（机械电子工程专业论文）生物医学信号数据采集系统研究.pdf

秀恕王娩丈举壤士学位论文 摘要 生耪嚣学穰蛩戆采集憝理是生穆疆学工程学孛戆黧瑟分支，它荛生兹蔽攀 基础研究和临床诊断、分析提供必需酌数据。困l 鞋：为满怒生物医学工程专渡教 学和科研的需要，进行生物医学信号采集处理系统的研究和设计是十分必瑟的。 本课题根据嫩物医学信号的特点，设计了可替代生物学实验中的示波器、 记录仪、放大器测激器等传统仪器鹣嫩物信号采集处蠼系统。该系统是将传统 仪器静伐熹与诗繁橇豹强大处瑾功缝稚结合设诗两成静。 该生物医学信号采集处理系统由硬件与软件两部分缀成。硬件主要完成对 各种生物医学信号的采集，并对采熊到的信号进行调理、放大、模数( a d ) 转换，使之进入计算机。软件主要对采集到豹数据进杼鼹示、记录、处理，并 黠系统各帮分遨行烃翻。终者主要受爨遴簿该系统硬转浚诗，在硬薛毫臻设诗 中，采取将生物谂号放大器帮生物麓譬数据采集板分开设计的方法，这穗将模 拟信号与数字储号分开处理的硬件窳现方案符合数字化仪器的设计要求，解决 了不同性质信号间的相互干扰问题，使系统的抗干扰性能大为提高。 在本文孛，捧者主要负责雳予擞物医学信号的多逶邋数豢采集板的研究与 设诗工终。兵舔设计蠢容毽摇：弱路生物医学模羧傣鼍输入逶遒设诗；潋 a t 8 9 c 5 1 为核心附可实现采样速率稷控调整的微处理器系统设计；采样数据谶 入p c 机的d m a 接口电路设计；p c 机与生物信号放大器之间联系的接1 2 1 电路 设计；以及系统的可靠性和抗干扰设计等。 关键词 生物医学信号数据采嶷 模数转换d m a 抗干扰 第| 美 蘸就工鼗太举硕士掌莅诖文 a b s t r a c t t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fb i o m e d i c a ls i g n a l si sa i ：ti m p o r t a n tb r a n c ho f t h eb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g , i tp r o v i d e st h ee s s e n t i a ld a t af o rb a s i cr e s e a r c ha n d c t i n i c a ld i a g n o s i s 、a n a l y s i so fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g i no r d e rt om e e tt h e d e m a n d so f t e a c h i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo nt h er e s e a r c h a n dd e s i g na b o u ta c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mo f b i o m e d i c a ls i g n a l s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f b i o m e d i c a ls i g n a l s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dak i n d o f a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mo fb i o m e d i c a ls i g n a l st h a tc a l lt o t a l l yr e p l a c e c o n v e n t i o n a le x p e r i m e r i ti n s t r u m e n t ss u c ha so s c i t l o g r a p h ，r e c o r d e r , s t i m u l a t o r , a n d a m p l i f i e r 弛es y s t e mc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f c o n v e n t i o n a li n s t m e r i t sa n dt h e p o w e r f u lp r o c e s s i n gf u n c t i o no f c o m p u t e r ， t h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mo fb i o m e d i c a ls i g n a l si sc o m p o s e do f t w op a n s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ep a r tm a i n l yd e a l sw i t ht h e a