（电路与系统专业论文）脉象采集系统的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 脉诊在中医占很重要的地位，通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰，可以 探测病因、病位、预测疗效等。临床脉诊时对某一脉象的认识是以医生手指的感 觉并结合该医生对脉象理论的理解来加以鉴别与区分。由于脉象理论本身较笼 统，具体的判别标准又很模糊，其中还掺杂了医生的判别经验及手指感觉等很多 主观因素，因此中医脉象在教学中困难较大，临床脉诊时分歧较多。为了让中医 走向世界，中医脉诊客观化、现代化势在必行。 随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面已经有了很大的 进展。但是这些脉象仪只是把当时的脉象信息打印出来，而没有用数据的形式进 行存储，如果以后想要在处理这个脉象信息就办不到了，因此我们利用计算机对 脉象信息在实时显示的同时还对其进行存储，为进一步分析脉象信息及研究脉象 信息与疾病的关系做了准备。 采集6 路脉象时，我们采用单个通道循环采集的办法，即六路脉象信号共用 一路放大电路和a d 转换电路，我们用模拟通道选择开关c d 4 0 5 1 来对脉象信号 进行选择，同时利用单片机来控制这个选择开关，实现对六路脉象信号的循环采 集。 采集系统由单片机a d u c 8 1 2 来实现，a d u c 8 1 2 带有8 个通道的a d c 和2 个 通道的d a c ，a d 转换和控制均可由其来完成。a d u c 8 1 2 本身带有8 k 字节的f l a s h 程序存储器，6 4 0 字节的f l a s h 数据存储器以及2 5 6 字节数据存储器。a d u c 8 1 2 单片机的编程下载、调试非常方便，可以在调试过程中不取下芯片的情况下，根 据需要对a d u c 8 1 2 的片内存储器进行多次电擦除写入操作，而且不需要购买专门 的单片机丌发系统。我们采用a d u c 8 1 2 来做采集系统，调试非常方便，而且效果 很好。 关键词脉象循环采集a d u a 8 1 2 实时显示 i i a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tp u l s e - t a k i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nd e p a r t m e n to ft r a d i t i o n a l c h i n e s em e d i c i n e ，h e r b a l i s td o c t o r st h i n kt h a tt h e yc a l lg a i ns u f f e r e r sp a t h o g o n ya n d s y m p t o mb yp u l s et r a c i n g s w h e nd o c t o rt a k e si nc l i n i cp u l s e - t a k i n g ，c o g n i t i o nt o p u l s et r a c i n g sc o m b i n e se x p e r i e n c eo ff i n g e ra n dc o m p r e h e n dt op u l s et r a c i n g s b u t t h ep u l s et r a c i n g sa r ed i f f i c u l tt ob ec o m m a n d e d ，a n dt h es t a n d a r do fd i s t i n g u i s hi s f u z z y , s ot h e r ea r em u c hd i f f i c u l t i e sa n dd i v e r g e n c ei nt e a c h i n ga n dc l i n i c p u l s e - t a k i n gm u s tb eo b j e c t i v ef o rt e n d i n gt o w a r d st h ew o r l d n o w , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n ea n de l e c t r o n i c s ，t h e r ea r e p r o g r e s s e si nm a n u f a c t u r i n ge l e c t r o p a l s o g r a g h b u tt h ee l e c t r o p u l s o g r a g hc a no n l y g i v et h ew a v eo fs u f f e r e r sp u l s ei n f o r m a t i o n ；i tc a n n o ts a v et h e m ，s ow ec a n n o t p r o c e s st h ei n f o r m a t i o n i nt h et h e s i s ，t h i