（电路与系统专业论文）基于AT89C51单片机的脉象信号采集系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 脉象信号是反映人体机能的重要参数，在人体的生命监护中有极其重要的参考价 值。准确地测得人的脉象信号，及时反映脉象随时间的变化，对于临床医学有着重要的 意义。 随着电子技术的发展，单片机以其体积小、功能强、功耗低的特点在仪器中应用广 泛，我们本着实用、可靠、安全、简洁及经济等原则，设计开发了基于单片机a t 8 9 c 5 1 的脉象数据采集处理电路：对从脉象传感器获取的脉象信号进行调理，确保所获取的脉 象信号质量及幅度；利用a d c 0 8 0 9 设计了模数转换电路，利用单片机控制其对脉象信 号进行模数转换，并将脉象信号数据其送入计算机进行实时显示、存储；在单片机与计 算机通信过程中，由于单片机的串行接口输出的是t t l 电平，本文设计了通用的r s 2 3 2 电平转换电路对其进行电平转换，可以实现两种不同电平间的数据传输，计算机与单片 机之间采用串行通信异步传输；在上层计算机界面部分，我们利用v b 6 0 的m s c o m m 控件制作了人机交互界面，所设计的界面能对采集的脉象信号进行显示与处理，并能根 据需要设置通信端口，操作简单、方便。 本系统可实时、连续、长时间的采集人的脉象信号，具有实用价值。 关键词：脉象信号：a t 8 9 c 5 1 ；a d c 0 8 0 9 ：串行通信；异步传输；m s c o m m 控件 a b s t r a c t t h ep u l s ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rt h a tr e f l e c t st h eh u m a nb o d yf u n c t i o n w h i c hh a s v e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ei nt h el i f ew a r do ft h eh u m a nb o d y ，w em e a s u r ea c c u r a t e l yt h e p e r s o n sp u l s es i g n a la n dr e f l e c tt h ep u l s es i g n a lw i t ht h ev a r i e t yo ft i m e ，w h i c hh a v et h e i m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h ec l i n i c a lm e d i c a ls c i e n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，m i c r oc o n t r o l l e ru n i tg e n e r a la p p l i e st o t h ei n s t r u m e n tf i e l do w i n gt ot h es m a l lv o l u m e ，t h es t r o n gf u n c t i o n ，t h el o wp o w e rc o n s u m i n g a c c o r d i n gt oc u r r e n tt e c h n i q u ea n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，w ed e s i g n e da n dr e s e a r c h e dt h e p r o j e c to fp u l s es i g n a la c q u i r i n ga p p a r a t u sb a s eo na t 8 9 c 51 ：i tc a na c t u a l l yw i t h d r a wt h e p u l s es i g n a l ，a n dt h ea n o l o gs i g n a lc a nb ec o n v e r t e di n t od i g i t a ls i g n a la f t e ra m p l i f y i n ga n d f i l t e r i n g ，a n dt h e nt h ep u l s es i g n a li ss e n ti n t oc o m p u t e r b e c a u s em c uo u t p u tt t le l e c t r i c i t y ， w en e e dt od e s i g nt h ec o n v e r s i o nc i r c u i ti nt h ec o m m u n i c a t i o nc o u r s eo fm c ua n dc o m p u t e r t h ec o n v e r s i o nc i r c u i tc a nt r a n s m i tt h ed a t ab e t w e e nt h er s 2 3 2a n dt t le l e c t r i c i t y t h e c o m p u t e r ss e r i a l i n t e r f a c ei sa c c e s s e dt ot h em s c o m mc o n t r o li nv b 6 0 ，a d o p t i n gt h e a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nw i t hm c u i tc a ne x a m i n ea n ds h o wt h er e s p i r a t o r ys i g n a l ，a n d s e tc o m m u n i c a t i o np o r ts