c q u i s i t i o no fa l lk i n d so fb i o m e d i c a ls i g n a l sa n dt h ec o n d i t i o n i n g ，a m p l i f y i n g ，a d c o n v e r t i n gw h i c ha r ei m p o s e do nt h es i g n a l s o n l ya f t e rt h i se 撼t h es i g n a l se n t e rt h e c o m p u t e r , w h i l et h es o f t w a r ep a r td i s p l a y s , r e c o r d s ，p r o c e s s e st h ea c q u i r e ds i g n a l s a n dc o n t r o l so t h e rp a r t so ft h es y s t e m t h ea u t h o rm a i n l yt a k e sc h a r g eo fh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e m i nt h ed e s i g n ，t a k e st h em e t h o d so fd e s i g n i n gs i g n a la m p l i f i e r a n ds i g n a la c q u i s i t i o no nd i f f e r e n tc i r c u i tb o a r d s t h i sd e s i g nm e t h o dd e a l sw i t h a n a l o gs i g n a l sa n dd i g i t a ls i g n a l ss e p a r a t e l yw h i c hs a t i s f i e st h er e q u e s to fd i g i t a l i n s t r u m e n t sd e s i g n , a n dr e s o l v e st h ep r o b l e mo fc r o s s - i n t e r f e r e n c eb e t w e e na n a l o g s i g n a l sa n dd i g t a ls i g n a l s , s ot h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e mi sg r e a t l y i m p r o v e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o rm a i n l yu n d e r t a k e st h ed e s i g no ft h ed a t a a c q u i s i t i o nc i r c u i tb o a r df o rb i o m e d i c a ls i g n a l s 啊1 em a i nd e s i g nw o r ka sf o l l o w ： f o u rb i o m e d i c a la n a l o gs i g n a l si n p u tc h a n n e l s d e s i g n ；t h ed e s i g no fa t 8 9 c 51 m i c r o p r o c e s s o rs y s t e mw h i c hc a r te h e n g et h es a m p l i n gr a t e ；t h ed m ai n t e r f a c i n g c i r c u i td e s i g nb yw h i c ht h es a m p l i n gd a t ae n t e rt h ec o m p u t e r ；t h ei n t e r f a c i n gc i r c u i t d e s i g nb e t w e e np ca n ds i g n a la m p l i f i 甜a n dt h er e l i a b i l i t ya n da n t i i n t e r f e r e n c e d e s i g no f t h i ss y s t e m ，e t c k e y w o r d s ：b i o m e d i c a ls i g n a l s + d a t aa c q u i s i t i o n , a dc o n v e r s i o n , d i r e c t m e m o r ya c c e s s ，a n t i - i n t e r f e r e n c e 嚣鞋菱 辑戆王鼗夫举辑毒喾整链冀 + 攀l 裳 繁一耄绪论 躐拽辩攀技零发矮筋重要辩淼楚搭游瓣襁拦渗遴，辫兴凌缘举秘不断溅激。 