sp r o b l e mi ss o l v e d i nt h et h e s i s ，w ea d o p tt h em e t h o do fc i r c l ec o l l e c t i o nw i t ho n ec h a n n e l sw h e n c o l l e c t i n gp u l s et r a c i n g ，n a m e l y , t h es i xr o u t ep u l s et r a c i n gs h a r e do n ea m p l i f i c a t i o n s y s t e ma n do n ea dt r a n s l a t i o nc i r c u i t ic o n t r o lt h e mb yu s i n ga n a l o gc h a n n e l o p t i o ns w i t c hc d 4 0 5 1a n dt h es i n g l ec h i p a d u c 8 1 2 a d u c 8 1 2a c c o m p a n i e dw i t h8w a y so fa d ca n d2w a y so fd a c s oi te a r ld o t r a n s l a t i o na n dc o n t r o l l i n gb yi t s e l f ：f u r t h e r m o r et h e s i n g l ec h i p a d u c 8 1 2 a c c o m p a n i e dw i t haf l a s hp r o g r a mm e m o r yo f8 kb y t e s ，af l a s hd a t am e m o r yo f6 4 0 b y t e s ，a n dad a t am e m o r yo f2 5 6b y t e s t h ep r o g r a m sc o m p o s i t i o no ft h i s 。s i n g l e c h i pa n dd o w n l o a di sv e r y 。c o n v e n i e n c e , a n dt h ed e b u g g i n g 磷t h es i n g l ec h i pi sa l s o v e r yc o n v e n i e n c e ，w ec a l ld e b u gi tw h e nw ew a n t , a n dt h es i n g l ec h i pn o g d n tb e t a k e no u t ，s 0w en e e d n tb u ys p e c i a l i z e dd e v e l o p m e n ts y s t e mo fs i n g l ec h i p i nt h i s t h e s i s ，ic o l l e c tp u l s et r a c i n gb yu s i n gt h es i n g l ec h i pa d u c 8 1 2 ，t h ee f f e c ti sv e r y w e l l k e y w o r d ：p u l s et r a c i n g ；c i r c l ec o l l e c t i o n ；a d u c 8 1 2 ；r e a lt i m es h o w i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互缸日期：铆上石 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学 位论文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门 或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权东：i l n i 范大学可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：右尺勃 日期：超! 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：叁通2 鲤尘 通讯地址：夭箨占7 指导教师签名：蜜盘 日 期：边g 电话： 邮编：卯 第一章绪论 1 1 中医脉象研究的意义与特点 脉诊在中医“望、闻、问、切”四诊中占很重要的地位。素问五脏生成 篇指出：“五脏相音，可以意识，五色微诊，可以目察，能合色脉，可以万全。” 景岳全书“脉者，血气之神，邪气之鉴也，有诸内必形诸外，故血气盛者脉 必盛，血气衰者脉必衰，无病者脉必正，有病者脉必乖。”总之，中医对脉诊 是十分重视的，认为通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰，可以探测病因、病 位、预测疗效等。 从近代医学的角度来看，人体循环系统承担着协调全身各组织的能量代谢， 输送氧气、营养物质，运走代谢废物等重要的工作，还承担运送抗体、激素等物 质以协调整体的动态平衡。