（机械电子工程专业论文）基于msp430数字处理心律计的研究.pdf

浙江l 业大学 学位论文原创性卢明 本人筛重声u 丹：所提交的学位论文是本人在导师的指导f ，独立进行研究1 作所取得的 研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本沦文不包含其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果，也不含为获得浙江1 j 业大学绒其它教育机构的学位证书而使崩过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，。均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名 臌松族 ( 学位论文版权使用授权书 日期母，月，如 本学位论文作者完全_ 解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可 以将本学侮论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，呵以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存垌汇编本导：f t 论文。 木学位沦文属丁 作者签名 导师签名 l 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保岔咣 o ) ，再与另一个设定值( f 1 ) 。 2 高通滤波器。它的频率特性与低通相反，阻带位于低频范围内，带通则由 f l 延伸至无限大。 3 带通滤波器。它的通带限定在两个有限频率f l 与f 2 之间，通带两侧都有 阻带。 4 带阻滤波器。它的阻带限定在两个有限频率f l 与f z 之间，阻带两侧都有 通带。 以上四种滤波器的频谱特性可用图4 - i 来示意。 ( n ) 低通滤被器特性c 带i 谳普特性 ( b j 高通滤被嚣特性 d 】带阻滤波器特性 图4 1 低通，高通，带通，带阻滤波器特性图 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 在脉冲传输系统中( 如脉码调制，数据传输，电视等) ，不仅信号的衰减特性， 而且信号的相位( 或时延) 特性也必须满足一定的条件。在这情况下，滤波器的设 计必须同时考虑衰减和时延的要求。 根据使用的波段和元件的不同，滤波器有很多种类，而且随着技术的发展， 种类还在不断增加。总的说来，滤波器可分为两大类：无源滤波器和有源滤波器。 在无源滤波器中，所使用的是无源元件。它们在个体或组合的情况下。能够 把一种形式的能量变换为另一种形式，并重新变回到原来形式，换言之，它们必 须是谐振性的。例如，在一个l c 谐振电路中，在电容器的电场和电感线因的磁场 之间不断发生着能量的反复交换。因此，如果两个不同的储能装置当互相耦合时， 能够以很小的损耗实现能量的交换，它们就可以被利用为滤波器元件。 在一个谐振体( 振子) 中，用来标志能量交换效率的一个参数为品质因数或q 值。在某一规定条件下，如果有几种元件可供选择，通常就选用q 值较高的那一 种。特别是，当设计一个窄通带的带通滤波器时，尤其要这样考虑。如果这个滤 波器的中心频率为f o 。，带宽为f ，则q 位必须远大于比值f o a f 。 无源滤波器主要包括：l c 滤波器，晶体和陶瓷滤波器，机械滤波器，分布参 数滤波器。 在各种无源滤波元件的q 值可达到数千。由于谐振频率主要决定于各震子的 尺寸、所以具有很好的温度稳定性。当频率增高到1 0 0 0 兆赫以上时，常用传轴线 的q 值将减小到很低数值。为了取得有效的滤波作用，必须采用尺寸较大的元件。 能满足达到要求的元件是波导，它通常具有圆形或者距形的截面，其半径或宽度 大于半波长。由于它具有较大的截面积，而且取消了有耗的中心导体，所以将一 个半波长的波导节的两端短接而构成的腔体是一个极好的振子。在1 0 0 0 兆赫，q 在3 0 0 0 0 左右；在1 0 0 0 0 兆赫，q 只减小到大约7 0 0 0 。这种就是笨重的r c 有源滤 波器。 另一类有源滤波器是数字滤波器。这是一种按数字形式进行运算的滤波器。 它的基本原理是首先利用取样开关和模拟一数字转换器将一个连续性信号转换成 数字信号。在一个数字计算器完成所要求的传输函数运算之后，再通过数字一模 拟转换器和保持电路，使信号形成最后要求的波形。数字滤波器具有较高的准确 性和稳定性。这种滤波器将在后面的单片机中用到。具体介绍看m s p 4 3 0 f 4 4 9 的数 字滤波器中。“3 1 ” 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 4 2 模拟滤波器的设计 在这个设计中主要用到的是有源滤波器( 但是带有部分无源的原理) 如图4 2 带通滤波山双运算集成电路op 2 1 5 构成。op 2 1 5 具有高精度、低偏置、低功耗 等特性，片内集成了两个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路。由于心电信号 频带主要集中在0 0 5 - 1 0 0 hz 左右，频带较宽，为此，采用op2 1 5 的两个运放 分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波“”2 “。其中，u 3 a 、 c5 、c4 、r 7 、r 8 构成高通滤波器，为不损失心电信号的低频成分，其截止频 率设计为： f = l 2 c 4 c5 r8r 71 2= o 03hz ( 4 1 ) u 4 a 、r 9 、r10 ，c 6 、c 7 构成低通滤波器，同样，为不损失其高频成分， 截止频率设计为： f = l 2 c 6 c 7 r 9 r101 2= l30hz( 4 2 ) 图4 屯滤波器电路图 4 3 模拟滤波器的仿真试验 利用仿真工具作有目的的仿真是最简单直接的仿真方法，在本次模拟滤波器 的仿真过程中采用了q u a r t u s i i ，q u a r t u s i i 内部带有仿真器，只要通过建立正确 3 0 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 的v e c t o rw a v e f o r mf i l e ( 向量波形文件) 就可以开始仿真了。