i m p l yb ya s k i n g t h i sd e s i g nc a na c t u a l l yr e m e m b e rt h ep e r s o n sp u l s es i g n a lo fh o u r s ，c o n s e c u t i o n ，a n d l o n gt i m e i th a sr e a l i s t i cm e a n i n g k e yw o r d s ：p u l s es i g n a l ；a t 8 9 c 51 ；a d c 0 8 0 9 ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；a s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o n ；m s c o m mc o n t r o l i i 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：j 障日期；j 坦弘 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。 ( 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：连盎 指导教师签名： 日 期：半日期： 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 脉象信号采集系统 由于微型计算机只能处理数字形式的信息，但在实际工作中，我们遇到的大多是连 续变化的物理量，例如：温度、压力、流量、光通量、位移量，以及连续变化的电压、 电流等，对于非电信号的物理量，必须先由传感器进行检测，并且转换为电信号，然后 经过放大器放大为o 5 v 电平的模拟量。而将温度，压力，流量，位移等模拟量采集， 转换成数字量后，传给p c 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，我们这里介绍的就是脉象信号的采集问题。 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l 临床意义很大。这里，将给大家介绍一种脉象信号的硬件采集方法，以 供参考。 我们采用脉象传感器提取脉象信号，由脉象传感器提取出来的信号在毫伏数量级， 且含有噪声，因此必须要经过放大和滤波，而且还要保证不失真，同时输入阻抗也要足 够大。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信 息，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 提取流程如下图1 1 所示： 脉象 信号 - - - - - - - 一- - - _ a d 接口 提取 一转换 - - - - - 一 h - - - - 一 及调 理 图1 1 系统的信号流程图 一 l 1 2 基于单片机的数据采集系统 1 2 1 数据采集系统简单介绍 随着自动控制、监测及远程控制的发展，数据采集越来越被广泛应用，如医疗、工 业等方面，数据采集是指将温度，压力，流量，位移等模拟量通过各种传感元件做适当 转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤采集，转换成数字量后，传给 p c 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，可分为以 下几种脚 1 基于通用微型计算机的数据采集系统 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，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， 但其价格不菲。 4 基于混合型计算机采集系统 这是一种近年来随着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： 2 ( 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 2 25 1 系列单片机简介哪 l l c s 一5 1 系列单片机是i n t e l 公司在m c s 4 8 系列的基础上，在8 0 年代初又推出 的高性能的8 位单片机。它与4 8 系列相比，在片内存储器容量、i o 口的功能以及指 令系统功能等方面，都大大地得到加强。眦s - 5 1 系列单片机特别适用于实时控制、智 能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8 位单片机。 从应用的角度看，m c s 5 1 单片机具有如下的一些特点： 1 集成度高。m c s 一5 1 单片机的典型代表产品为8 0 3 1 ，8 0 3 1 芯片内部包含了1 2 8 个字节的r a m ，4 个8 位并行i o 口，1 个全双工的串行口，2 个1 6 位的定时器计数器， 以及一个处理功能很强的中央处理器。m c s 一5 l 单片机的另一代表产品为8 7 5 1 ，它在 8 0 3 1 单片机的基础上，增加了4 k 字节的e p r o m ，在许多不复杂的应用场合，只用一片 8 7 5 1 即可满足要求。 2 系统结构简单。m c s 一5 1 芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能 得到指令系统和引脚兼容的新产品。 3 系统扩展方便。m c s 一5 1 具有外扩至6 4 k 字节程序存储器和6 4 k 字节的外部r a m 和i o 口的能力。当m c s 一5 l 芯片内部r a m 和芯片本身的i o 口线不够用时，即可进行 系统的扩展。许多公司生产的i o 接口芯片和各大公司生产的通用存储器芯片都可以直 接与舵s 5 1 相连接，从而很方便地扩展系统功能。 4 可靠性高。