从整体的角度对疾病进行综合分析，显然循环系统的 信息将占很重要的比重；从整个循环系统来看桡动脉介于大动脉与小动脉之间， 由于心脏的舒缩、内脏血容量的变化、血管端点阻抗、管道内脉波的反射、血液 的粘滞性、血管壁的粘弹性等因素使脉象携带着有关心脏运动、内脏循环、外周 循环等丰富的心血管系统及整体的动态信息。因此脉诊的临床意义很大，它的机 理是急待于我们进行研究的。 不过目前嚣医对脉象的认识仅停留在频率、节律、振幅等的分析上，主要用 来辅助诊断心血管系统的疾病、心脏瓣膜病、高血压病、动脉硬化病、甲状腺功 能异常、贫血、无脉证等疾病。总的看来，西医对脉象的认识是以现代医学的生 理病理、局部解剖等为基础，以此来剖析心血管系统疾病确切的病变位置及致病 原因，目前尚未将脉象信息提高到整体角度或与其他脏腑相关的角度来进行分 析。这种认识观对目前的中医脉象研究工作带来了一些消极的影响。 临床上中医通过对寸关尺、浮中沉脉象的判别，结合体征、舌象及主诉等来 分析机体当时的动态趋势( 阴阳、表里、虚实、气血的盛衰、邪正斗争的趋势、 脏腑的动态变化等) ，即描绘出一幅机体当时整个机体的动态特征图一一证。中 医脉象所反映的病理信息是以中医基础理论及基本概念为基础的，是用来鉴别整 体的某种动态性质的。由此可见，中医脉诊是建立在中医理论之上的，研究中医 脉象必须以中医理论为基石，必须建立在整体构思的基础上。应用整体概念来研 究中医脉象是中医脉象研究的一大特点”，。 几千年来，中医一直依靠指面感觉细胞来体会患者桡动脉搏动时所提供的脉 象信息，在判别脉象的属性方面仅停留在一些形象化的概念上，例如替替然如珠 之应指；如微风吹鸟背上的毛厌厌聂聂；如捻葱叶等0 3 。临床脉诊时对某一脉象 的认识是以医生指下的体会结合该医生对脉象概念的领会来加以鉴别与区分。由 于概念本身较笼统，具体的判别标准又很模糊，内中还掺杂了医生的判别经验及 指面感觉等很多主观因素，因此中医脉象在教学中困难较大，临床脉诊时分歧较 多。难怪脉经作者王叔和也不得不承认：“脉理精微，其体难辨在心易 了，指下难明”“1 。为了让中医走向世界，中医脉诊客观化、现代化势在必行， 中医脉诊客观化研究是近代中医脉象研究的一大特点。 1 2 中医脉诊客观化研究的概况 早在1 8 6 0 年v i e r o r d t 创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，国内2 0 世纪5 0 年 代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观化研究方面“1 。此后随着机械及电子技 术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进展很快，尤其是7 0 年代中期，国内 天津、上海、贵州、江西、等地相继成立了垮学科的脉象研究协作组，多学科共 同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。以下按脉象仪探头的形式， 传感器的特点及研制者作一简单的归纳，详见下表 表1 1 脉象仪的研制情况“_ 研制者探头形式单部探头形式三部 北京医疗仪器 m x l 型( 应变片)b y s - 1 4 型( 应变片) 上海医疗仪器m x 一3 型。m x 一5 型( 7 研究所点式) 3 m x l 型( 应变片) 天津医疗仪器 m t y 以型( 寸部7 点，应 研究所变片) z m 一1 型( 子母式，应九路型( 径向7 点轴向3 上海中医学院 变片)组) 贵州省脉象协z h i i 型，径向轴向均可 作组 z h i 型( 应变片) 调节 园形气囊加压式( 7 西安交通大学( 应变片) 点) 上海中医研究横向线列式九道( 应 院 变片) 浙江大学6 3 点( p v d f 压电薄膜) 大连201 医 d h g z ( 气导微压式) 院 西苑医院压电晶体 江西脉图协作 m x 一8 1 l 型( 液态汞) 组 中科院基础所硅杯式( 单晶硅) 中科院智能机软接触式( 应变片， 械所液态) 湖南省中医学血管容积式( 光敏元 院件) 湖南省中医研 阻抗仪 究院 中国台湾汪叔 游 三部压力换能器 三部手套力与压力复合 美国d r l a u b( 压电晶体) 式 德国p a r k h s 式 三部绑带充气加压 日本谷美智士半导体应变片式 脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、 气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成脉象探头的主要原件有应变片， 压电晶体、单晶硅、光敏元件、pvdf 压电薄膜等，其中以单部单点应变片式 为最广泛，不过近年柬正在向三部多点式方向发展。 1 3 数据采集系统的选择 现在的数据采集大致有以下几种嘲： 1 ，利用市场上现有的数据采集卡，这样的优点是采集的速度快，数据精确， 可信度高，操作方便，而且都带有计算机软件驱动程序，可以很方便地与计算机 配合使用，但是价钱太高，而且不容易修改，一旦选定了一块数据采集卡，就不 能对其的参数进行修改。 2 ，自己做一个简单的数据采集卡，即把数据采集系统做成一块p c i 卡，在 采集数据的时候把采集卡插到计算机的p c i 插槽中，用计算机对其进行驱动，就 可以进行数据采集了。优点是做成了p c i 卡的形式，可以直接插到计算机的插槽 中，充分利用了计算机的资源。