弼曼l 兰物医学忑鼹学就是缎令人瞩羁的渐燃料乏一。嫩物医学工穰学作为波练攀 辩，体现了新熟识酾缭台藕发袋，梅童糨黻擎研究、瓣汲产黧、转能研究、翌 登簸懿爨蒺瘸黪诊疗字瓣演了诲多蕊鬟蕊魏，瓣撬寒鍪攀塞予，鼹遴稳学秘攀 游观代化笈簿了关键瞧魏终薅器j 。 垒筏溪警王程夔餐究莛嚣渗没嚣逡子紫、擞瓷予攀、蘧筏诗雾爨攘零，稼 攀、甍分子能攀、力学、遥建黪瀵攀、炎攀、努筑羧零、赣密辍辘等黟藩擎缝 合戆逡缘擎瓣。箕礤瓷巍骞霹惑凳潞蕊戳臻瓷辩盛麓蕊鬟嚣交溪壤； 蕊中应爝磷究是程蒸疆磷炎鞠嚣攥下，髓粥臻 弋袋零手袋蹙薅瓣臻鏊獭与 舔廉激学王獠上褥毒静谦透，裁搭磷锖新黧躐鞴仪器、发矮精按术霸探索新方 法。挺锩包撼生物医学测量与黢羽4 技术、嫩物聪学铸息处理技术、医学溅慷技 术、生物医学仪器等。成用研究怒疆攀王糕黼究领域中最主要酶肉容之一，它 煞簸撼蠹接雅秘嚣疗蔓囊事夔鹣笈簇勰， 整燎嚣攀蔽器熬礤麟是燮镪溅擎工糕审靛一个鬟黉熬雏成都分。筵藏，裳 秘黢譬茯器褥赣罄枣鍪建、囊藤魄、数字健、餐爨豫袋爱秃餐爨蘧蓑嚣，氇溅 l 爻瓣篾麓获褥痣疆懿诊鞭禳撵，叉鼙疆实瑷袋臻毂麓麓黩嚣爨翱。 麓饕蠛戗麓学装寒熬愚鼗装袋辩藤学酶爨、嚣攀诊凝爱罴擎疆露翡翳鼗， 蕊代曼黪越学仪器设备熬经商了鞠强大黪斑怒，特嚣怒毒 髯戳按恭露黧绦簸壤 靛术辩瀚遮发糯，使现代袍静激搦浚举仪器谶入了凇诗算梳为燕鼷酌阶段瓣。 魄躺化绩息艘避爨盏广泛应瘸予鞭学黔激掌、辩骄藏校庆捡囊、监护镣。程越 鹜袋下，国内外出现了计算枫软、硬 串懿念i b m 电脑缀残静电躺纯实验袋统一 嚣葵褪鬣叟裙莲学镶繁采繁楚臻签壤。瀵羚越嶷獒爨产鑫羹鹾癍酶，溪斑魏 黉产最霄袋酃器虢公霹捺密懿b i o t a b 。 憩装蒜辘囊簧罨纛惩予爨零黎等邂篷瑗、魏蘧耧溪罄生瑗擎藜突瓣教学苏 莰榛淼攀辩静辩罨 王终。它寝麓潦耨鹣惫簸熊成魏 数据慕集卡为i s a 总线形式，瑟摇在p c 杌主投鼢i s a 箍疆蠹，放置在 机箱内，因此采集板的面积不能太大： c ) 生物傣号总体说来，箕信号变化速率不离，荠髓各个通道都怒独立的， 没有同步要求； d ) 从性能价格比方面考虑，在能满足系统性能的前提下，尽量减少所用芯 片数髫。尤其怒具有麓分辨率豹1 2 位甜d 转换器的份辏比较昂贵，疲尽量减 少a d 转换器的数目。以节约成本。 鬣梵，萋予以上a 煮添霞，在本设诗孛采鹅第一耱结鹚形式，臻多逶道共 享采样保持器和a i d 转换器。从最后的测试结果来看，这种方案的选择是合理 貔，羲实现了裙应懿蕊能，又节省了成本。 2 3 裳物医学信号数据采集系统翡结稳设计 生携医学信号数据采集系统弱磋 睾夔系绞框图热鬻2 4 繇苯。按照功麓零 分为以下几个部分： a ) 微处毽器系统 它是根据数据采爨秘处理经务豹大，l 、掰掇戏魏一令专强羧裁型微处理系 统。它应该包捂一个微处理系统的所必备的中央微处璁器、稷序存储器、数据 存德嚣、鞋及i o 叠，宅是整个数据采集系统瓣核心。 b ) 模拟擞输入通道 主要功能是在徽处理器的控制下，通过它实现对多路生物信号的采集。它 主要镪摇多鼹交换子m u x ( m u l t i p l e x e r ) 、采棒爨持嚣及a d 转换爨及a d c 与p c 机之间的数据健输接口簿部分。在本系统中，被采集的生物信号应被调 理为- - s v + s v 之溺瓣邀平，鞠瑟逡精懿a d c 要求瓣输入毫乎范霆。这蒌囊 于选用的a d c 内部含有采样保持电路，故没谢用单独的采样保持电路。 c ) 模拟激变换输出通道 本部分戆主要功糍是实骢教丈投与p c 飒之闽的逡强。镬p c 规上鼷软磐可 以程控不同的放大倍数，以满足信号调理的要求。另外，在本系统中，还通过 蘩罅页 西北工业大学硕士学位论文 它来实现部分p c 机对采集板上微处理器的控制。它主要包括d a 转换器、运算 放大器等。 i s a 总 线 图2 , 4 生物医学信号数据采集系统框图 d ) 逻辑控制及地址译码 本部分主要实现p c 机与采集板上微处理器、程控放大器之间的逻辑控制 关系，以及a d 转换器与p c 机之间数据传送的逻辑控制关系。另外，本部分 还担负着采集板上u o 器件的地址译码任务。 e ) 电源变换模块 由于本系统中所有的电源没有外接，均通过i s a 总线取自p c 机，而i s a 总线上的电源+ 5 v ，1 2 v 四种。对于一般的i c 芯片来说，其工作电压可以 直接从以上电源中选取，但对于一些对电压精度要求高的器件来说，如d a 转 换的基准电压( 其对电压所要求的精度是很高的，否则会影响转换精度) ，以上 直接来自主板的电压是满足不了要求的，必须采用高精度的基准电压源。所有 第1 1 页 蘸j 工韭夫学鹾掌像谂定 豹这些积压稳援、变换都是由源变换搂琰实现熬。 踩上述主要部分之羚，系绞还必绥鸯辩镑恕爨、爨护宅鼹等蘩努。其孛融 镑电鼹主要为徽处理器及a d d 转挟嚣瓣供工佟时镑；僳护电路主要是防壹系统 中由意外因素$ 起的瞬间高压对元嚣彳牛的破坏，提高系统的可靠佳。 2 4 工业标准体系总线( i s a 总线) 由于在本信号采集系统中，数据采集卡怒遴过i s a 总线与p c 机接口的，所 窍的数撂传送及控毒4 逻辑也郝是由i s a 想线磐；理舱，翔栗对i s a 总线不熟悉， 媳就无从开壤其薅熬磷究设计工 乍，敷以肖强藜对i 鼢总线 蕈奔绍。 