m c s 一5 1 单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且m c s - - 5 l 应 用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工 作。m c s - 5 1 单片机有根据其抗干扰性能有军用、民用之分。用户可根据m c s 一5 1 单片 机系统的应用环境，来选择合适档次的m c s 5 l 单片机。军用品的抗干扰性最强，可靠 性最高。 5 处理功能强、速度高。m c s 一5 1 单片机指令系统中有加减乘除及各种逻辑运算和 转移指令，还具有位操作功能，这在检测、控制中特别有用。c p u 时钟频率高达1 2 m h z 。 指令系统中近5 0 n , 6 的指令为单字节指令，指令执行速度快。完成单字节乘法和单字节除 法仅需4 p s ( 时钟频率为1 2 删z ) 。 6 容易产品化。m c s 一5 1 由于单片机具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特 点，因此很容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表、其控制装置中。m c s _ _ 5 1 系 列单片机的三个基本产品为8 0 3 1 、8 7 5 1 、8 0 5 1 。它们的指令系统完全兼容，但在内部 结构及应用特性方面存在一些差异。8 0 3 1 内部包括一个8 位的c p u1 2 8 个字节的r a m 、 2 1 个特殊功能寄存器( s f r ) 、4 个8 位并行i o 口、1 个全双工的串行口、2 个1 6 位的 定时器计数器，但程序存储器需外扩e p r o m 芯片。 8 0 5 1 是在8 0 3 1 的基础上，片内又集成有4 kr o m ，作为程序存储器，是一个程序 3 不超过4 k 字节的小系统。r o m 内的程序是制作芯片是代为用户烧制的，出厂的8 0 5 1 都是含有特殊用途的单片机，所以8 0 5 1 应用在程序己定且批量大的单片机产品中。由 于以上限制，目前在国内很少采用。 8 7 5 1 是在8 0 3 1 基础上，增加了4 ( 字节的e p r o m ，它构成了一个程序小于4 k 的 小系统，用户可以将程序固化在e p r o m 中，可以反复修改程序。其价格相对于8 0 3 1 较贵。 8 0 3 1 外扩一片4 k e p r o m 的就相当于8 7 5 1 ，它的最大优点是价格低，目前在我国 得到了广泛的应用。 单片机是上位机和下位机进行数据传送的通讯枢纽，因此需要串行通讯端口。有3 种方法供选择： ( 1 ) 采用多串口的单片机； ( 2 ) 采用通用异步串口扩展芯片； ( 3 ) 采用普通i 0 端口模拟实现串行通信。 第3 种方法最简单经济，并且可以实现高速率通信。另外，考虑到对硬件资源的充 分利用，我们在本文选用了a t 8 9 c 5 1 ，其特点及工作原理，下面将会详细介绍。 1 2 3a t 8 9 c 5 1 单片机的特点及工作原理。1 a t 8 9 c 5 1 完全兼容m c s 一5 1 系列单片机的所有功能，并且本身带有2 k 的内存储器， 可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8 0 3 1 c p u 外加e p r o m 为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点，具体如下： a t 8 9 c 5 1 单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用c h m o s 工艺的8 位单片机。它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与i n t e l8 0 c 3 x 单片机完全相同。 在应用中可直接替换。在a t 8 9 c 5 1 内部有f l a s h 程序存储器，既可用常规的编程器编程， 也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方 便。a t 8 9 c 5 x 系列可认为是i n t e l8 0 c 3 x 的内核与a t m e lf l a s h 技术的结合体。 它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。 1 主要性能 一与m c s - 5 1 产品指令系统完全兼容； _ 片内集成4 k b 的f l a s h 存储器，可反复编程擦除 1 0 0 0 次； 数据保留时间：1 0 年： - 全静态设计，时钟频率范围为0 2 4 m h z 、3 3 m h z ； 三个程序存储器保密位； 1 2 8 8 字节的内部r a m ： _ 3 2 条可编程的i 0 口线； - 2 个可工作于4 种模式的1 6 位定时计数器； 5 个中断源2 个中断优先级； 可编程串行通道； 4 具有4 种工作模式的全双工串行口 _ 低功耗的待机工作模式和掉电工作模式； 片内振荡器和时钟电路； 2 管脚说明 v c c ：供电电压。 g n d ：接地。 p 0 口：p 0 口为个8 位漏级开路双向i o 口，每脚可吸收8t t l 门电流。当p l 口的管脚第一次写“1 ”时，被定义为高阻输入。p 0 能够用于外部程序数据存储器，它 可以被定义为数据地址的第八位。在f l a s h 编程时，p o 口作为原码输入口，当f l a s h 进行校验时，p 0 输出原码，此时p 0 外部必须被拉高。 p 1 口：p 1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i o 口，p 1 口缓冲器能接收输出 4t 孔门电流。p l 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p 1 口被外部下拉 为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在f l a s h 编程和校验时，p 1 口 作为第八位地址接收。 