缺点是要编写驱动程序，而且还需要计算机有闲 置的p c i 插槽。 3 ，利用计算机的音频设备和视频设备来采集数据，如利用麦克来采集音频 信号，利用摄像头和数码相机来采集视频信号。这种采集数据的方式的优点是方 便，也不需要硬件电路和软件驱动程序。但是它应用的范围很窄，只能采集简单 的音频信号和视频信号，不能采集别的信号，如我们要采集的脉象信号就不能用 这种方法。 4 ，利用单片机做一个简单的数据采集系统，利用单片机和a d 转换电路实 现数据采集，然后利用串口将采集到的数据传给计算机。这种采集方式的优点是 硬件电路比较简单，速度也比较快，单独供电，串口通信。缺点是需要编程序使 串口通讯能够进行，即接收由串口传过来的数据，以前都是利用w i n d o w s 的a p i 函数，但是利用这种函数编写串口通讯程序非常复杂；还有一种是利用v b 6 0 的通讯控件m s c o m m 来实现串口通讯，v b 6 0 的m s c o m m 通讯控件为标准的通讯命 令集提供了一个接口，它允许程序员建立一个基于串行口的连接，可进行命令的 确认，数据交换，以及对串行接口处可能出现的各种事件或错误进行监视，并可做 出反应。另外v b 6 0 通过属性方法提供了串行通讯口参数的设置，可以较容易地 解决串口通讯问题。 我们采用的是第四种方法，即利用单片机来做一个简单的数据采集系统。在 单片机的选择上，我选用了美国a d 公司的a d u c 8 1 2 单片机，这个单片机本身带 有8 个通道的a d c 和2 个通道的d a c ，因此a d 转换和控制转换都可以由它来完 成。软件方面，我采用v b 6 0 的m s c o m m 控件来编程实现与单片机的通讯。 1 4 创新之处 如前所述，中医脉象仪方面进展很快，但是它们在脉象信息的存储方面般 是运用心电图机或多道生理记录仪打印出来，没有再生的功能，打印完之后就再 也不能得到当时的脉象信息了。而我们利用计算机来对脉象信息进行存储，它是 把脉象信息存储在计算机里，而且利用里面提到的v b 程序能对脉象信息进行图 形再现，可以随时的再现六路脉象的波形，而且在显示脉象波形的时候还可以对 波形进行宽度调整，可以是波形变得非常易于观察，例如，如果我们对某一段波 形感兴趣，就可以对这一段波形进行适当的宽度放大，以便观察。这是前面所列 举的脉象仪不能做到的。 1 5 主要工作 我们要完成的主要工作如下： 1 利用脉象传感器提取出人体的六路脉象信号。 2 制作一块放大电路放大脉象信号，集成运放采用m a x 4 7 7 。 3 利用a d u c 8 1 2 制作一个数据采集器，对脉象信号进行采集，并将脉象信 息数据传送给计算机。采集系统包括采样保持，a d 转换等电路。 4 用v b 编程，接收从单片机传送过来的脉象信息数据，并且实时显示六路 脉象信息，在显示的同时存储。 第二章脉象信号的提取及数据采集 2 1 脉象采集系统的流程 1 ，脉象信号的特点：人的脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周 期信号。脉搏波动频率为6 0 一8 0 次m i n ，其频率成分主要分布在o 2 0 h z 之间， 属于次声，最高频率不超过4 0 h z “。 2 ，提取脉象信号：在实际过程中，为了提取准确的脉象信号，减小干扰， 我们采用医学专用传感器把脉象信号提取出来。由医学专用传感器采集出来的脉 象信号送入信号的处理电路。 3 ，脉象信号的处理：由医学专用传感器出来的信号非常微弱，而且还有 一定的噪声，因此必须要经过放大和滤波，这个放大电路的放大倍数一定要足够 大，而且还要保证不失真，同时输入电阻也要足够大“7 ”1 。将信号处理成为适度 大小的模拟信号，因为我们要用计算机来显示和分析脉象，而计算机只能识别和 处理数字信号，所以，我们必须要把模拟的脉象信号通过a d 转换，变成数字 信号。然后在通过数据采集系统把转换过来的数字信号采集送给计算机。再由计 算机来实现脉象信号的显示和分析。数据采集系统在下面有更详细的叙述。信号 流程如下图所示： 图2 1 系统的信号流程图 2 2 提取脉象信号的方案 人体的脉象有6 道，我们要把这6 道脉象信号全都提取出来，以便对其进行 观察和比较。如果每个脉象信号都有自己的放大电路和a d 转换电路，那么就要 求这些放大电路和a d 转换电路的性能参数相同，但是要做到这一点非常困难， 几乎是做不到的，因此我们采用单个通道循环采集的办法。具体做法是六路脉象 信号共用一路放大电路和a o 转换电路，我们用模拟通道选择开关c d 4 0 5 1 来对 脉象信号进行选择，同时利用单片机来控制这个选择开关，实现对六路脉象信号 的循环采集，具体电路如图2 2 所示 图2 2 脉象信号选择循环示意图 c d 4 0 5 1 是模拟通道选择开关，用的非常普遍，而且价格也比较便宜。它的 工作原理与数字电路中的数据选择器非常类似，它是八通道模拟选择开关，由单 片机来控制某一时刻哪个通道被选择，具体如表2 1 所示： 表2 一l 单片机控制信号被选择的通道 o 0o 第1 通道 001第2 通道 ol0 第3 通道 o11 第4 通道 1o 0第5 通道 1o1 第6 通道 11 0第7 通道 lll 第8 通道 可以对单片机编程，让控制信号在0 0 0 1 0 1 之间循环，这样就可以做到对 六路脉象信号的循环采集，而且由于a d 转换电路的采样速率是2 0 0 k 。