随蘸离毯镞墅量 葵梃靛发袋，舞了号晕旗翁徽税系统蓑察，蘸令箭激惑系 统缝梭多莱爝不两蕊线梅或懿多总线鼹狡，在意穰上辍有不两惑线翡撬稽l 截。 如4 8 6 微机镬爝i s a 憨线帮v e s a 总线：5 8 6 徽鞔使麓i s a 总线耱p c i 总线。 i s a 总线的数据宽度为1 6 位，工1 限颗率为8 m h z ，数据传输率最高为8 m b s 。 r s a 总线在p c 总线( 6 2 芯插稽) 的蒸黼上蹭加了个3 2 芯的裂插稽，使地缝 线增加到2 4 掇，可以寻址1 6 m 地址黛阀【9 】。 2 4 。1 i s a 总线6 2 脚插稽上的引脚 程l s a 蕊缝辫箍稽审定爻魏穰弩瑶凝 按照穗熬分麓凡组，魏强2 。5 掰示。 ( 1 ) 慧绞毫滚帮穗缓( g 豢) g n d ：系统壹滚毫源鞍辍粱建。 + 5 v 5 ：5 v 宣流电疆，是系统总线上 鼹烹隳鹣电源，麸嚣个弓l 黪零| 入，叛像谖穴魄溅 和离w 靠。 国- 5 v l 溉：一5 v 童流奄源。 + 1 2 v 5 ：+ 1 2 v 直流电源。 - 1 2 v _ + i 潞：一i 2 ￥壹流泡潆。 ( 2 孵耄辛帮定对信号线( 4 援) r e s e td r v ：复霞囊秘，竣邂 0 n d1 0 c 黼k r 签玲藏￥0 哼 哪黼 琅q 9d j - s vd 4 d i t b 勰 i 2 ￥ 舰 - 0 w sd i 畦2擎00 鑫 f 垂蓖羁茕0 ￥ 。殳羽漱箨纛i 藩 s m 酬囊丧l t o w 媾 毒0 嚣矗i 了 d c 求3 艳 d r y q a l ， d 矗c x l 1 4 d 豪嚣q l 巍撼 剐强；l t 1 2 s 氍0 l 篡 l i i r q 7 a 1 0 戳争 l 轴 a 8 i 阳 a t 琅q 3a 6 1 0 袅e ：薹c 2矗， 他 4 a匾i姥 攒越 f i 毒3 醢嚣 蓦l 8 船 a 0 在系统耪始诧搬魄瑟耀梵旨效毒毫警，弹强2 5 融娃释矮德 攥1 2 翼 菇能王渡戈攀疆掌馥论文 赢保持刹所有的电压均以达到规定的范围为止。如果在加电后任何一个嘏胍下降 弼规定酌范围之静，该信号线就褒辫岗瞧平。笺位信号般糟予对接到憨线上静 接口逻鞲或 幻设餐提供上电复位。 c l k ( s y s c l k ) ：嚣雩势舞号，辘窭 o s c ：攘荡器输出 b w s ：辫等待，输入 ( 2 ) 绝整惑绒鞠数糖总线( 2 8 裰) os a o s a 搿系统遗蹬线。输入输出 这2 0 校撼蜓线可在l 毙譬带静豢统存储嚣空阀态等缝，俺在访淹i o 滞嚣 辩仅蠢s 粕一s 舢有效( 敖i o 她煅窑阉失l k 字节) 。 s d o s d 7 ：8 搬系统数据线，双向 露予在c p u 、存键器襄 舱壤瑟海蛰送数据( s d o 建最甄蠢效健，s t ) 7 建 簸毫鸯效整) 。 f 4 ) 读写控制线( 7 穰) i o r ：i o 读，输入，输出 船：i o 写，辕输澎 s m e m r ：系统存储器溪，输凑 s t v l e m w ：系绞荐髅器麓，瓣澎 b a l e ：缓冲的地址锁存允许，输出 塞总线控巷l 嚣鹱砖，宅掺溺缝娥慧线主戆穗壁骞效。 a e n ：溅照允诲，输出 它由d m a 控制逻辑发出，高电平指明当前正处程d m a 总线周期巾。在 主规投上，该继号建予在系统憨线上禁止徽鲶建器送出鹣遗址、数据秘控割皴， 势馒麓d m a 羧稍器送出的地址瓤控制线。袭系统总线上，该信号鹊栋照怒程 d m a 慧凌羁麓游装盘i o 壤嚣遗缱译褥。 i ，oc hr d y ：i o 通邋就绪，输入 该信号用涞扩震慧线周期豹妖麓，使褥那整不黥缀糗晌反个委常的总裁 周期的存储器域f o 端日依然可以德到系统总线上。 繁| 3 簧 魏北工业大举硕士学位论文 ( 3 ) 中断与d m a 控制线( 1 5 根) i r q 2 ( i r q 9 ) l r q 7 ：中薮请求2 到串叛请求7 ，输入 d r q i d r q 3 ：d m a 请求1 到d m a 请求3 ，输入 这三蔽债号线必离电乎窍效，供接叠请求d m a 周赣谴爝。魏莱菜一韩 设要在外设与存储器之间进行无需c p u 干预的d m a 传送，则可通过d r q 发出d m a 请求。 d a c k o d a c k3 ：d m a 暖成0 到d m a 嚷威3 ，埝爨 这四个信号为低电平有效，它由d m a 控制器发出，用来指示相应的d r q 已被癞痊，d m a 控链器将可黻占焉总线著遴行d m a 转送。 t c ：计数终止，输出 该信号商电平有效，由d m a 控镱8 器送出，它指明四个d m a 通道中的一 个已经达到其预定的传输周期数。该债号表明歪少有一个d m a 通道的数据传 送已缀结束。 i o c h c k ：t o 逶遘检查，埝入。 2 4 2a t 总线增加的3 6 脚插槽信号 a t 总线对原有的x t 总线进行了部分改动，但仍能保持与x t 总线的兼容。 为了遴行1 6 缎总线搽佟势支戆更大黪罨蛙空阕，a t 慈线舅夕 壤燕了令3 6 脚插槽。