（电路与系统专业论文）脉象信号数据采集系统中的前期调理电路[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。传统的脉搏测量采用脉诊方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中 医上卓有成效的应用，但是受人为的影响因素较大，测量精度不高。现在计算机已使得中 医诊脉技术上了一个台阶，计算机可通过将传感器收集的脉搏信号数据采用波型迭加的办 法，处理、分析并判断出脉象与波型信号问的对应关系，以根据波型对疾病予以诊断治疗， 这在一定程度推广了中医诊脉治疗技术。 本论文本着低功耗的原则，设计了一套数据采集的基本电路。采集6 路信号时，采用了 单个通道循环采集的方法，即6 路脉象信号共用一路放大、滤波和a d 转换电路，用模拟 通道选择开关m c l 4 5 1 2 b 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6 路脉象信号的循环采集。 前置放大电路选用四c m o s 低功耗运算放大器c f 7 6 4 1 ，为了防止前置放大器工作于饱 和区或截止区，选择增益为l o 。为了将传感器提取的m v 级的信号放大到v 级，需要再设 计一个主放大器，本论文选用的是精密仪器放大器a d 6 2 4 ，它的显著的低噪声，高增益精 度，低增益温度系数和高线性度使得a d 6 2 4 在高要求的数据采集系统中成为理想的首选， 我们把该部分放大器的增益设置为1 0 0 ，输出约5 v 的电压信号，可以直接输入到a d 转换 部分。滤波电路选择二阶巴特沃斯滤波器，因为本设计中要求低频信号不被衰减，而对高 频要求不高，二阶巴特沃斯滤波器能很好的达到预期的要求。工频干扰是脉搏信号的主要 干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信 号方式进入电路的，所以必须专门滤除。我们选用了b b ( b u r r 2 b r o w n ) 公司的u a f 4 2 通用 有源滤波器设置成的双t 阻容有源陷波器，对5 0 h z 工频干扰进行了滤除，u a f 4 2 内部集成 了一个反向放大器和两个积分器，有效的克服了陷波器设计中最困难的得到严格容差、低 损耗、匹配的电容的问题。 a d 转换直接采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 中的1 2 位精度的逐次逼近式a d 转换器，它的转换速率 可达到l o o k s p s ，可以不失真的还原出六路脉象信号，a d 转换和控制均可以由其来完成。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 包含3 2 k + 1 2 8 字节的f l a s h ，该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可以在系统编程， 且不需在片外提供编程电压。c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机片内调试支持电路允许全速、在系统调试， 并且有专门的开发工具支持。我们采用c 8 0 5 1 f 0 0 5 中的a d 转换部分实现脉象信号的模数 转换，调试方便，而且达到了实验要求。 本论文还对电源部分进行了专门的设计，为了适应整个数据采集系统可以采用电池和 直接市电供电的需要，选取了不同的电源稳压器芯片，设计出了专门的电路在电池供电的 情况下，选择了小功率低压降型线性稳压器l p 2 9 5 1 ，它的输出电压有+ 5 y 固定式和 + 1 2 4 v + 2 9 v 可调式，消耗电流比其他的集成稳压器小，可延长电池的使用寿命。在市 电供电的情况下，选择了可以直接接入市电的专用集成稳压器h v 2 4 0 5 e ，它的输出电压一 般为5 矿固定输出，但是也可以改变。通过设计不同的稳压器电路，很好的满足了电池供 电和直接市电供电的需要。 关键词：脉象：循环采集：放大：滤波：5 0 h z 陷波：a o 转换：c 8 0 5 1 f 0 0 5 ：稳压器 i i a b s t r a c t p l u sd i a g n o s i n gi sv a l u e dh i g h l yi nh e r b a l i s m t h ee a ta n df l o w o f v i s c u so f p a t i e n t s ，c a r lb e k n o w nb yp l u sd i a g n o s i n g ，w h i c hc a na l s ob eu s e dt od e t e c tt h er e a s o na n dp o s i t i o no fd i s e a s e a n df o r e c a s tt h ee f f e c to fc u r e t r a d i t i o n a lp l u se x a m i n i n gw a sr e a l i z e db yp l u sd i a g n o s i n g a p p l i e de f f e c t i v e l yi nh e r b a l i s m h o w e v e r , t h i st e c h n i q u eg o tr e l a t i v el o w e rp r e c i s i o nb e c a u s eo f t h em a n - m a d ei n f i u e n c