p 2 口：p 2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向i o 口，p 2 口缓冲器可接收，输出4 个t t l 门电流，当p 2 口被写“i ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因 此作为输入时，p 2 口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。p 2 口当用于外部程序存储器或1 6 位地址外部数据存储器进行存取时，p 2 口输出地址的高 八位。在给出地址“1 ”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行 读写时，p 2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p 2 臼在f l a s h 编程和校验时接收高八位 地址信号和控制信号。 p 3 口：p 3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向i 0 口，可接收输出4 个t t l 门电 流。当p 3 口写入“1 ”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外 部下拉为低电平，p 3 口将输出电流( i l l ) 这是由于上拉的缘故。 p 3 口也可作为a t 8 9 c 5 1 的一些特殊功能口，p 3 口管脚备选功能： p 3 0r x o ( 串行输入口) ； p 3 1t x d ( 串行输出口) ； p 3 2i n t o ( 外部中断0 ) ； p 3 3i n t i ( 外部中断1 ) ； p 3 4t o ( 计时器o 外部输入) ； p 3 5t 1 ( 计时器1 外部输入) ： p 3 6w r ( 外部数据存储器写选通) ； p 3 7r d ( 外部数据存储器读选通) ； p 3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 r s t ：复位输入。当振荡器复位时，要保持r s t 脚两个机器周期的高电平时间。 a l e 两面西：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节。在f l a s h 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，a l e 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1 6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个a l e 脉冲。如 想禁止a l e 的输出可在s f r8 e h 地址上置0 。此时， a l e 只有在执行m o v x ，m o v c 指令 是a l e 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态a l e 禁止， 置位无效。 丽：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机 器周期两次丽有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的丽信号将不出 现。 e a v p p ：当e a 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器( 0 0 0 0 h f f f f h ) ，不 管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，e a 将内部锁定为r e s e t ；当e a 端保 持高电平时，此间内部程序存储器。在f l a s h 编程期间，此引脚也用于施加1 2 v 编程电 源( v p p ) 。 x t a l l ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 x t a l 2 ：来自反向振荡器的输出。 3 振荡器特性 x t a l i 和x t a l 2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振 荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，x t a l 2 应不接。由 于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要 求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4 芯片擦除 整个e p r o m 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持a l e 管脚处于低电平l o m s 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1 ”且在任何非 空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 5 编程算法 ( 1 ) 地址线上输入欲编程的存储单元地址； ( 2 ) 在数据线上输入编程数据： ( 3 ) 加正确的控制信号组合； ( 4 ) 在“高压”模式下使v p p 为1 2 v ； ( 5 ) 在a l e 引脚上加一次负脉冲，可对f l a s h 存储器的一个字节或保密位进行编程。 编程一个字节的周期是内部自定时的，典型时间不会超过1 5 m s 。改变编程的存储单元 地址和编程数据重复步骤( 1 ) ( 5 ) ，直到编程文件最后。 