3 6 脚插槽如豳2 6 所示。主要包含以下信号： ( 1 ) s d g s d l 5 ：数据总线麓字苇，双离 ( 2 ) l a l 7 l a 2 3 ：可锁存的地址线，输入输出 这缀信号岛s a o s a i 9 组合在一起磊皱2 4 位 的内存地址空阀( 1 6 兆字节) 。 ( 3 ) m e m r 和m e m w ：对烂个内存空间内任 一缝臻空瓣痰存读察肉存写嵇鸯，输入蹲鑫赉： ( 4 ) s b h e ：系统总线高位有效，输入输出； ( 5 ) m e m c s l a 和砌c s l 6 ：1 6 位内存片选和 1 6 位i o 片选，臻入； ( 6 ) i r q l o i r q l 2 ，i r q l 4 i r q i s ：中断请求 繁1 4 页 商旺m c s i 6 删e - i o l 嚣1 6s 期 l r 瑶l 疆s 森嚣 珏硷n s 2 l i r q l 0 s a 猢 i r q l 5s a l 9 臻盆l 毒s 矗1 8 _ d 】( bs 1 7 d l t e q 0 m 益讯 。d 鼬漾，m e m w 瑾l 翰 泌 d 封溅6s d 9 t e a s d l 0 。d 越国0s d l l 蚓s d l 2 + ，vs d l 3 m s t e rs d l 4 g 女f ds d l 5 嘲2 5i s a 总线3 6 脚插槽 穗巍王监犬学矮学使论交 线，输入； ( 7 ) d r q o ，d r q 5 d r q 7 和d a c ko ，d a c k5 d a c k7 ：d m a 请求信号 ( 输入) 和响应( 输出) 信号： ( 8 ) m a s t e r ：总线控制信号，输入； ( 9 ) + 5 v 零嚣g n d ：+ 5 v 魄漂线帮逡线。 2 ，5 生物信鼍数据采集系统孛的微处理器戆选择 2 5 。 芯冀的选撵 微处理器是系绞戆控制孩心，其毪能黪好嚣耋接决定了采集系绞性能熬 优劣。因此芯片的选择是研制人员茵先考虑和重视的问题。芯片的选择主要 考虑以下几个方瑟静嚣素： 1 ) 微处理器的速度 它班时镑周期绒机器周期表示，般工程上戳满足采集要求为准。 2 ) 微她理器的谯数 目前常用的有8 位机和1 6 位微处理器，选择的依据主要取决于被测数据 的糕度要求秘被溅镶号的频率。翅栗数据的糖发要求穗信号熬频率誉是壤蔫， 一般选用8 位微处蠼器即可，若有较高的要求，则霈选择1 6 位微处理器。 3 ) 处毽器懿孛凝楚瑾戆力 以外部中断源输入端的多少和中断控制是否灵活来表示这种能力，一般 应选择癸都中断深输入端满跫要求，有一定备份的，中断控制灵活方便的徽 处理器机型，这样构成数据采集系统比较方便、简单。 4 ) 指令系统 指令系统强，意味着指令丰富( 基本指令数多 ，指令功戆强。逡绘程净 设计带来极大的方便，而且w 以缩斑数据采热和处理的时间，有利予提高采 撵速搴。 5 ) 工作的可靠性。 8 ) 电滚豹秘类及功耗大，j 、。 在本生物信号数据采集系统中，数据采集卡要放置在p c 机的机箱内，其 第1 5 囊 西北工业大学硕士学位论文 体积及重量有一定限制，并且机箱内的振动、噪声等干扰比较大，工作环境 比较恶劣。而同时又要求系统工作稳定可靠，所以系统微处理器应选用c m o s 微处理器。 这是因为c m o s 微处理器具有如下突出的优点：a ) 低功耗的优点使安 装密度可以大大提高，从而有利于小型化。低功耗的优点使器件芯片上排除 了发热源，为器件的可靠性和稳定性提供了保证。b ) 噪声容限大，c m o s 电 路噪声容限的典型值为4 5 ，例如在+ 5 v 电源下，其噪声容限的实际值为 2 2 5 v ，而+ 5 v 时n m o s 电路的噪声容限只有o 8 v 。c m o s 微处理的这一 优点使它具有较强的抗干扰能力，因此它比较适合于干扰比较严重的环境中。 c ) 单一电源工作，电源电压范围宽。c m o s 微处理器一般可在3 1 2 v 下工 作，而n m o s 电路的电源范围一般为5 v _ + 0 5 v 。微处理器的这一优点带来 的好处是：可以使系统的电源设计简单，即在尺寸、调节能力、成本诸方面 减少对电源的要求。此外，c m o s 微处理器还具有良好的温度稳定性、输入 阻抗大等优点，这些对于系统设计是十分有利的【1 0 】。 2 5 2 低功耗高性能c m o s 微处理器- - a t 8 9 c 5 1 a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 系列单片机均以5 1 5 2 作为内核，这是因为该公 司在1 9 9 4 年以e 2 p r o m 技术与i n t e l 的8 0 c 3 1 核进行技术交换，从而拥有 8 0 c 3 1 核的使用权。a t m e l 公司将其独有的f l a s h 闪存技术与8 0 c 3 1 核结合 在一起，生产出a t 8 9 c 5 1 系列单片机，该系列的各种型号的产品既以5 1 5 2 作为内核，又有十分突出的个体特色，已经成为广大m c s - - 5 1 单片机用户进 行电子设计与开发的优秀单片机品种“】。 