e f o r t u n a t e l y , c o m p u t e rt e c h n i q u e sl e a dt h ep l u sd i a g n o s i n gt e c h n i q u et o a n o t h e rh i g h e rs t e p ，f o rt h ep l u sd a t ac o l l e c t e db ys e n s o rc a l lb ep r o c e s s e db yc o m p u t e rb yp l u s p r o g r a m m e r , a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n sb e t w e e np l u sd a t aa n dw a v e sc o u l db ek n o w n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，t h ed i a g n o s ea n dc u r es c h e m ec a nb ed e t e r m i n e db yd o c t o r s ot h a t c o m p u t e rg o e si n t oh e r b a l i s mg e n e r a l i z et h ep l u sd i a g n o s i n gt e c h n i q u e i nt h i sp a p e r , as e r i e so fd a t ac o l l e c t i n gb a s i cc i r c l e sw i t hl o wp o w e rw a sd e s i g n e d t h ep l u s c o l l e c t i o ni ns i xc h a n n e l sf i n i s h e dc o l l e c t i o nb yc y c l ec o l l e c t i o ni no n l yo n ec h a n n e l t h a ti st h e p l u si ns i xc h a n n e l sa p ) l yac o m m u n i t ya m p l i f i e r , f i l t e ra n da d ，t h e nt h ep l u sw o u l db ec h o s e n b ym c l 4 51 2 b ，w h e nt h es i n g l ec h i pc o n t r o lt h ec h o o s i n gs h i f t p r e f i xa m p l i f i e ru s e sc m o sc f 7 6 4 1 ，l o wp o w e ro p e r a t i o na m p l i f i e r , w i t hp l u s1 0t o p r e v e n tp r e f i xw o r k i n gi ns a t u r a t i o na n dc u t o f ff i e l d 。i no r d e rt oa m p l i f yt h ep l u sc o l l e c t e db y s e n s o rf r o mm vt ov w eu s ee x a c ta m p l i f i e ra d 6 2 4 ，w i t hl o wn o i s e ，h i g hp l u sp r e c i s i o n ，l o w p l u st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n dh i g hl i n e a r i t y , a n dm a k et h ep l u so n1 0 0 ，o u tp u tp r e s s u r e5 v i n t oa dd i r e c t l y b a t w o s sf i l t e rw a sa p p l i e di nf i l t e rc i r c l et om a k et h er e s u l tm e e tt h er e q u e s t i n o r d e rt ow a k e nt h ei n t e r f e r e n c ef r o mf r e q u e n c y u a f 4 2p m d u c e db yb bc o m p a n yi st h eb e s t c h o i c e ，f o ri tc a ns h o v e lt h ed i s t u r b a n c er i n s e db yf b q u e n c y a dc o n v e r s i o n ，w i t h1 2b i tp r e c i s i o na p p r o a c h i n gt h eg o a le v e n t u a l l ya n dt h ec o n v e r s i o n r a t ec o u l dr e a c h1 0 0 k s p s ，c o u l dr e d u c et h ep l u sd a t af r o ms i xc h a n n e l se x a c f l y c 8 0 51 f 0 0 5 i n c l u d e sf l a s ho f3 2 k + 12 8b i