图4 3 所示为 q u a r t u s i i 内部仿真器得到的8 阶f i r 的脉冲响应波形。 图4 38 阶f i r 的脉冲响应波形 通过仿真测试对比，经过本设计滤波器滤波之后所采集到的信号，明显地去 除了由红外线发生器产生的高频信号和模拟电路中器件相互影响产生的电路噪声 和人体电极产生的噪声，精确地输出了所需要的波形。具体对比由图4 - 4 、图4 5 、 图4 6 所示。 图4 4 滤波前波形图( 一) 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 连一胤三i - m 5 气剽一r 册。， 倒 i i l ：。j oo ，- _ 淫 i 儿。 i i i ii t i _ i l 。h l i1 l i 删lk i i - ! 霭 - la t ii l h t i 郦 一p 一18i 州。 t ，。 量一一j 一一二；l - h ：。 图4 - 5 滤波前波形图( 二) i 一一p 1 ”一1 f 一- - 一三一_ ，一7 r 一。下一一1 ”。j ； l 情 叁 量!筐 j 1 鲥j ，奠a i ：i ! 建潮p。- | | | i 1。：，。限 黼 ， 7 j 。p l 哥溅黜 。f ili f ；。i 拽 i 矗 i 1 i ： r i i ；一 1 一l l ff 一7 了一h 1 ： ：一卜：丰 上一一l j ，“il 图4 - 6 滤波后波形图 4 4 本章小结 。 滤波电路的作用主要是对输入信号进行处理，通常是希望滤出噪声。经过此 模拟带通滤波后，除去了由红外线发生器产生的高频信号，模拟电路中器件相互 影响产生的电路噪声和人体电极产生的噪声，只剩下5 0 h z 的工频信号干扰，这个 噪声有革片机处理效果好一点所以模拟电路中省去了5 0 h z 陷波电路。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 第五章m s p 4 3 0 单片机 5 1 单片机简介 计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路共四个发 展阶段。微型计算机属于大规模集成电路发展的直接产物，自1 9 7 1 年微机问世以 来，随着大规模集成技术的不断发展，微机开始向两个主要方向发展：一是向高 速、高性能的高档方向发展：二是向稳定可靠、小而廉的单片机方向发展。4 删 所谓单片机，就是把中央处理器c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 、随机存储 器r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 、只读存储器r 伽( r e a do n l ym e m o r y ) 、定时器、 计数器以及i 0 ( i n p u t o u t p u t ) 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路 芯片上的微型计算机。 提起单片机的应用，大家会不约而同的想起它的控制功能。单片机的主要功 能在于实现计算机控制。但计算机的控制应用范围十分广泛，概括的讲可以分为 两个方面： 1 ) 计算机在控制系统中的离线应用。所谓离线应用就是利用计算机实现对控 制系统的分析、设计和仿真建模等工作，也可以把这类应用称之为控制系 统的计算机辅助设计，或简称控制系统的c a d 。 2 ) 计算机控制系统的在线应用。所谓在线应用就是以计算机代替常规的模拟 或数字电路，使计算机成为控制系统的一部分。通常把这种有计算机参加 的控制系统称之为计算机控制系统。 离线控制应用，常使用微型机或小型机实现。而在线控制应用，由于计算机 身处其中，因此对计算机有体积小、功耗低、价格低廉以及控制功能强等要求。 对于这些要求，真可谓是非单片机莫属了。现在单片机的应用日益广泛的深入， 诸如在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面，单片机都 扮演着越来越重要的角色。辫蛐 单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。使用 单片机通过软件方法可以实现许多从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分 的控制功能。此种控制技术称之为微控技术。微控技术是一种全新的概念，是对 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 传统控制技术的革命。 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机， 在1 9 9 6 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手 段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 从1 9 9 6 年推出m s p 4 3 0 系列开始到2 0 0 0 年初，这个阶段首先推出有 3 3 x 、3 2 x 、3 1 x 等几个系列，而后于2 0 0 0 年初又推出了1 i x 、l l x l 系列。 这个系列采用2 0 脚封装，内存容量、片上功能和i o 引脚数比较少，但是价格 比较低廉。这个时期的m s p 4 3 0 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点， 但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬件乘法 器、足够的i 0 引脚等，只有3 3 x 系列才具备。