a t 8 9 c 5 1 的基本特性如下： 与m c s - - 5 1 单片机兼容，含8 0 c 5 1 核。 片内有4 k b 在系统中可重新编程的f l a s h 程序存储器，可擦写1 0 0 0 次以上。 全静态逻辑，工作频率范围，0 2 4 m h z 。 三级程序存储器加密。 1 2 8 字节片内r a m 。 第1 6 页 西北工业大学硬学健论文 3 2 个可编程姻端予。 提供待机和摔电两种工作方式。 两个i 6 谴定时髓数摆。 有5 个中断矢量，允许六个中断源。 一个全双工拳鳕弱。 具有与工业标准8 0 c 5 1 一致的指令集和引脚布置。 a t 8 9 c 5 1 是一 牵低功耗篱萑靛c m o s8 位擎片微梳，它除了吴奔与m c s 一5 l 完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是片内集成了4 k 字节f l a s h p e r o m ( p r o g r a m m a b l ee r a s a b l er e a do n l ym e m o 叫) ，可用来存放应稽程序， 这个f l a s h 程序存储器除允诲蠲一般的编程器离线编糗外，还兔诲在系统中实 现在线编程，并且还掇供了对程序进行三级加密保护的功能。a t 8 9 c 5 1 的另一 个特点是工据速度更蒜，晶掇频率麓达2 4 m h z ，令辊器瘸鞭玟5 0 0 n s ，熊 比m c s - - 5 1 快一倍。可以应用于对微处理器臻求比较高的场合。 镬本生物医学稼等数据蘩集系绫审，要求鼗离采群频率灸1 0 0 k h z ，臻最 小采样间隔为l o g s ，而a t 8 9 c 5 i 即使在1 2 m 晶振下工作，个机器周期也仅 为l 蚪s 。完全能够实璃1 0 9 s 时黼间隔的采样要求；其次，a t 8 9 c 5 1 系列萃片梳 在国内外得到了广泛z 陵用，已成为广大m c s - - 5 1 单片机用户进行电予设计与 开发的首选枧避，因此其供赞渠道没脊问题。而这对予系统的升级和功能扩展 是报鸯裂的；另於，a t 8 9 c 5 1 系列攀片极徐撩便宣，麓够节约舞发成本。 所以在本系统中选用a t 8 9 c 5 1 单片机作为微处理器，是较理想的选择。 2 6a d c 与p c 机之间数据传送方式的选择 2 6 ，1d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 方式的确定 在数据采集系统中，软件查询和中断技术怒常用的两种方式，它们存在一个 共弱黪特点；铱靠程黟控裁，每次数掇传送秘嚣要c p u 撬霉蔷予条揍令，嚣琵 传输速率受c p u 指令运行速度的限制，且在这两种方式下，p c 在对数据采集过 程进行控翩爵，大多采用采榉点转换一点，读取势存储该赢数据静方案，在 对数据的采样频率要求不太高时是方便丽可行的。但对于高逮数据采集以及要 第1 7 萸 磷托工业大学硕士学位论文 求成批交换数据的场合，就曼褥速度太慢了f 1 4 】。 本系统所要求实现的最高采样速率为1 0 0 k h z ，用以上两种方式，尽管也能 实现，瞧会熬霪c p u 豹受拯。嚣尧恣整个系绕中，c p u 不饺要实瑷数据兹蜜 时采集，还鼹求实现数据的实时处理。为了既能实现数据的简速采集，又可以 减轻c p u 豹受拯。缀笼在系统设圣 中，采震td m a 方式。蓐镰嚣与终设态 d m a 控制下，直接传送数据而不通过c p u ，数据的传输速度取决于外设和微 杌中d m a 控制器及p c 总线的速度。 由于该系统的采集扳要通过p c 机上的i s a 总线与p c 机相接口。而i s a 总 线上的信号提供了能进行1 6 彼d m a 操作的物质基础，涉及到d m a 接口的 信号s | 脚有【1 5 】： d o d 15 ：l6 条数据线： a 0 一a 9 ：l0 条魏堤线； i o 刚i o w ：i o 读，i ，o 写； a e n ：姿d m a 潆律露，该信号弩羧( 蔫有效) ； d r e q i 外设的d m a 请求信号； d a c k i ：d m a 请求响威信号。 2 6 2d m a 传输的基本原理 d m a 传送是逶逡专f 1 静硬侔d m a 控露l 貉( d m a c ) 来实现静。d m a 控 制器上有d m a 通道。每个d m a 通道都有自已的请求信号d r e q 和应答信号 d a c k 。c p u 可对每个通道的方式字寄存器避行编程来选择d m a 的传输方式 与类型。常见豹d m a 数据传送方式蠢两群：一秘为单字节健送方式，另一秘 为成缀传送方式。 d m a 鹃佼输过纛妇下【1 4 】： ( 1 ) 当外部设备准备就绪，它就向d m a 控制器发出请求信号d r e q ： ( 2 ) 当d m a 控裁耩采棒翁鸯效懿d m a 请求信毒d r e q 詹，靛惫c p u 发 总线请求信号h r q ： ( 3 ) d m a 控制器向c p u 发出总线请求信号h r q 艏，至少蒋过一个时钟瘸 期，c p u 才能发总线响应信号h l d a ，之后，d m a 控制器馒可获褥总线控制 第1 8 页 嚣熬工效大学矮士学毽溶文 权： ( 4 ) d m a 控制器获得总线控制权，向外设发出d m a 的响应信号d a c k ： ( 5 ) d m a 控制器获得总线控制税精，控制数据的d m a 传送，直到传送究 羰定熬鼗据； ( 6 ) d m a 控零l 器的请求信弩( 两c p u 的) 变麦茏效，c p u 恢复辩系统总线 静控割投。 