t s t h em e m o r i z e r , w i t hs e c t o ro f512b i t s ，c o u l db ep r o g r a m m e d j u s ti ns y s t e m a i dc o n v e r s i o nf r o mc 8 0 5 1 f 0 0 5c o u l dr e a l i z et h ea dc o n v e r s i o no f p l u sd a t a ， c o n v i n c ed e b u g g i n ga n dr e a c ht h er e q u e s to f e x p e r i m e n t i nt h i sp a p e r , p o w e rs e c t i o ni sa l s od e s i g n e ds p e c i a l l y , t of i tt h ew h o l ed a t ec o l l e c t i o n s y s t e m sc a l lu s et h eb a a e r ya n dp o w e rs u p p l y , w ec h o s ed i f f e r e n tm a n o s t a tc h i pa n dd e s i g n d i f f e r e n tc i r c u i t ，w h e nt h eb a t t e r yi si nu s e ，w ec h o s et h el i t t l ep o w e rl o wv o l t a g er e d u c e d l i n e a r i t ym a n o s t a tl p 2 9 5 1 ，i t so u t p u tv o l t a g ei s + 5va n d + 1 2 4 v + 2 9 v ，t h eu s eu po ft h e e l e c t r i cc u r r e n ti sl o w e rt h a no t h e ri n t e g r a t i o nm a n o s t a t ，a n dt h el i f e s p a no ft h eb a k e r yc a nb e p r o l o n g e d w h e nt h ep o w e rs u p p l yi s i nu s e ，w ec h o s et h es p e c i a li n t e g r a t i o nm a n o s t a t h v 2 4 0 5 e ，w h i c hc a nc o n n e c tt h ep o w e rs u p p l yd i r e c t l y ，i t so u t p u tv o l t a g ei sc o m m o n l y 十5v ，b u t i tc a nb ec h a n g e da l s o b yd e s i g nd i f f e r e n tm a n o s t a tc i r c u i t ，w em e e tt h eb a t t e r ya n dp o w e r s u p p l y sn e e dc o m m e n d a b l y 1 1 1 k e yw o r d s ：p l u s c i r c l e c o l l e c t i o n ；a m p l i f y ；f i l t e r ；5 0 h zf a l l i n gw a v e ；a dc o n v e r s i o n ； c 8 0 5 1 f 0 0 5 ；m a n o s m t 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：耸毋牟日期：塑2 t 金 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了饵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。本人授权东北师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。 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 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，可以耳察，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。 人体心室周期性的收缩和舒张导致主动脉的收缩和舒张，使血流压力以波的形式从主 动脉根部开始沿着整个动脉系统传播，这种波称为脉象波。脉象波所呈现出的形态、强度、 速率和节律等方面的综合信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流 特征m 。 传统的脉象测量采用脉诊方式，中医脉象诊断技术就是脉象测量在中医上卓有成效的 应用，但是受人为的影响因素较大，测量精度不高。无创测量( n o n i n v a s i v em e a s u r e m e n t s ) 又称非侵入式测量或间接测量，其重要特征是测量的探测部分不侵入机体，不造成机体刨 伤，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。 