而人的脉 搏的频率是很低的，一般都达不到每分钟1 2 0 次，即频率还不到2 h z ，根据奈奎 斯特采样定理，对脉象信号进行循环采集不会影响脉象信号的恢复，可以不失真 的还原出六路脉象信号。 这样，经过模拟通道选择开关c d 4 0 5 1 的选择，出来的只有一路脉象信号， 也就是只用一路放大电路和一路a d 转换电路就可以对脉象信号进行放大处理 和采集。 2 3 脉象信号的提取及放大 2 3 1 脉象信号的提取 人体的脉象信号通常是很微弱的，而且在人体内噪声干扰也比较大，采用普 通的传感器难以提取出所需的脉象信号，因此需要精度高、抗干扰能力强的传感 器来提取脉象信号，我们采用的是医学上专用的传感器。 脉象信号相当微弱，而且频率较低。这对于测量系统来说要具有很高的灵敏 度，同时又要降低其噪声。如果信号被噪声淹没，则放大信号的过程毫无意义。 从传感器所获得的脉象信号为差模小信号，并含有较大的共模部分，其数值有时 远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑伟4 共模信号的能力。所以放 大器除具备足够大的放大倍数外，还要具有高输入电阻和高共模抑制比 2 3 2 信号放大电路 由传感器提取出来的脉象信号是非常微弱的，必须对其进行放大处理，我们 采用的放大电路是仪器放大器。这种放大电路应用很广，因为它有很高的共模抑 制比，输入阻抗很大，基本没有直流漂移，而且还有非常宽的带宽，所以大部分 的生理信号的处理都采用仪器放大器。具体电路见图2 3 所示。 图中的运算放大器是m a x 4 7 7 。m a x 4 7 7 是一种低噪声、高精度、高速运算放 大器，其特性如下： 1 ，1 5 z v 输入偏移电压； 2 ，o 1 9 v 。c 漂移； 3 ，5 疗y 瓦输入噪声电压，2 州橱i 输入噪声电流； 4 ，li o o v 的上升速率； 5 ，3 0 0 m h z 的增益带宽积： 6 ，8 m a 的静态电流。 在图中r ，= r ；，r ，= r 。，r ，是调节放大倍数的，为了计算书写的方便， 在计算放大倍数的时候将r ，与r 。放在一起，、计为r 。 图2 3 脉象信号放大电路 由图2 3 可以很容易的算出放大倍数”_ 。 设同向输入端电压为+ ，反向输入端的电压为_ 一，1 点的电压为+ ，7 点的电压为一，最终的输出端的电压为。 利用虚短，虚断，可以算出： ”k 者羔娘，d 矗( 2 - - 1 ) 忙耐矗吼赫 用式( 2 - - 1 ) 减去式( 2 - - 2 ) 可以得到 ( 2 2 ) r j + 一- j 一= = 乞+ ，去一，o 一赤( 2 - - 3 )巧+ 叱2 肃哝赢 即可得到 ”( ”州1 + 半) ( 2 4 ) 同样利用虚断和虚短，可以计算出v o 与v o 一，v o 。的关系： 彘+ 熹以去( 2 - - 5 ) 因为r 3 = r 。，r ；= r 。将其代入式( 2 - - 5 ) 中，得到 v o = ( ”鲁 ( 2 - 6 ) 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 - - 6 ) 中，即可得到放大倍数 铲盘2 扣+ 半，( 2 - - 7 ) 通过选择适当的电阻的阻值，就可以得到想要的放大倍数，而且合理地利用 且，就可以拥有可调的放大倍数，用来适应不同大小的信号，在脉象采集系统 中用到的电阻阻值如下： r l 。1 0 0 k , r 22 l o o k ，r g2 l k ，r 7 是1 0 k 的大小可调的可调电阻，坞= 髓 = 1 0 0 k ，r 5 = r 6 = l o k 。 这样，我们就可以算出此放大电路的放大倍数的范围是1 0 0 - - 1 0 0 0 。 在一开始，应将r ，调成最大值，即1 0 k 韵阻值，这样可以防止由于放大倍 数过大而造成失真，此时电路的放大倍数是i 0 0 ，如果感觉脉象信号经过放大之 后还是比较小，就可以通过调节r ，的大小来调节放大倍数，将r ，的阻值调小就 可以将放大倍数变大。 2 4 数据采集系统 2 4 1 数据采集芯片a d u c 8 1 2 简介 经过传感器提取出来的脉象信号是模拟的电压信号，而计算机处理的是数字 信号，因此必须外加采样保持电路等辅助电路。在此数据采集系统中选用了a d 公司的数据采集芯片a d u c 8 1 2 ”，它是一个全继集成的高性能1 2 位数据采集系统 芯片，单个芯片内集成了高性能的自校准多通道a d c 和两个1 2 位d a c 及8 位与 8 0 5 1 兼容的m c u 。a d u c 8 1 2 本身带有8 k 字节的f l a s h 程序存储器，6 4 0 字节的 f l a s h 数据存储器以及2 5 6 字节数据存储器。a d u c 8 1 2 单片机的数据采集电路自 身不需要5 l 单片机内核的过多干预，设定转换时间标准、基准电压和最小化数 字噪声的麻烦工作都已经被自动完成了，达到数据检测与控制的高效性与精确 性。芯片集成了全部辅助功能块以充分支持可编程的数据采集核心，这些辅助模 块包括：看门狗定时器，窀源监视器以及a d c 等d a m 功能。同时它还为多处理器 接口和i _ 0 扩展提供3 2 条可编程的r 0 线、与1 2 c 兼容的s p i 和标准u a r t 串行 端口i o 。