3 3 x 系列价格较高，比较适合 于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，3 3 x 并不一定是最适 合的。而片内高精度a d 转换器又只有3 2 x 系列才有。 随着f l a s h 技术的迅速发展，t i 公司也将这一技术引入m s p 4 3 0 系列中。 在2 0 0 0 年7 月推出f 1 3 x f 1 4 x 系列，在2 0 0 1 年7 月到2 0 0 2 年又相继推出 f 4 1 x 、f 4 3 x 、f 4 4 x 这些全部是f l a s h 型单片机。 f 4 1 x 单片机是目前应用比较广的单片机，它有4 8 个i o 口，9 6 段l c d 驱动。f 4 3 x 、f 4 4 x 系列是在1 3 x 、1 4 x 的基础上，增加了液晶驱动器，将 驱动l c d 的段数由3 3 x 系列的最多1 2 0 段增加到1 6 0 段。并且相应地调整了 显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。 m s p 4 3 0 系列由于具有f l a s h 存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上 都表现出较明显的优点。这是t i 公司推出具有f l a s h 型存储器及j t a g 边界扫 描技术的廉价开发工具m s p - f e t 4 3 0 x l l o ，将国际上先进的j t a g 技术和f l a s h 在线编程技术引入蟋p 4 3 0 。 这种以f l a s h 技术与f e t 开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实 用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。 在2 0 0 3 年中，t i 公司还推出了专门用于电量计量的m s p 4 3 0 f e 4 2 x 和用于 水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的m s p 4 3 0 f w 4 2 x 单片机。我们相信由于 m s p 4 3 0 的开放性的基本架构和新技术的应用，新的m s p 4 3 0 的产品品种必将会不 断出现。啪1 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 5 2m s p 4 3 0 单片机的特点 1 、强大的处理能力4 “1 m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用了精简指令集( r i s c ) 结 构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁 的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可 参加多种运算：还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱 动下指令周期为1 2 5n s 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机能在8 删z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器( 能 实现乘加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 。 m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当 系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s 。 2 、超低功耗 m s p 4 3 0 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活 而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用的是1 8 “3 6 v 电压。因而可使 其在i 艄z 的时钟条件下运行时。芯片的电流会在2 0 0 4 0 0 u h 左右，时钟关断 模式的最低功耗只有0 1 u a 。 其次，独特的时钟系统设计。在m s p 4 3 0 系列中有两个不同的系统时钟系统： 基本时钟系统和锁频环( f l l 和f l l + ) 时钟系统或i ) c o 数字振荡器时钟系统。 有的使用一个晶体振荡器( 3 2 7 6 8 h z ) ，有的使用两个晶体振荡器) 。由系统 时钟系统产生c p u 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打 开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗 有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式( a 1 1 ) 和五种低功耗模式 ( l p m o l p m 4 ) 。在等待方式下耗电为0 7 u a 在节电方式下，最低可达 0 1 u a 。 3 、系统工作稳定 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 上电复位后，首先由d c o c l k 启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始执行， 保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制 位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做c p u 时钟m c l k 时发生故 障，d c o 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复 位。 