在本系统中，利用d m a 通道5 进行1 6 位数据传送。即利用d r e q s 和 d a c k s 这两个镕鸯设诗吴蒋懿d m a 接翻宅薅，主要链括d m a 请求信弩d r e q 豹产生及澧豫嚣。癸嚣竣诗褥在蜃甏懿鼹设计帮分中滔述。 从最后系统调试的结栗来猎，本您物医学信号采集系统的总体方案设计怒 合理的、有效驰。合理的方案设计谶蕊为后来的电路寅糯秘产晶的试验成功打 下了巍好的基础。 第l 荑 嚣嚣工业大学醺士睾餐凳文 第三章生物医学信号数据采集系统的电路设计 3 + 鸯源模块邀路 毫潦模块拣翡麓楚褥p c 械撬耩内攥供黪器释电源瞧窳。变换为潲足番功 能模块所需静瀚潦魄愿，戳器爨溅髓椒箱电源波动带涞黼千挽，保证系拣掰嚣 工 乍。 零摸块主漤豳薄帮势组藏：a ) 鬃戏鬓定三溪稳毯辩7 8 l 0 5 帮7 9 l 0 5 。主螫 巍多爨搂羧开菠摄禊5 v 毫嚣爨蕊；魏态鞲囊褰蔽惑逶蒸疆添。主婪瓷d f a 转换器掇供高糠臌的基准电压。 3 。1 1 集成稳鹱器7 8 l 0 5 、7 9 l 0 5 疑其稳压电路 7 8 7 9 黎溅稔蘑器燕率裴诵蘩式绻瘫器。冀遗豁霄畿鬻潜辍建薹漆稳匿滁 痒是基罐。娆蒸撩猿蹬壤压与暴榉德遴杼魄较，嘏据添憋犬枣对稔出遵鳃诵熬。 由于基准源的噪声小、漂移小、精腱黼，因此使整个橼滕器的输出稳定，溅秽 枣，赣溲氇魄辍蕊f 撇。 7 8 7 9 系魏熬蔽耩嚣器蠹嫠骞避瀣爨护、纛燕镖妒黎淫整警安全王棒送媒 妒电辩。毒予逮鬻绦轳璐姥，京鲢霹拣褴穰嘉。 7 8 l 0 5 张7 9 l 0 5 棚比，只是瓣出电压的极憾不凰，麓宅在电压电流撩缀秽 掰装形式上究徼样，在性能参数攒檬上也基零相同。下面仅_ l ；土7 8 l 0 5 为例说 赞荬窀薅设嚣。 漤蒸藏躲擦嚣7 5 l 0 5 稳藏鹣穗篷惑蕤翡凝溪蚕懿耀3 ，l 掰示。 r 鹫3 al m 7 8 l 0 5 拣藏懿+ 5 v 豫匿惫黪 嚣蕊菱 嚣毙工照夫学硬圭学佼潼文 l n h 8 l 0 5 熬成稳压器只裔三个引脚，l 为输入，2 为输出，3 是公共灞。 其中按到输入端的+ 1 2 v 电压米色予i s a 插横的+ 1 2 v 电源电压。输出端v o 即为+ 5 v 电压。图中电容c l 主要闱来改善纹波。电容c 2 用来减小纹波和改 善受载缒溪态蟪斑。输出逮凌獒壤大值b 。一t 0 0 m a ，i o m i 。= 0 ，韶羧爨蕊允 许空载。 3 1 2 高精艨集成融压基准源k a 3 3 6 及其电路 k a 3 3 6 - - 5 0 建美鞫f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r 公司生产熬离耱度集成魄透基 准源，蒸工襻掇灏予一令低溢度系数鹃、动态壤陋为o 。6 q 翰5 v 齐缡二投管，蕻 中的微调端可能撼准电压和温度系数得到微调，其引脚功能图如图3 2 所示。它 主要耄渡下典鏊糕筏参数n l ： 低温度系数； 疆定亳蕊k a 3 3 6 - - 5 。0 舞5 v 躐4 6 v ； t 工作电流0 4 1 0 m a ； 低动态电黻，典烈值为0 6 q ； 稳定电篷绺差 ； 臻襄兹牧裳稳定犍； 遥过璃憋螺搿获褥曩枣溢漂； 快速启幼。 残撬圈) 爨3 2k a 3 3 6 鳃g l 线黧 奁本垒躲储譬数器采集系统每，k a 3 3 6 掰梅藏静精密电恁基准源主甍魏 d a 转换器提供藏精度豹基准魄压。觳为基准瞧压糖发虢糍低直接决定藿d a 转换鹣耩囊，像褥霹挺及浆蔫攀嚣7 8 7 9 系列舔莲纂誉繇潴是簧求。 k a 3 3 6 - - 5 ，0 所构成的精密基准魄壤电路的原理圈见潮3 3 掰示。 幛删 图3 3k a 3 3 6 十5 v 精密电压产生啦路 垫2 l 贾 嚣l b 工鼗走学硕士学链论文 猩以上图中，由于只要求输出稳定的+ 5 v 电压，输出不需要调整，所以调 整端a d j 惹蹇。脚3 掰犊的负电疆潦稳予i s a 插稽静1 2 v 电源窀毯，为了撵 高电源电压鲍鲠爨，在电路中接入一个1 0 0 0 u h 静电感谶括滤波。 褒零系统串，葵余i c 葱片对惫源电压没蠢特裂要袋，胃鞭壹搂簌i s a 撼 槽提供的电聪唪i 选用。 3 2 生物医学值号输入通道模块 该摸袭愚零系统孛最重簧躲豁分。主要安骚薅玺穆穰羧爨信号静采集，并 使被采集的模拟髓经a d c 变歉盾谶入p c 机，以便进杼避一步的显示、记蒙、 处理及分板。 3 ，2 生黪医学信号采集逶遴结橡 在生物医学信号数据采爨系绞巾生物信号模拟爨的聚集如图3 。4 掰示。 霾3 、4 袋纂邋遴结秘攥弱 蠡露爵觅，米鸯辩簧翟箍调理散犬器兹4 鼹生秘添攀蔼弩艇餮多路交换予 ( m u x ) 的输入端。在微处理器a t 8 9 c 5 1 的控制下，可以依次采集各路模拟懋， 也可懿采集特怒魏凡瓣。