现在计算机已使得中医诊脉技术上了个台阶，计算机可通过将传感器收集的脉象信 号数据采用波型迭加的办法，处理、分析并判断出脉象与波型信号间的对应关系，以根据 波型对疾病予以诊断治疗，这在一定程度推广了中医诊脉治疗技术。对脉象与波型信号间 的对应关系的数学分析模型是多元回归，传感器所采集的脉象内容既可以是脉象参数，也 可以是脉象波型。 计算机专家诊断系统的应用和开发是建立在人工智能技术基础之上的。 1 2 数据采集的意义和任务 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计 算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中，应用这一 系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信 息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过 程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越 高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能 识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时， 将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将 被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有 尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 数据采集系统主要由硬件和软件两部分组成。从硬件方面来看，目前数据采集系统的 结构形式主要有两种：一种是微型计算机数据采集系统，另一种是集散型数据采集系统。 数据采集系统大致可分为四种1 2 1 ： 1 基于通用微型计算机( 比如p c 机) 的数据采集系统 这种系统主要功能是将采集来的信号通过外部的采样和a d 转换后的数字信号通过接 口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果或经过d a 转换输出。它主要有以下几 个特点： ( 1 ) 系统较强的软、硬件支持。通用微型计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支 持系统进行工作。 ( 2 ) 具有自开发能力。 ( 3 ) 系统的软硬件的应用配置比较小，系统的成本较高，但二次开发时，软硬件扩展能 力较好。 ( 4 ) 在工业环境中运行的可靠性差，对安放的环境要求较高；程序在r a m 中运行，易受 外界干扰破坏。 2 基于单片机的数据采集系统 它是由单片机及其些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快速发展的结 果，它具有如下特点： ( 1 ) 系统不具有自主开发能力。因此，系统的软硬件开发必须借助开发工具。 ( 2 ) 系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统 的软硬件应用配置具有最佳的性价比。系统的软件一般都有应用程序。 ( 3 ) 系统的可靠性好、使用方便。应用程序在r o m 中运行不会因外界的干扰而破坏，而 且上电后系统立即进入用户状态。 3 基于d s p 数字信号微处理器的数据采集系统 d s p 数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，常用的数字信号处理芯 片有两种类型，一种是专用d s p 芯片，一种是通用d s p 芯片。基于d s p 数字信号微处理器的 数据采集系统的特点如下：精度高、灵活性好、可靠性好、容易集成、分时复用等，但同时 成本较高。 4 基于混合型计算机采集系统 这是种近年来随着8 位单片机出现而在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构 2 形式。它是由通用计算机( p c 机) 与单片机通过标准总线( 例如r s 一2 3 2 c 标准) 相连而成。单片 机及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集 系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集 系统有以下特点： ( 1 ) 通常具有自开发能力。 ( 2 ) 系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。 ( 3 ) 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 ( 4 ) 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 1 3 数据采集系统的基本结构形式 图i 1 数据采集系统的基本结构形式 1 4c 8 0 5 1f o ) ( ) ( 系列单片机的特点 c 8 0 5 1 f o x x 系列单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机芯片上有1 个1 2 位多通道a d c ( f 0 0 0 0 i 0 2 0 5 0 6 0 7 ) 或1 0 位的多通道a d c ( f 0 1 0 1 1 1 2 1 5 1 6 1 7 ) 。 