a d u c 8 1 2 可工作在一4 + 8 5 范围，采用3 v 或5 v 单电源工作，并 提供了低功率应用的灵活的电源管理方案，i , i c u 内核和模拟转换器二者均有正 常，空闲以及掉电工作模式。a d u c 8 1 2 采用5 2 个引脚塑料四方形扁平封装形式 ( p q f p ) ，引脚之间的间距为0 6 5 m m ，体积相当于一块硬币大小，这要求a d u c 8 1 2 相连的印刷板线路不能大于引脚自己的宽度0 1 m m ( 1 4 m i l ) “。 图2 4 为a d u c 8 1 2 数掘采集芯片功能框图”。 a r n o 州饼 | a i n 7 伊”) 雕0 一钟r p t0 一p 1 7 | l i l l 图2 4a d u c 8 1 2 数据采集芯片功能框图 由图2 4 可知，a d u c s l 2 的a d c 采集子系统部分由模拟多路转换器，温度 传感器，采样保持电路，1 2 位逐次逼近比较的a d c ，+ 2 5 v 基准电源和a d c 校正， t卜io棼毋vj 冒茁) | o 群 控制逻辑组成，大大简化了系统的硬件设计与硬件调试。 2 42 a d u c 8 1 2 外围电路 a d u c 8 1 2 的模拟输入端的电压有限输入范围与基准源有关。当采用内部基准 源时，其有效输入范围为0 + 2 5 v ：当采用外部基准源时，外部基准源应从v r e f 端引入，其合适的范围为十2 3 v + 5 v ，相应的模拟输入断的电压范围为o v v r e f 。无论如何不应使其输入电平为负或超过绝对最大允许值a v d d + o 3 v 。当信 号输入为双极性时，必须使用电平位移电路使其变为单极性信号输入。 图2 5 为单片机的外围电路，从图中可以看出单片机的复位与时钟电路， 其中复位电路采用的是a d m l 8 1 2 芯片。时钟电路里面采用的晶体是1 2 m h z 的。 a d u c 8 1 2 既可以使用片内的时钟振荡器，也可以使用片外时钟源，本系统采用的 就是片外时钟源，晶振旁边的电容的大小均为3 0 p f ，即c 9 = c 。= 3 0 p f 。 a d u c 8 1 2 的模拟正电源电压和数字正电源电压的引脚a v d d 和d v d d 分离，可 以使a v d d 不受系统d v d d 电源线上噪声信号的干扰。本采集系统采用的同一个电 源供电，在a v l ) d 与d v d d 之问串连磁珠来保证a v i ) d 不受d v d d 的影响，并且将 a v d d 去耦。在芯片每个v d d 引脚处接有小容量的陶瓷电容，并且尽可能保证陶 瓷电容与每个a v d d 引脚靠近，每个陶瓷电容的接地端直接连接到地平面。 图2 5h d u c 8 1 2 的外围电路 1 2 2 4 4 单片机的程序下载与在线调试 a d u c 8 1 2 的用户程序可以用两种方式写入单片机。，一种是通过标准的u a r t 串行接口进行串行下载写入即在线编程模式；第二种方式和e e p r o m 的编程方式 相同，通过编程器进行并行写入，即并行编程，在本采集系统中采用方便实用的 串行下载进行编程。 a d u c 8 1 2 和5 l 系列单片机开发一个显著地差别就是a d u c 8 1 2 可以不需要购 买专门的单片机开发系统，只需要q u i c k s t a r t 软件包，就可以通过串口从计算 机上直接把程序代码写入a d u c s l 2 的程序存储器中。o u i c k s t a r t 开发系统是一 个功能完善的a d u c 8 1 2 单片机系列开发工具包，可以从a d 公司下载，在国内也 可以从武汉力源公司网站下载。它的主要功能有：代码开发，完整的汇编器和c 编译器，代码下载，闪速电擦除u a r t 串行下载器。在一切硬件都准备好以后， 运行代码下载程序就可以把程序代码写入到a d u c 8 1 2 芯片中“。 在代码下载前，先把a d u c 8 1 2 的串行接口和计算机的串口依次接好。上电复 位时，如果a d u c 8 1 2 的控制引脚p s e n ( 4 1 引脚) 接+ v c c ，芯片上电后就处于正 常工作状态；如果p s e n 引脚通过1 k 的电阻接地，则芯片上电后，就处于闪速电 可擦除串行下载模式。这时运行软件包中的d o w n l o a d e x e 程序，就可以把单片 机的程序代码写入到a d u c 8 1 2 的程序存储器中，在写入前，d o w n l o a d e x e 程序 会自动对存储器进行电擦除。这个功能为a d u c 8 1 2 单片机系统的开发提供了一个 非常便利的条件。开发者可以在既不需要购买专门的开发系统又可以在调试过程 中不取下芯片的情况下，根据需要对a d u c 8 1 2 的片内存储器进行多次电擦除写入 操作。a d u c 8 1 2 单片机的利用串口在线下载调试编程的功能，使用户可以低 成本、高质量的开发应用，并且能随时随地的将用户系统更改软件进行升级，还 大大简化了硬件电路结构，缩小了系统的尺寸。 因为单片机的工作电平与计算机的不一样，为了实现计算机与单片机之间的 通讯，即下载单片机的程序和把单片机采集的脉象送给计算枫，必须对其进行电 平转换 图2 6 给出了a d u c 8 1 2 串行下载时电平转换的硬件电路。