4 、丰富的片上外围模块 m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门 狗( w d t ) ，模拟比较器a 、定时器a ( t i m e r _ a ) 、定时器b ( t i m e r _ b ) 、 串口0 、1 ( u s a r t o 、1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、l o 位1 2 位a i ) c 、 i2c 总线直接数据存取( d m a ) 、端口0 ( p o ) 、端口1 6 ( p 1 p 6 ) 、 基本定时器( b a s i ct i m e r ) 等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以 使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计 出a d 转换器；1 6 位定时器( t i m e r _ a 和t i m e r _ b ) 具有捕获比较功能， 大量的捕获比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、p 哪等；有的器件更 具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用； 具有较多的i o 端口，最多达6 * 8 条i 0 口线；p o 、p 1 、p 2 端口能够接 收外部上升沿或下降沿的中断输入； 1 2 1 4 位硬件a d 转换器有较高的转换速 率，最高可达2 0 0 k b p s ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达1 6 0 段；实现两路的1 2 位o a 转换；硬件i2c 串行总线接口实现存储器串行扩 展；以及为了增加数据传输速度，雨采用直接数据传输( 9 m a ) 模块。m s p 4 3 0 系 列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 5 、方便高效的开发环境 目前m s p 4 3 0 系列有o p t 型、f l a s h 型和r o m 型三种类型的器件，这些器 件的丌发手段不同。对于o p t 型和r o m 型的器件是使用仿真器开发成功之后在 烧写或掩膜芯片；对于f l a s h 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有 j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采用先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者 调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而 不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和c 语言。 m s p 4 3 0 单片机目前主要以f l a s h 型为主。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 5 3m s p 4 3 0 系列与8 9 05 1 系列的比较 我国的多数读者对8 9 c5 1 系列的单片机是很熟悉的，为了加深对m s p 4 3 0 系 列单片机的认识，我们不妨将两者进行一下比较。 首先，8 9 c5 1 单片机是8 位单片机。其指令是采用的被称为“c i s c ”的 复杂指令集，共具有1 1 1 条指令。而m s p 4 3 0 单片机是1 6 位的单片机，采用了 精简指令集( r i s c ) 结构，只有简洁的2 7 条指令，大量的指令则是模拟指令， 众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期 指令，功能强，运行的速度快嘲。 其次，8 9 c5 1 单片机本身的电源电压是5 伏，有两种低功耗方式：待机方 式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为2 4 m a ，在掉电状态下，其耗电电流仍 为3 m a ；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 v ，但是为了保存内部r 枷 中的数据，还需要提供约5 0 u a 的电流。而m s p 4 3 0 系列单片机在低功耗方面的 优越之处，则是8 9 c5 1 系列不可比拟的。正因为如此，m s p 4 3 0 更适合应用于 使用电池供电的仪器、仪表类产品中。 再者，8 9 c5 1 系列单片机由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本 上都是8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本 身的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。惦p 4 3 0 系列其基本架构是 1 6 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线，在加上本身就 是混合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8 位的功能模块， 还是1 6 位的功能模块，即使扩展模数转换或数模转换这类的功能模块也 是很方便的。这也就是为什么m s p 4 3 0 系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。 最后，就是在开发工具上面。