每种器件都有1 个可编程增益放大器、2 个1 2 位d a c 和2 个电压比较器( f 0 0 2 0 7 1 2 1 7 例外只有1 个) 、1 个电压基准、1 个具有3 2 k bf l a s h 存储器、与8 0 5 1 兼容的微控制器内 核，还有硬件实现的而不是在拥护软件中用位操作模拟的s 船u s i 、u a r t 、s p i 串行接口 及1 个具有5 个捕捉比较模块的、可编程的计数器定时器阵列p c a 。c 8 0 5 1 f o x x x 系列单 片机还有4 个遁用的1 6 位定时器和4 b 宽的通用数字i 0 端口。c 8 0 5 1 f 0 0 0 o i 0 2 1 0 1 1 1 2 有2 5 6 b 的r a m ，运行速度可达2 0 m i p s ；而c 8 0 5 l f 0 0 5 0 6 0 7 1 5 1 6 1 7 有2 3 0 4 b 的姒m ， 执行速度可达2 5 m i p s 。 c 8 0 5 1 f o x x x 系列单片机具有片内v d d 监视器、w d t 和时钟振荡器，是真正能独立工作的 片上系统。每个单片机都能有效地管理模拟和数字外设、f l a s h 存储器，还具有在系统重 新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8 0 5 1 程序。每个单片机都可以关 闭单个或全部外设以节省功耗。 片内j t a g 调试支持功能允许对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式( 不占用 片内资源) 、全速在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、 观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能 运行。 每个单片机都可在工业温度范围_ 4 5 + 8 5 。c 内，采用2 7 3 6 v 的工作电压。端口i o ， r s t 和j t a g 引脚都允许5 v 的输入信号电压。c 8 0 5 1 f 0 0 0 0 5 1 0 1 5 为6 4 脚t q f p 封装。 c 8 0 5 1 f 0 0 i 0 6 1 1 1 6 为4 8 脚t q f p 封装。c 8 0 5 i f 0 0 2 0 7 1 2 1 7 为3 2 脚l q f p 封装“。 1 5 r & 3 0 5 1 f 0 0 5 单片机简介 c 8 0 5 1 f 0 0 5 是c 8 0 5 1 f x x x 系列的一个基本产品，工作电压低( 2 7 3 6 v ) ，满足本论文 设计低功耗的要求；2 3 0 4 字节数据存储器，3 2 k 字节闪速存储器，对于模拟多路选择器的 控制和a d 转换要求已经足够：可编程转换速率，最大1 0 0 k s p s ，脉象信号的频率最大为 1 0 0 h z ，足可以不失真的对脉象信号进行还原。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的内部结构介绍如下。1 ： 1 1 c i p 一5 i 内核：c 8 0 5 i f 0 0 5 使用c y g n a l 的专利c i p 5 1 微控制器内核。c i p 5 l 与m c s 5 1 指令集完全兼容，可以使用标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发。c i p 一5 1 内核具 有标准8 0 5 1 的所有外设部件，包括4 个1 6 位的计数器定时器、一个全双工u a r t 、2 5 6 字节 内部r a m 空间、1 2 8 字节特殊功能寄存器( s f r ) 地址空间及4 字节宽的i o 端口。c i p - 5 1 还另外有增加的模拟和数字外设或功能部件。 c i p 一5 l 采用流水线结构，与标准的8 0 5 l 结构相比，指令执行速度有很大的提高。在一 个标准的8 0 5 1 中，除m u l 和d 以外所有指令都需要1 2 或2 4 个系统时钟周期，最大系统时 钟频率为1 2 - 2 4 m h z 。而对于c i p 5 l 内核，7 0 的指令的执行时间为1 或2 个系统时钟周期， 只有4 条指令的执行时间大于4 个系统时钟周期。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 的m c u 在c i p - 5 l 内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能， 更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向c i p 5 1 提供2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大量的模 拟和数字外设中断微控制器。由中断驱动的系统需要较少的单片机干预，却有更高的执行 效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 m c u 可有多达7 个复位源：一个片内v d d 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失 检测器、一个由比较器0 提供的电压检测器、一个软件强制复位、c n v 娜玛i 脚及瓜s t 引脚。 瓜s t 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到瓜s t 引脚。除了 v d d 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。