图中的集成块 是a d m 2 0 2 及a d u c 8 1 2 单片机的p 3 0 ( 1 7 引脚) 、p 3 1 ( 1 8 引脚) 构成了与计算 机通讯的r s 2 3 2 接口。此电路与图2 - - 5 中的p s e n 引脚( 4 1 引脚) 相配合，即 可完成将程序从计算机下载到a d u c 8 1 2 片内的程序存储器中。当下载程序时需将 单片机系统的电源关掉，将p s e n 引脚通过1 k 电阻接地，再绘单片机系统上电， 这时a d u c 8 1 2 就进入程序下载状态。运行计算机中的软件包就可将h e x 文件下载 到a d u c 8 1 2 内。这f 是本采集系统的方便之处，在修改程序的时候，既不需要昂 贵的编程器。也不用插拔芯片。 图2 6r s 2 3 2 接口电路 2 5 本章小结 本章做了一个放大倍数可调、具有高输入阻抗的放大电路，对由传感器提取 出来的脉象信号进行了初步的放大处理，以供由a d u e 8 1 2 单片机组成的数据采集 系统使用；还做了一个以a d u c s l 2 单片机为核心的数据采集系统，对已经放大的 脉象信号进行采集，将模拟的脉象信号转换成数字信号并输送给计算机。 1 4 第三章数据采集系统的软件编程 第二章说到了a d u c s l 2 具有独特的在线调试和下载功能，通过开发系统与 a d u c 8 1 2 的串口通信，可直接对用户系统进行调试，并在调试完成后将已经调试 好的程序下载到a d o c 8 1 2 中。本章就专门来讲如何对a d u c 8 1 2 进行编程。 3 1 控制a d 转换的s f r 寄存器。” 为适应不同信号源的实际要求，a d u c 8 1 2 片内a d c 模块内的所有部件都能方 便的通过3 个s f r 寄存器来设置“。转换数据的低8 位保存在a d c d a t a l 特速功 能寄存器中，而高4 位保存在a d c d a t a h 特速功能寄存器的低4 位中，a d c d a t a h 的高4 位用来保存采样的通道号。如果采样数据较大，如以2 0 0 k h z 的速率对被 输入的模拟信号进行连续采样，这时必须用d l c l h 模式，将采样数据直接保存在外 部数据存储器中，采样结束后再对数据进行处理。在本系统中由于数据量不大， 故不采用d m a 模式o ”。 三个控制寄存器的功能如下： 1 a d c c o n i 控制采样时间以及转换模式，各位的功能如下： m d lm d 2c k lc k oa q l a q o t 2 ce x c 其中：m d l 和m d o 为模式位，选择a d c 的有效工作模式( 表3 1 ) 表3 一l m d l m d 2 有效模式 0oa d c 掉电 ol a d c 正常工作 l0 如果不执行转换周期，那么a d c 掉电 l1 如果不执行转换周期，那么a d c 等机 c k l 和c k o 选择主时钟分频系数，从主时钟分频来产生a d c 时钟，c k l ，c k o 取值位0 0 1 1 ，分别按l ，2 ，4 ，8 分频：a q l 和a q o 选择a d c 采样保持电路采 集输入信号的时间，可选的采样时钟数为1 ，2 ，4 ，8 个a d c 时钟，当模拟输入 源的输出阻抗大于8 kq 时，建议把采集时钟增加到2 4 个时钟。t 2 c 是定时器 2 溢出触发位，通过置位该位，可以使用定时器2 的溢出信号作为a d c 转换触发 信号。e x c 是a d c 转换外部触发使能位，通过置位该位，可由外部引脚( c o n v s t ) 来触发a d c 转换。 2 a d c c o n 2 控制a d c 通道选择和转换模式： a d c ld m ac c o n vs c 0 n vc s 3c s 2c s lc s o 其中：a d c l 为中断标志位，在a d c 转换结束时由硬件置位，当m c u 响应中 断服务予程序时由硬件清除。d m a 为d m a 模式使能位，置“l ”时启动a d c 的d m a 模式进行工作。c c o n v 为连续转换模式使能位，置“1 ”时a d c 进入连续转换模 式。s c o n v 为单次转换模式使能位，置“1 ”时开始单个转换周期，转换结束时 s c o n v 位自动复位置至0 。c s 3 c s o 为通道选择位，用户通过程序指定进行a d 转换的通道，0 0 0 0 0 1 i l 时对应8 个模拟输入通道，1 0 0 0 时为温度传感器，1 1 1 i 为d m a 终止信号，其他情况保留。 3 a d c c o n 3a d c 状态指示位 用于给出a d c 状态指示位，只有第七位为b u s y 位，其他位保留，b u s y 位位 只读位，在一个有效地a d c 转换或校验周期中，该位为“1 ”，当转换或校验结束 后，该位为“0 ”。 3 2a d 转换流程图与程序 a d u c 8 1 2 单片机的内核与5 l 系列兼容，对它编程可以用5 l 系列的指令系统。 可以用汇编语言编程，也可以用高级语言c c + + 来编程。本书采用的是用汇编语 言对a d u c 8 1 2 单片机编程，程序流程图如图3 1 所示。 