对于8 9 c5 1 来说，由于它是最早进入中国的 单片机，人们对它在熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合 我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于m s p 4 3 0 系列而言，由于引进了f l a s h 型程序存储器和j t a g 技术，不仅使开发工具变得 简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。 5 4m s p 4 3 0 f 4 4 9 本章处理的内容主要是用m s p 4 3 0 f 4 4 9 处理信号中的5 0 h z 的工频干扰和计 数。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 4 4 9 m s p 4 3 0 f 4 4 9 是m s p 4 3 0 f 4 4 x 系列中的一种，也是m s p 4 3 0 中功能最强的一种。 特点： 低工作电压：1 8 3 6 v 。 超低功耗： 活动模式2 8 0 u a i m h z 。2 2 v ； 待电模式1 1 u a ； 掉电模式( r a m 数据保持) 0 1 u a 。 5 种节电模式。 从待机到唤醒的响应时间不超过6 u s 。 1 2 位a d 转换器带有内部参考源，采样保持，自动扫描特性。 1 6 位精简指令结构( r i s c ) ，1 5 0 u s 指令周期。 带有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器有：定时器a 定时器b 。 串行通信可软件选择u a r t s p i 模式。 片内比较器配合其他器件可构成单斜边a d 转换器。 可编程电压检测器。 可在线串行编程，不需要外部编程电压。 驱动液晶能力可达1 6 0 段。 可编程的保险熔丝保护设计代码。 f l a s h 存储多达6 0 k b ，r l i 多达2 k b 。 3 8 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 结构框图： 图5 - 1m s p 4 3 0 f 4 4 x 内部结构图 篡裟 塑垩三些查兰! 竖整堕堡主堂堡丝苎一 一 引脚图： 图5 2m s p 4 3 0 f 4 4 9 外部管脚图 5 5m s p 4 3 0 f 4 4 9 的a d 设计 1 2 位a d 转换器带有内部参考源，采样保持，自动扫描特性，1 l 脚是a i d 转 换器参考源负端内部或者外部，2 ，3 ，4 ，5 是通用数字i o 端口a d 转换器 模拟输入端。6 脚是通用数字i o 端口a d 转换器模拟输入端s v s 输入。7 脚a d 4 0 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 转换器内部参考源的输出正端。9 5 ，9 6 ，9 7 是通用数字u 0 引脚1 2 位a d 转换 器模拟输入通道( 0 2 ) 。 m s p 4 3 0 f 4 4 9 的a d 转换接口电压分为0 1 5 v 和o 2 5 v ，本设计使用o 。2 5 v 接口，为了得到全面正确的采样信号，调整基线电压为1 2 5 v ，而输入的信号电压 在1 v 左右，处理后的信号电压为0 2 5 2 2 5 v 左右。其中i s p 4 3 0 f 4 4 9 的 0 转 换器参考电压不能大于3 6 v ，不能接负，最小不要低于1 4 v ，否则不能保证转换 精度。 图5 3 调理信号电平电路图 如图5 3 所示左边是主放大电路，此时的信号电压大约在一1 v 1 v 左右，不能 满足单片机的a d 接口的要求。不能进行a d 转换。因此，在送入adc 之前还 需进行电平抬升，在图5 3 中，电平抬升部分由u 8 、r 1 2 、r 1 3 、r 1 4 构成。电 压抬升大约l v 多点，能满足m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的p 6 0 a 0 的要求 5 6 数字滤波器 图5 4 是实际测量得到的心电图信号 图5 - 4 正常心律图 4 l 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 从上图可以看出，心电信号清晰稳定，完全可以满足临床监护以及病理分析 的要求。 在上述电路中，想要获得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计很关键，特别 是5 0 h z 的带阻滤波器尤其重要。带阻滤波器的电路比较复杂，特性受外围组容元 件影响较大，因此采用模拟设计往往不太容易获得很好的特性。并且由于使用环 境的差异，例如我国市电是5 0 h z 而许多国家是6 0 h z ，因此导致产品的通用性差。 如果能够采用数字滤波器，不仅稳定性的问题可以迎刃而解，并且对于不同的使 用环境只需要对软件进行修改就可以了，这可以降低硬件设计复杂程度和成本， 还能够提高产品的通用性。 m s p 4 3 0 f 4 4 x 系列单片机，内置了1 6 b i t 乘法器，因此具备了一定的d s p 功能， 可以用来进行数字滤波等运算密集型的应用。我们利用m s p 4 3 0 f 4 4 9 设计了一种单 导联的心电放大器，取得了很好的效果。 这种e c g 放大器的前极放大电路跟前面所述的三导联放大器都由缓冲器、电 阻网络、差分放大以及主放大级等。两级放大均采用低通网络进行了低通滤波， 截止频率选择在8 0 h z 。不同的是，这个电路中省去了5 0 h z 带阻滤波器，这使得电 路中组容元件的数量减少了4 0 ，并且获得了模拟滤波器所无法比拟的优良特性。 该电路中a d c 采样频率为2 0 0 h z 。采用四阶切比雪夫滤波器，通带选择在 4 5 5 5 h z 之间，可以得到传递函数为： h ( z ) = o 8 1 + 1 ，6 2 0 1 z 2 + o 8 1 z 。