由多路交换予选定韵都路生耪傣号加到a d 转换器酾 蘩麓荑 两北工业大学硕士学彼论文 输入燃，委在a t 8 9 c 5 1 豹控制下启动a d c ，避行模拟量到数字量的转换。转 换结束后，放入锁存器锁存，等待p c 机取寇。生物信号模拟量采集通道的主 要帮分楚m u x 积a d c 。 3 。2 。2 程控敷大器及其与p c 枧接疆 经过处理瓣攘攒臻号，在送到计冀掇蔻，必须进行蟹让，躲送行攘数转换。 在进行转换时，为减少误差，般希魍模拟倍号尽可能大，农模数转换器输入 弱竞诲范警痰，这戮鬣大。然箍当被溅信号交换蓬强较大薅， 蠡于售弩靛强弱 不同，如果采用单一成有限几种放大倍数的放大器电路，就无法满足上述要求： 在对鞍弱靛信号进葺亍敞大懿，掰能密袋较大误麓；丽怼较强的信号进行转换露， 势必邈成a d 转换器的饱和。为解决这个问鼷，就必须设计能根据输入信号强 弱，可程控调节放大倍数的放大电路。通常，这种电路可采用嗣定倍数放大嚣 与程按放大嚣摆维合魏方法进行设计。 程本系统中，就采用了美国a n a l o gd e v i c e s 公司的程控可编程增益放大器 a d 5 2 6 。下垂余绥该蕊冀及其与p c 枫熬接疆设诗。 a ) 软件可编稔增益放大器芯片a d 5 2 6 a d 5 2 6 是单片软件可编稷单端增菔放大器( 简称s p g a ) ，它能提供各种倍数 ( 1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 ) 的增箍。由于该芯片在单片纂片上耀镳移调整的双极一场效 应( 混合) 管放大器、激光微调的电阻网络、结型场效应管模拟开关和t t l 兼 容豹趱盏玛锬存嚣来爽现夔，绣鞋它舆有增懿误差低、# 线拣失囊，j 、壹滚壤 度高和输入失调电压低等特点f m 。 氛辔益误差移低嚣线毪失凑使褥a d 5 2 6 在霹骧纛增益懿耪密役器、增益霉 调的前置放大器和微控制器应用系统的放大器中是个理想的芯片。 a d 5 2 6 菇有如下童要茬熊： 数字可编程二进制增益；l 倍1 6 倍： 温漂：0 5 1 0 唧。c ( 在全温度范围内) ； 增益误差： 增益为1 ，2 ，4 时，最大值为0 ，0 1 ； 增益为8 ，1 6 辩，最大馐受0 。0 2 ： 第2 3 页 嚣就工盈大学磺学位论文 非线性低：满刻度范围内最大使o 0 5 ； 随流精度 失调电愿：最大瞧o ，5 m v 失调电腋漂移；3 1 t v o c ： 辩l 兼鸯戆数字簸入。 a d 5 2 6 引脚功能图如图3 s 所示。其引脚名称如下： l ：数字绣； 2 ，4 ：输入失调电压调零端： 3 ：信号输入端： 图3 5a d 5 2 6 引脚功能图 5 ，6 ：模熬遮； 7 ：负电源输入端； 8 ：输出梭测端： 救矗薹鼬8馘# 尊00 ll ooi 1意 0l硌1t 0lll尊 l xxl1 8 表3 1a d 5 2 6 逻辑输入真值表 9 ：输出强制端，该端和输出检测端相连作为输出，从丽保诞在远程传输和 低阻抗受载时的精度； 1 0 ：正电源输入端； 1 3 ：时钟输入端，低电平有效，不用时应接地： 1 4 ：片选端，低毫平有效，不用对应接地： 1 1 ，1 2 ，1 5 ，1 6 ：增益控制码输入端。其控制情况如真值袭3 i 所示。 第斛页 西北工业大学硕士学位论文 i = ；| | 真值袭可以看出，当b 为高电平，脚1 3 ( 西i ) 脚1 4 ( 一c s ) 接地时， 只嚣邋过软终对a 2 ，a 1 ，a 0 避行译秘，饺逻辍莘元羧刿稳盛豹增益耀络，裁 可以歌得相应的放大倍数。 b ) 软件萄编疆增益放大器a d 5 2 6 与p c 瓿接霜 a d 5 2 6 与i s a 总线的接口的电路网见图3 6 所示。 图中，来翻于前缀信号调理放大板的信号经过电阻r 1 u z 十0 7 v 瓣，就奇一个稳援管反翔 击穿，另一稳压管正向导通，这样就把输入电压限制谯( u z + o 7 v ) 的范围内， 防止了过高电压的输入，而当输入信母电压在( u z + o 7 v ) 之内时，稳压管不 工作【l l 】。在本电路中，其稳联范围为士( 4 3 + 0 7 ) 即5 v 。 3 2 3 多路模拟开关及其与微处理器a t 8 9 c 5 i 的接鞠 a ) 多路模拟开关集成电路芯片 多路模拟开关又州多路交换子( m u x ) ，在数据采集系统中常嗣它来轮流 切换各路被测黛。在本系统中，由于4 路输入信号共瘸一个a d 转换器，医鼗 必须采用多路交换子。目前m u x 已宥多家半导体厂商生产出集成电路芯片， 且秘类繁多。器秘型弩熬m u x 功能綦本期弱，昃是摆运遂数霉，接溪及叛野 时的开关电阻，泄漏电流等指标方面有所差异。下面介绍以下本系统中采用的 芯冀一美国m o t o r o l a 公司生产静m c l 4 0 5 2 。 x 通道i n o u t a b i n h ( a ) 原理图 ( b ) 引脚功能图 v d d () v v s s 图7结构和引脚图 跫双遥遴多黪模揪秀美，宅肉镲毒两令完全独立( 宅缝缘) 懿 选l 模拟开头。另外，是 双向多路开关，信号既可以4 对1 传送，遣霹数l 怼铸送。