在一次上电复位 之后的m c u 初始化期间，w d t 可以一直被使能。 m c u 内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要， 时钟源可以在运行时切换到外部振荡器，外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、 r c 或外部时钟源产生系统时钟。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许 4 m c u 从一个低频率( 节电) 外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速( 可达1 6 m h z ) 的内部振荡器。 存储器：c i p - 5 1 有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。它包括2 5 6 字节的数据r a m ，其中高 1 2 8 字节为两个地址空间。用间接寻址访问通用r a m 的高1 2 8 字节，用直接寻址访问1 2 8 字 节的s f i l 地址空间。数据r a m 的低1 2 8 字节可用直接或间接寻址方式访问。前3 2 个字节为4 个通用工作寄存器区，接下来的1 6 字节既可以按字节寻址又可以按位寻址。 c 8 0 5 1 f 0 0 5 中的c i p - 5 1 还另有位于外部数据存储器地址空间的2 0 4 8 字节的r a m 块。这个 2 0 4 8 字节的r a m 块可以在整个6 4 k # h 部数据存储器地址空间中被寻址( 见图1 6 ) 。 m c u 的程序存储器包含3 2 k + 1 2 8 字节的f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可 以在系统编程，且不需在片外提供编程电压。从o x 7 e o o 到0 ) 【7 f f f 的5 1 2 字节被保留，由工 厂使用。还有一个位于地址0 x 8 0 0 0 0 x 8 0 7 f 的1 2 8 字节的扇区，该扇区可作为一个小的软件 常数表或额外的程序空间。 j t g 调试和边界扫描：c 8 0 5 1 f 0 0 5 具有片内j t a g 和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并 使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该n - a g 接口完全符合i e e e1 1 4 9 1 标准，为生产和测试提供完全的边界扫描功能。 c y g n a l 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器、断点、观察点，堆栈指示器和 单步执行。不需要额外的目标r a m 、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模 拟和数字外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设( 越) c 除外) 都停止运行，以便保持与指令执行同步。 对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准m c u 仿真器要优越得 多。标准的m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有m c u 的插座。 s i l i c o nl a b s 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 可编程数字i 0 和交叉开关：c 8 0 5 1 f 0 0 5 具有标准8 0 5 1 兼容的i o 。i ，o 端口的工作情况与 标准8 0 5 l 相似，但有一些改进。 每个端d i o 弓i 脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固定的“弱上拉” 可以被禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 可能最突出的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部 数字系统资源分配给端d f o 弓i 脚。与具有标准复用数字f o 的微控制器不同，这种结构可支 持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时器、串行总线、 硬件中断、a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现 在端口f o 引脚。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端i z l i o 和所需数字资源的组 合。 可编程计数器阵列：除了4 个1 6 位的通用计数器定时器之外，c 8 0 5 i f 0 0 5 还有一个片内可 编程计数器定时器阵列( p c a ) 。p c a 包括一个专用的1 6 位计数器定时器时间基准和5 个 可编程的捕捉比较模块。时间基准的时钟可以是下面的4 个时钟源之一：系统时钟1 2 、系 统时钟4 、定时器0 溢出或外部时钟输入( e c i ) 。 每个捕捉比较模块都有4 种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、脉冲宽 度调制器。