4 1 + 1 6 8 7 7 z 一2 + 0 7 4 4 4 z 4 对应差分方程为： ( 5 - 1 ) y k ：o 8 1 x k + i 6 2 0 1x k _ 2 - 1 - o 8 1 ) ( k - 4 - 1 6 8 7 7 y k - 2 0 7 4 4 4y ( 5 2 ) 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 上述传递函数的幅频和相频特性如图5 - 5 所示 图5 55 0 h z 数字滤波器软件演示图 由于m s p 4 3 0 f 4 4 9 只能进行定点运算，所以在处理上述查分方程时，必须将其 变换为整数运算。将各部分系数均乘以4 0 9 6 ，取整数部分，运算得到的结果再采 用右位移1 2 位的方法得到最终结果，运算代码如下： y k = ( 3 3 1 8 * x k + 6 6 3 6 x k - 2 + 3 3 1 8 * x k - 4 卜6 9 1 3 * y k - 2 一3 0 4 9 y k - 4 ) 1 2 其中的乘法运算要采用m s p 4 3 0 的硬件乘法器来实现才能保证运算速度。 在系统时钟为8 m h z ，采样频率为2 0 0 h z 条件下，该数字滤波器所得到的结果 如下： 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 图5 - 6 数字滤波器的性能 时间 图5 7 滤波前后的e c g 频谱比较 时间 图5 6 中下半部分是人为加入强烈的5 0 h z 干扰后的心电图。上半部分是经过 m s p 4 3 0 f 4 4 9 进行数字滤波后的心电图，可以看出，滤波的效果非常理想，完全可 以达到临床实用的要求o ”。 图5 7 是处理前和处理后的频谱，可以看出，信号在5 0 h z 的地方被很好地抑止了。 5 7 计数与显示的电路设计 本次设计中记数电路的设计如图5 8 所示 浙江1 = 业大学中职教师硕士学位论文 匦落脚籁腰雅毒善芷d孕ds窆呷n匝 浙江工业大学中职牧师硕士学位论文 p 3 1 s t m 0 0 p 3 2 s o m l 0 p 3 3 u c l k o 是通用数字i o 引脚u s a r t o s p i 模式的传送使能 是通用数字i o 引脚u s a r t o s p i 模式的从入主出 是通用数字i 0 引脚u s a r t o s p i 模式的从出主入 是通用数字i 0 引脚外部时钟输入_ i i s a r t o u a r t 或者s p i 模式， 时钟输入1i s a r t o s p i 模式 是通用数字i o 引脚定时器b 7 c c r 3 ，扑获：c c l 3 a c c l 3 b 输入，比 较：o u t 3 输出 p 3 5 t b 4是通用数字i 0 引脚定时器b 7 c c r 4 ，扑获：c c l 4 a c c l 4 b 输入，比 较：o u t 4 输出 p 3 6 t b 5是通用数字i o 引脚定时器b 7 c c r 5 ，扑获：c c l 5 a c c l 5 b 输入，比 较：o u t 5 输出 p 3 7 t b 6 是通用数字i 0 引脚定时器b 7 c c r 6 ，扑获：c c l 6 a c c l 6 b 输入，比 较：o u t 6 输出 p 4 o u t x d l 通用数字i 0 端n 发送数据输出端1 i s a r t l u s r t 模式 p 4 ，i u t x d i 通用数字i 0 端口发送数据输入端 i s a r t l u s r t 模式 以上端口都是通用数字i 0 端口，可以做单片机的数据输出端口 5 8 本章小结 市场上现有单片机的种类众多且各有各的特点，但是不一定适用在这个产品 设计上，如a t m e l 公司的a v r 单片机是增强型r i s c 内载f l a s h 的单片机，芯 片上的f l a s h 存储器附在用户的产品中，可随时编程、再编程，使用户的产品设 计容易，更新换代方便。a v r 单片机采用增强的r i s c 结构，使其具有高速处理 能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每m h z 可实现1 m i p s 的处理能力 a v r 单片机工作电压为2 7 - 6 0 v ，可以实现耗电最优化。a v r 的单片机广泛应用 于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备 等各个领域。 在本次设计中采用了i d s p 4 3 0 单片机，重点进行了m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的a d 设计。在本次心律计设计中，单片机的设计是一个核心技术，单片机设计的好坏 直接影响了整个心律计设计的精度、运算速度及功耗高低，通过本次设计证实了 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的强大的处理功能、超低的功耗、低廉的价格等优点，体现了 本次设计中m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的使用价值和先进性。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 第六章电源部分设计 6 1 电源简介 大多数的传感器和信号处理都需要使用直流电源。一般以5 v ，1 2 v ，2 4 v 最为 常见，设计电路时一般根据所需要的电压、电流大小，来选择适当的原器件。一 般d c 电路都包含变压器、整流器、稳压i c 、电容、开关、通电指示灯。 6 2 电源供电器的介绍 电源供电器的种类很多。 一般实验室常常使用的是双电源供应器，拥有2 个电源输出，每个电源输出 的最高电压为3 0 v ( 一般的) ，彼此可以相互串、并联。输出电压稳定，效果极佳。 但是价格偏高，携带不方便，安装不美观。 工业上一般低电源使用的是开关电源盒，俗称“铁盒子”，单一电源供电，可 以根据自身的电压所需，挑选购买，电压输出稳定，价格一般在几十元到上千元 间。 开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤 波器、控制电路、保护电路。 