6 此外，a t 8 9 c 5 1 设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可 选的掉电模式。在闲置模式下，c p u 停止工作，但r m 、定时器、计数器、串口和中断 系统仍在工作。在掉电模式下，保存r a m 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功 能，直到下一个硬件复位为止。 1 2 4a d c 0 8 芯片简单介绍 a d c 0 8 0 9 是带有8 位a d 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 c m o s 组件，它的模数转换原理采用逐次逼近型，芯片由单个+ 5 v 电源供电，可以分 时对8 路输入模拟量进行a d 转换，典型的a d 转换时间为1 0 0 i l s 左右。在同类型产品 中，a d c 0 8 0 9 模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。可以和单片机 直接接口。 内部逻辑结构，如图1 2 所示。 玎啊 h 盯 墨黝暖t 似 图1 2a d c 0 8 0 9 内部结构 a d c 0 8 0 9 引脚功能说明： d 7 d 0 ：8 位a d 转换结果输出口；口n 1 l i n o i n 7 ：8 路模拟电压量输入，o 5 v ： j ； 或者- - 5 v + 5 v 或者一1 0 v + 1 0 v ，用于输入d 毋一4 需转换的模拟电压；卫盯_ 1 ： v r e f ( + ) 、v r e f ( 一) ：参考电压输入线，e 叱一7 v r e f ( + ) 常和v c c 相连，v r e f ( 一) 常接地或m _ 1 ： 负电源电压； c l o c k l o a l e ：地址锁存允许输入线，高电平有效；1 + ： s t a r t ：启动a d 转换控制输入，高电平 锄一1 3 有效；帕_ 1 7 d p 叫口o m m瑚删m肌m加m陀昭肝哪艏行巧组趁殂伸坩墙圬 c l 0 c k ：时钟输入线，用于输入a d c 0 8 0 9 逐次比较所需的6 4 0 k h z 的时钟序列，不能 超出这个频率： a d d a 、a d d b 、a d d c ：3 位地址输入线，其8 个地址值分别选中8 路输入模拟量i n o i n 7 之一进行模数转换。a d d c 是高位地址，a d d a 是最低位地址；选择结果如表1 3 所 不： 被选模拟电压路数 a d d ca d d ba d d a i n oooo i n loo1 i n 2o1o i n 3o1l i n 4 1o0 i n 5101 i n 6l l o i n 7 1 11 制； 表1 3 被选模拟量路数和地址的关系 o e ：转换结果输出允许线； e o c ：转换结束输出线，高电平有效，e o c 输出信号可以作为中断请求或者查询控 v c c ：+ 5 v 电源输入线； g n d ：芯片接地端。 1 3 系统总体设计要求 由于脉象信号取自人体表面，信号源内阻较大、信号微弱，而且背景噪声强。因此 要求系统硬件电路部分具有以下特性： 1 高输入阻抗，以便拾取微弱信号； 2 高共模抑制比，以消除工频及电极极化电位的干扰； 3 适当的增益且可调节，以便处理脉象信号幅度因人变化较大的情况； 4 低噪声，使之不能淹没极其微弱且信噪比低的脉象信号； 5 低漂移，以减小基线漂移并避免前置放大器饱和； 6 低功耗，能长时间采集和存储脉象信号； 7 合适的带宽，以便有效的抑制噪声； 8 能实时显示脉象波形； 9 高安全性，确保人体的绝对安全。 对于软件的设计要达到以下要求： 1 显示直观方便，便于观察； 8 2 能快速显示脉象回放波形，以便观察分析、提高效率； 3 回放速度可调，以适应对不同幅度的脉象信号进行处理； 4 脉象数据存储功能、脉象图打印功能； 5 其它功能。 1 4 主要工作和内容安排 综上所述，本着实用、可靠、安全、简洁及经济等设计原则，设计开发了基于单片 机a t 8 9 c 5 1 的脉象数据采集系统。 所做的工作主要包括： 1 利用脉象传感器提取出人体的六路脉象信号，设计信号调理电路对从脉象传感器 获取的脉象信号进行调理，确保所获取的脉象信号质量及幅度； 2 制作一个基于a t 8 9 c 5 1 单片机的数据采集系统，对提取并调理的六路脉象信号进 行模数转换，并将脉象信息数据传送给计算机，利用计算机对其进行实时显示、存储， 以便进行数据分析； 3 使用v i s u a i b a s i c 6 o 作为程序开发工具来设计便于人机交互的用户界面，利用 、，b 6 o 的m s c o 蛳控件实现单片机与p c 机的通信功能。 9 第二章脉象信号的提取及调理 2 1 脉象信号特点及提取“卅 2 1 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 8 0 次r a 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 “1 ， 属微弱低频信号。 2 1 2 脉象传感器及脉象信号的提取 下面介绍一下脉象传感器： 由于脉象探头式样很多，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、p v d f 压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不 过近年来正在向三部多点式方向发展。 我们选用姗一l 型的脉搏波传感器，提取出来的是电压信号，幅度大约为凡m v 。 该传感器为半导体压阻式，具有灵敏度高，频率响好，线性度好、抗干扰能力强、 体积小、重量轻、安全可靠等特点，可以用于临床或科研中测试脉搏波。 技术指标： ( 1 ) 灵敏度 o 5 c m g ； ( 2 ) 自然频率 5 0 0h z ( 3 ) 电源电压6 9 v ( d c ) ； ( 4 ) 外形尺寸0 2 2 1 2 m m 。 