从图3 1 可以看出，一开始a d u c 8 1 2 单片机给c d 4 0 5 1 的信号为x = 0 0 0 ， 即第一通道被选择，转换第一路脉象信号，待转换完毕输出给计算机后，判断x 的大小，如果x 不等于1 0 1 ，那么x 就自动加l ，然后继续进行a d 转换，此时 单片机给c d 4 0 5 1 的信号是x ，即第x 通道被选择，这样继续下去，直到x 等于 1 0 1 ，此时对x 重新赋值，令x 等于0 0 0 ，重复上面的过程。 图3 一l 单片机程序流程图 第四章脉象信号的接收和显示 脉象信号通过数据采集系统采集之后，已经完全是数字信号。可以传到计算 机里进行显示和分析。本章内容就是利用v b 软件进行编程以便可以接收采集系 统采集到的脉象信号，而且并使之实时显示。 4 1 接收脉象信号 4 1 1m s c o m m 控件简介 用v b 6 0 开发串行通讯程序有两种方法：一种是利用w i n d o w s 的a p i 函数： 一种是利用v b 6 0 的通讯控件m s c o m m 来实现。利用a p i 函数编写串口通讯程序 比较复杂，而v b 6 0 的m s c o m m 通讯控件为标准的通讯命令集提供了一个接口，它 允许程序员建立一个基于串行口的连接，可进行命令的确认，数据交换，以及对串 行接口处可能出现的各种事件或错误进行监视，并可做出反应。另外v b 6 0 通 过属性方法提供了串行通讯口参数的设置，可以较容易地解决串口通讯问题。所 以此处采用m s c o m m 控件编程来实现与单片机的通讯。 m s c o m m 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。 m s c o m m 控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的a p i 函数，而且在v c 、v b 、d e l p h i 等语言中均可使用。m i c r o s o f tc o m m u n i c a t i o n s c o n t r o l ( 以下简称m s c o m m ) 是m i c r o s o f t 公司提供的简化w i n d o w s 下串行通信 编程的a c t i v e x 控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。 具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动( e v e n t - - d r i v e n ) 方法，一是查询法n ”。 事件驱动通讯是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。在许多情况 下，在事件发生时需要得到通知，例如，在串口接收缓冲区中有字符，或者 c a r r i e rd e t e c t ( c d ) 或r e q u e s tt os e n d ( r t s ) 线上一个字符到达或一个变 化发生时。在这些情况下，可以利用m s c o m m 控件的o n c o m m 事件捕获并处理这 些通讯事件。这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。每个m s c o n 蜘控件对 应着一个串行端口。如果应用程序需要访问多个串行端口，必须使用多个m s c o m m 控件。查询方式实质上还是事件驱动，但在有些情况下，这种方式显得更为便捷。 在程序的每个关键功能之后，可以通过检查c o m m e v e n t 属性的值来查询事件和 错误。如果应用程序较小，并且是自保持的，这种方法可能是更可取的。例如， 如果写一个简单的电话拨号程序，则没有必要对每接收一个字符都产生事件，因 为唯一等待接收的字符是调制解调器的“确定”响应。 因为只用到了一个串行端口，而且要求程序响应及时，要求每收到一个脉象 的数据就要接收。因此，我们中采用的是第一种方法，即事件驱动法。 4 1 2m s c o m x a 控件的属性设置1 m s c o m m 控件的属性很多，本小节就主要属性说明一下。 1 c o m m p o r t 属性：设置或返回通信连接端口代号。程序必须指定所要使 用的串行端口的号码。取值范围是1 1 6 ，当大于1 6 时，会显示错误信息。具 体属性的设置如下： m s c o m m l c o m m p o r t l = l 指定使用c o m l 作通信传输。 2 s e t t i n g s 属性：设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位参数。 其格式为“b b b b ，p ，d ，s ”，其中b b b b 为波特率，p 为奇偶校验，d 为数 据位数，s 为停止位数。v a l u e 的缺省值是：“9 6 0 0 ，n ，8 ，1 ”。具体属性的设置如 下： m s c o m m l s e t t i n g s = 9 6 0 0 ，n ，8 ，1 3 p o r t o p e n 属性：设置或返回通信连接端口的状态。使用串口之前必须 先将要使用的串行端口打开，在使用完毕之后，也必须执行关闭的操作。具体设 置如下： m s c o m m l