它们的功能是： 1 输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生 的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。 2 输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。 3 变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压。并且起 到将输出部分与输入电网隔离的作用。 4 输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压， 同时还防止高频噪声对负载的干扰。 5 控制电路：检测输出直流电压。并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡 器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。 6 保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时。保护电路使开关电源停止 工作以保护负载和电源本身。 鹌 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 开关电源主要有以下特点： i 体积小、重量轻 由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的2 0 3 0 。 2 功耗小、效率高 功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为6 0 7 0 ，而线性电源只有3 0 4 0 。”侧 6 3 输出电压4 1 6 v 开关稳压电源的设计 在本次心律计设计中所采用的电源为输出电压4 1 6 v 开关稳压电源，整个电 源设计采用了半桥电路，所选用开关器件为功率m o s 管，开关工作频率为5 0 k h z ， 具有重量轻、体积小、成本低等特点。“” 6 3 i 主要技术指标 i ) 交流输入电压a c 2 2 0 v 2 0 ； 2 ) 直流输出电压4 1 6 v 可调； 3 ) 输出电流o 4 0 a ； 4 ) 输出电压调整率1 ； 5 ) 纹波电压u pp 一 5 0 m v ； 6 ) 显示与报警具有电流电压显示功能及故障告警指示。 6 3 2 基本工作原理及原理框图 该电源的原理框图如图6 1 所示。 2 2 0 v 交流电压经过e m i 滤波及整流滤波后，得到约3 0 0 v 的直流电压加到半桥 变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率m o s 管，通过功率变 压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到稳 定的直流输出电压。 图6 一i 整体电源的工作框图 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 6 3 ，3 各主要功能描述 6 3 3 1 交流e m i 滤波及整流滤波电路侧 交流e m i 滤波及整流滤波电路如图6 - - 2 所示。 图6 2 交流e m i 滤波及输入整流滤波电路 电子设备的电源线是电磁干扰( e m i ) 出入电子设备的一个重要途径，在设备 电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤 波器由带有i e c 插头电网滤波器和p c b 电源滤波器组成。i e c 插头电网滤波器主要 是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。p c b 电源滤波器主要是抑制功率开关转换时 产生的高频噪声。交流输入2 2 0 v 时，整流采用桥式整流电路。如果将j t i 跳线 短连时，则适用于l l o y 交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在 接通电网瞬l 日j 会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。 这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功 率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻r l 和继 电器k l 组成的输入软启动电路。 6 ，3 3 2 半桥式功率变换器 该电源采用半桥式变换电路，如图6 5 所示，其工作频率5 0 k h z ，在初级一 侧的主要部分是q 4 和q 5 功率管及c 3 4 和c 3 5 电容器。q 4 和q 5 交替导通、截止， 在高频变压器初级绕组n 1 两端产生一幅值为u 1 2 的正负方波脉冲电压。能量通 过变压嚣传递到输出端，q 4 和q 5 采用i r f p 4 6 0 功率m o s 管。 6 ，3 3 3 功率变压器的设计 1 ) 工作频率的设定 工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据 元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为f s = 5 0 k h z 。 t = 1 f s = 1 5 0 k h z = 2 0ps 2 ) 磁芯选用 选取磁芯材料和磁芯结构 选用r 2 k b 铁氧体材料制成的e e 型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大， 接线操作方便，价格便宜等优点。 确定工作磁感应强度b r 2 k b 软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度b s = o 4 7 t ，考虑到高温时b s 会下降， 同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定b m = l 3 b s = o 1 5 t 。 