必须为6MHz；当USB0工作在高速方式时，USB0时钟必须为48MHz。USB0 时钟通过特殊功能寄存器CLKSEL选择。时钟恢复电路用输入USB数据流调节内部振荡器，这使内部振荡器（和4倍时钟乘法器）能满足USB时钟的精度要求。时钟配置关系如表3.3所示。表3.3 时钟配置关系通信速度USB 时钟4倍时钟乘法器全速4 倍时钟乘法器内部振荡器低速内部振荡器/2N/A3.4.4 MCU外围电路设计MCU外围电路整个电路由两部分组成，分别为信号次级放大电路和电源电路。下面将对各部分电路依次进行说明。1、信号处理电路U3B 为 RC4558 型放大器，CD4052 为 4 路模拟开关，C8051F320的 P25、P24 与 CD4052 的 A、B 引脚相连，C8051F320 通过控制 P25、P24 引脚电平的变换选通 CD4052 的不同通道，从而调节信号的次级放大倍数，以满足实验的要求，CD4052 的 A、B 引脚的电平变换与次级放大倍数的对应关系如表3.4所示。由于脉搏信号为交流信号，这就要求对输入信号进行波形变换，CD4052输出的模拟信号由LT1114、R13、R14、R17、R18组成的电路波形变换，然后经过单片机P10引脚输入，进行时钟计数处理。这里我们设置 P10 、P07 为模拟信号输入端，其中 P07 为参考输入端。表 3.4 引脚选择与放大倍数对应关系引脚B引脚A选通通道放大倍数00Y0201Y1310Y2411Y25次级放大电路原理图如图3.10所示。图3.10 次级放大电路原理图2、电源电路由于该设备采用的是USB总线供电，且电路中的有源器件多是采取双电源供电方式，所以在电路中我们使用了由LM7805和LM7905组合成的提供5V电源电压的电路，其电路连接图如图3.11所示，其中输出的+5V电压通过U