p c a 捕捉比较模块的f o 和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到m c u 的端 0 i 0 日l 脚。 串行端口：c 8 0 5 1 f 0 0 5 m c u 内部有一个全双i u a r t 、s p i 总线和1 2 c s m b u s 。每种串行 总线都完全用硬件实现，都能向c i p 5 1 产生中断，因此很少需要c p u 的干预。这些串行总 线不“共享”定时器、中断或端i l f o ，所以可以使用任何一个或全部同时使用。 模数转换器：c 8 0 5 1 f 0 0 5 有一个片内1 2 位s a ra d c ，一个9 通道输入多路选择开关和可 编程增益放大器。该a d c z 作在1 0 0 k s p s 最大采样速率时可提供真正的1 2 位精度。片内还 有一个1 5 x1 0 4 的电压基准，也可以通过砸f 引脚使用外部基准。 a d c 完全由c i p 一5 1 通过特殊功能寄存器控制。有一个输入通道被连到内部温度传感器， 其它8 个通道接外部输入。8 个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差 分输入。系统控制器可以关断a d c 以节省功耗。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0 5 至u 1 6 以2 的整 数次幂递增。当不同a d c 输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有 较大直流偏移的信号时( 在差分方式，d a c 可用于提供直流偏移) ，这个放大环节是非常 有用的。 a d 转换可以有4 种启动方式：软件命令、定时器2 溢出、定时器3 溢出或外部信号输入。 这种灵活性允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。一次转换完成可以产生 一个中断，或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。在转换完成时，1 0 或1 2 位转换结 果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。在软件控制下，这些数据字可以是左对齐或右 对齐。 a d c 数据比较寄存器可被配置为当a d c 数据位于一个规定的窗口之内时向控制器申请 中断。a d c 可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控 制器申请中断。 数模转换器：c 8 0 5 1 f 0 0 5 m c u 内部有两个1 2 位d a c 。m c u 可以将任何一个d a c 置于低 功耗关断方式。 比较器：c 8 0 5 1 f 0 0 5 内部有两个比较器c p o 和c p l ，m c u 可以将任何一个比较器置于低功 耗关断方式。可以用软件设置比较器的回差电压。每个比较器都能在上升沿或下降沿产生 6 中断，或在两个边沿都产生中断。比较器的输出状态可以用软件查询。这些中断能将m c u 从空闲方式唤醒。可通过设置交叉开关将比较器的输出接到端口的引脚。 1 6 创新之处 在我们工作之前的脉象信号的采集系统所采集的都为一路信号( 4 - 2 3 1 ，只有一路信号的采 集势必会使采集的结果具有片面性，有的时候不能更准确地反映人的身体健康状况，我们 的工作拟提取六路脉象信号( 即左手：寸脉，关脉，尺脉与右手：寸脉，关脉，尺脉) ，这 样能更准确地反映出人体的健康状况，为人类的健康提供更可靠的保障! 同时我们选择的 器件均为低功耗器件，使其在于电池供电的情况下即可正常工作。 1 7 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六路脉象信号 2 选择合适的模拟开关对六路脉象信号进行选择，传给后面的放大电路。 3 选择放大电路对脉象信号进行放大。 4 低通滤波电路，尤其注意5 0 h z 工频干扰的滤除。 5 a d 转换电路，输出脉冲信号，提供给计算机进行分析。 6 对电池和市电供电的不同情况下的稳压器电路( 交直流两用) 。 第二章脉象信号的提取 2 1 脉象信号的特点 人的脉象信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。其频率成分主要分布在 o l o o h z 之间“3 ，体表电压为0 5m v 左右。特征频率低、变化缓、信号弱。记录的条件 是信号来自活体，信号源阻抗较高，常伴随着较强的背景噪声和干扰。 2 2 提取脉象信号的方案 由于人体的脉象信号非常微弱，而且人体内的噪声干扰也非常大，采用普通的传感器 难以提取出所需的脉象信号，需要精度高、抗干扰能力强的传感器来提取，我们采用的是 医学上专用的删一1 型脉象传感器。 人体的脉象有6 道( 即左手的寸脉、关脉、尺脉，右手的寸脉、关脉、尺脉) 。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网难，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6 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 m c l 4 5 1 2 b 来对脉象信号进行选择。它是由) d o s p 沟道和n 沟道增强型器件构成的。 具体电路如图所示。 图2 1 脉象信号选择循环示意图 它的推荐工作条件为： 电源电压范围：3 v 5 v 输入电压范围：o v 工作温度范围： m 类：- 5 5 。