计算并确定磁芯型号 磁芯的几何截面积s 和磁芯的窗口面积q 与输出功率p o 存在一定的函数关系。 对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为s q = ( 1 ) 式中： n 效率； j 电流密度，一般取3 0 0 5 0 0 a c m 2 ； k c 磁芯的填充系数，对于铁氧体k c = l ； k u 铜的填充系数，k u 与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为 0 1 0 5 左右。 各参数的单位是：p d _ - w ，s - 伽f 1 2 ， - - c m 2 ，b m 一一t ，f s z ，j a c i d 2 。 取p o = 6 4 0 w ，k u = o 3 ，j = 3 0 0 a c m 2 ，n = o 8 ，b m = o 1 5 t ，代入式( 1 ) 得s q = 一4 5 5 8 c m 4 由厂家手册知，e e 5 5 磁芯的s = 3 5 4 c m 2 ，0 = 3 1 0 4 2 c m 2 ，则s o = 1 0 9 c m 4 ，e e 5 5 磁芯 的s q 值大于计算值，选定该磁芯。 3 ) 计算原副边绕组匝数 按输入电压最低及输出满载的情况( 此时占空比最大) 来计算原副边绕组匝 数，已知u m i n = 1 7 6 v 经整流滤波后直流输入电压u d m i n = 1 2 x1 7 6 = 2 1 1 2 v 。 对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半，即 u p $ i n = u d m i n 2 = 1 0 5 6 v ，设最大占定比d m a x = o 9 ，则 t o n i n a x = t d i n a x = 2 0 0 9 = 9 0 us u p m i n x t o n l n a x 1 0 4 = 1 0 5 6 x 9 o x l o 一6 1 0 4 代入公式n l = - - = 8 9 匝 5 l 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 次级匝数计算时取输出电压最大值u o m a x = 1 6 v 。次级电路采用全波整流，u s 为次级绕组上的感应电压，u o 为输出电压，u f 为整流二极管压降，取1 v 。u z 为 滤波电感等线路压降，取0 3 v ，则u s = = = 1 9 2 2 v n 2 = x n l = x 8 9 = 1 8 匝 为了便于变压器绕制，次级绕组取为2 匝，则初级绕组校正为：n i = x n 2 = i o 匝 4 ) 选定导线线径 在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于 两倍穿透深度，而穿透深度由式( 2 ) 决定a = ( 2 ) 式中：( ) 为角频率，( ，= 2 f s ； u 为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率| l r = l ，则i i = | 10 xi lr = 4 x 1 0 一7 h m ： y 为铜的电导率，y = 5 8 1 0 6 0 m ； 穿透深度的单位为m 。 变压器工作频率5 0 k h z ，在此频率下铜导线的穿透深度为= o 2 9 5 6 m ，因此 绕组线径必须是直径小于0 5 9 咖的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取3 6 a m 2 ，故这星选用0 5 6 咖的漆包线8 股并联绕制初级共1 0 匝，次级选用厚 0 1 5 唧扁铜带绕制2 匝。 6 3 3 4 辅助电源的设计 辅助电源采用r c c 变换器( r i n g i n g c h o k e c o n v e r t e r ) ，见图6 3 。其输入电 压为交流2 2 0 v 整流滤波电压，输出直流电压为1 2 5 v ，输出直流电流为0 5 a 。电 路中q 8 和变压器初级绕组线圈n 1 与反馈绕组线圈n 3 构成自激振荡。r 7 2 为启动 电阻。q 9 、r 7 7 构成辅助电源初级过流保护。d 2 0 、c 8 1 、z d l 、q l l 、r 7 5 、r 7 6 构 成电压检测与稳压电路，控制q 8 的基极电流的直流分量，从而保持输出电压恒定， 变压器采用e e l 9 、l p 3 材质构成。初级1 8 0 匝，反馈绕组5 5 匝，次级1 1 匝，初 级电感量是2 6 m h ，磁芯中间留有间隙0 4 哪。1 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 图6 3 辅助电源原理图 6 3 3 5 驱动电路 驱动电路如图6 4 所示。t l 4 9 4 输出5 0 k h z 的脉冲信号，通过高频脉冲变压 器耦合去驱动功率m o s 管。次级脉冲电压为正时，m o s 管导通，在此期间q 7 截止， 由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则q 7 导通，快速泄放m o s 管栅级电荷，加速m o s 管截止。r 7 0 是用于抑制驱动脉冲的尖峰，r 6 8 、d 1 5 、r 6 7 可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。d 1 7 和与它相连的脉冲变压器绕组共同构 成去磁电路。 图6 4 驱动电路原理图4 6 3 3 6p 删控制电路 控制电路采用通用脉宽调制器t l 4 9 4 ，具有通用性和成本低等优点，见图6 5 。输出电压经r 4 0 、r v 2 、r v l 、r 4 1 进行分压采样，经r 5 阻抗匹配后送到t l 4 9