c 1 2 5 。c e 类：- 4 0 。c 8 5 。c 极限值： 电源电压：- 0 。5 v i s v 输入电压：一0 5 v v 叩+ 0 5 v 输入电流：1 0 m a 贮存温度：一6 56 c 1 5 0 。c 引出端功能符号： a 0 a 2地址输入端 d o d ， 数据输入端 丽输出允许控制端 i n h禁止输出控制端 v 。 正电源 v s 地 y数据输出端 p 稍a s s l 6 n m e 町 图2 2m c l 4 5 1 2 b 引脚图 该芯片内有保护电路，防止电压或电流过大烧毁芯片。并且，v ；。和t 必须处于特定 的范围v 。( v ；。或v 。) v m 未使用的输入口必须置高电位，未使用的输出口必须悬空。 9 图2 3m c l 4 5 1 2 b 逻辑图 功能表 输入输出 e n i n h a 2a ia 0y llll ld 0 llllh d l lllhl d 2 lllhh d 3 l l hll仇 llhlh d 5 llhhld 6 llhhh d 7 h z lh l 可以对单片机编程，让控制信号在0 0 0 1 0 1 之间循环，这样就可以作到对六路脉象信 号的循环采集。人的脉象的频率是很低的，一般都达不到l o o h z ，而a d 转换电路的采样 速率是6 2 5 k l t 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 1 0 恢复，可以不失真的还原出六路脉象信号。 2 3 生物信号放大器设计要求 前置放大是脉象信号数据采集的关键环节，由于人体脉象信号十分微弱，噪声背景强 且信号源阻抗较大，加之电极引入的极化电压差值较大( 比脉象信号差值幅度大几百倍) ， 因此，通常要求前置放大器具有以下的性能“1 ： 1 ) 高增益心电放大器的电压增益，一般在8 0d b 1 2 0d b 之间。 2 ) 高共模抑制比心电放大器必须具有好的抗干扰能力，一般需要有6 0d b 以上的 c 枷讯。 3 ) 高输入阻抗般不小于2m q ，有的可达1 0 0 m q ，否则所测信号会产生很大误差， 同时也会降低整机的抗干扰能力。 4 ) 低噪声若心电放大器本身噪声较高，可能会将有用的微弱信号淹没。心电放大器 输入噪声在pv 级。 5 ) 低漂移漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引 起的零点漂移尽可能小。 6 ) 高安全性。 7 ) 宽的线性工作范围等。 2 4 放大电路的设计和选取 2 4 1 前置放大器选取 为了满足以上对前置放大器的要求，以及我们设计的低功耗的宗旨，我们选用了四 c m o s 低功耗运算放大器c f 7 6 4 1 0 。c f 7 6 4 1 为单片c m o s 低功耗四运算放大器，其工作 电源电压+ o 5 + 8 v ，单独的锂电池供电即可运行，输入电流极小。不需要外部的器件即 可以把电流设置成l m a ，1 0 0 0 a ，o r1 0 9 a ，这时它的功耗可以低至2 0 w 。差模输入电压为 i ( 一+ o 3 ) - ( v o 3 m v 共模输入电压 ( 一+ o 3 ) ( e 一0 3 ) v 。 最重要的是，当输入电流非常小的时候，等效输入噪声电压1 0 0 n v 舷，输入电阻 1 0 1 2o 。这些特征使得当源阻抗非常大时，放大器的特性达到了最优化。 该放大器内部有输入保护电路，防止接地短路和任何电源不适对电路造成的损坏( v d d 1 0 v ) 。 非常好的交流性能，电压回升速率为1 6 v p s ，单位增益带宽为1 m h z ( i o = lm a ) 。 由于功率耗散非常低，结温度的上升和漂移也很小。这些特性使得电路具有稳定的结 构，广范围的应用和高密度的封装。 该器件主要特点： 内补偿 无失调调零 偏置固定f 1 0 1 4 ) 开环电压增益 共模抑制比 输入失调电压 引出端符号说明： i n +同相输入 矾 反相输入 o 输出 v +正电源 v - 负电源 o u t a - i n a 堋 v + 耐 瓤b o u i b o u t d j h d + i h d v - + 恍 瑚c o o t c 图2 4c f 7 6 4 1 引脚图 l a 咿啊s t a g e 鞋丁硎g s 瓣 ，- - ，k 一，- - j 、- 一 图2 5c f 7 6 4 1 原理图( 1 4 ) 1 2 o u m t i t 裟洲 图2 6 前置放大器电路 由图可以算出放大倍数。 利用虚短和虚断，可得 n ：! 坠竺! 鱼 。2 r 6 + 2 r 3 + r 4 矿：坠竺堡 。 2 r 6 + 2 r ，+ 墨 由上面两式可得 铲告墨r 4 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r 、墨， 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 1 = r 2 = r 8 = r ，o = l 瘕2 ，r 3 = b = r 6 = r 7 = 1 0 0 k f l ，为防止前置放大器工作于饱和区 或截止区，其增益不能过大。试验表明，1 0 倍左右效果较好。所以我们取r 4 = 5 0 艘， 见= 5 0 0 k f l 以：旦：三咝：1 0 r 。 5 0 k 2 4 2 主放大电路 脉象信号的幅度约为0 5 m v ，而a d 转换输入信号要求5 v 左右，因此整个信号电路的放 大倍数需要1 0 0 0 倍左右。而前置放大器的增益为1 0 ，所以还需要设计一个放大器，它的增 益为1 0 0 左右。 我们