管脚如图2 1 所示： 5 3 地 图2 1 删一1 型传感器管脚图 传感器与放大电路有两种连接方式，如图2 2 所示： 1 0 呸 佳基出 i li i l j 图2 2 传感器与调理电路放大器连接方式 2 2 脉象信号放大器设计要求 脉象信号的特点是微弱与低频罔。由脉象信号传感器提取出的信号是m v 数量级， 须经过信号调理才能进行模数转换，因此，信号调理必须具有一些必备的性能。首先， 电路必须具有很高的共模抑制比，同时电路的输入阻抗也是一个很重要的参数，高输入 阻抗可以有效减小信号源内阻的影响。相对于生理信号的低幅值而言，调理电路的低噪 声、低漂移等指标也是极为重要的。 总结起来对一些频率低，变化慢，信号弱的生理信号如脉搏信号的采集，信号源阻 抗较高，并常伴随着较强的背景噪声和干扰，对电路的基本要求有： 1 高增益一前置放大器放大倍数一般应在8 0 d b 1 2 0 d b 之间； 2 高共摸抑制比放大器必须要具有好的抗干扰能力，一般要有6 0 d b 以上的c m r r ； 3 高输入阻抗一一般不小于2 m o ，有的可达i o o m q ，否则，所测信号会产生很 大的误差，同时也会降低整体的抗干扰能力； 4 低噪声一若放大器本身噪声较高，会将有用的微弱信号淹没，输入噪声应在pv 数量级； 5 低漂移一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 宽的线形工作范围等。 呸tj 路信 其中关键在于高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移几个问题，下面着重讨 论一下： 1 高共模抑制比 高的共模抑制比可抑制工频干扰以及其他信号的干扰。如果电路的共模抑制比是 1 2 0 d b ，则输入信号中共模信号的影响将减弱1 0 0 万倍，1 v 共模信号等效于luv 的差模信 号。 共模抑制比是放大器的主要指标。生物电放大器的c m r r 值一般要求6 0 d b 一8 0 d b ，高 性能放大器的c m r r 达1 0 0 d b ，这说明对于1 0 0 m y 的共模干扰和0 1uv 的差模信号具有相同 的输出。 2 高输入阻抗 由于生物体的复杂性和特殊性，其等效信号源输出阻抗一般很大，有的甚至可达几 十kk 2 ，这意味着生物信号源不仅输出电压幅度低，而且提供电流的能力也很差，因此 要求生物信号放大器的前级必须具有很高的输入阻抗，高输入阻抗可以有效减小信号源 高内阻的影响，以防止生物信号的衰减。粗略估计，如果设计的放大器输入阻抗为 1 0 m i ) ，信号源内阻与放大器输入阻抗相比为1 1 0 0 ，上述各种因素造成的失真和误差 可忽略不记。 3 低噪声、低漂移 相对于幅值很小的脉象信号而言，调理电路的低噪声、低漂移指标也是极为重要 的。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差，所以，为了获 得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。 理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数 量级。这样，放大器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是 说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。 我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正确设计放大器的增益分配，在 前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。前置级的低噪声设计，是整个 放大器设计的主要任务。 2 3 信号调理电路的设计岫蚰 2 3 1 器件的选择 脉象采集仪要求在脉象信号频率范围内小失真地放大所采集的微弱脉象信号。这要 求所采用的放大器必须具有低噪声、低漂移、低失调参数、高共模抑制比、高输入阻抗、 非线性度小等特点。 由于脉象采集仪前置放大器对频带要求并不严格，而对前置放大器的输入阻抗、输 入噪声、输入失调电压等要求比较高。经比较，a d 6 2 0 的主要技术指标最理想。 a d 6 2 0 是单片的低功耗、高精度仪用放大器。它在传统的三运放方式的基础上作了 1 2 一些改进，一是采用绝对值的校准，使用户仅需要一个电阻就能对增益进行准确的设定； 二是单片结构和激光校准使电路元器件的匹配和跟踪特性都非常好，保证了该电路固有 的高性能f l6 】。 a d 6 2 0 由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使a d 6 2 0 特别适 宜应用到诸如传感器接口、脉象信号采集、精密电压电流转换等应用场合。 一曩 轨 图2 3a d 6 2 0 i j i 脚分布图 o i 胂l 序 皤 图2 4 a d 6 2 0 简化结构图 1 3 】 其封装引脚分布图如图2 3 ，图2 4 给出了a d 6 2 0 简化的结构图，输入三极管q l 和q 2 提供了高精度差分双极性输入，通过q 1 a 1 r 1 和q 2 a 2 - r 2 回路的反馈电路使输入晶体管 q - 和q 2 维持了恒定的集电极电流，从而加进了外部增益控制电阻r g 两端的输入电压。 a 3 消去了所有的共模信号，从而得到相对于r e f 引脚电压的单端输出。内部的增益电阻 r i 和r 2 都校准到绝对值2 4 7 k o ，这样d j 7 a d 6 2 0 只需一个外部电阻就可准确设置l 。1 0 0 0 的增益公式为： g ：掣+ 1 ：4 9 4 k f l + l ( 2 1 ) r o r o 对于所需要的增益，则外部增益控制电阻值为 r g ：器k q ( 2 - 2 ) 其主要特性为： _ 仅需一个外接电阻即可获得l 1 0 0 0 p q 的增益，使用方便； 一工作电源电压范围极宽，士2 3 v 士1 8 v ： 低功耗，最大电源电流仅1 3 m v ； 最大输入失调电压1 2 5uv ； 最大输入失调温漂1 | iv c 。； 一最小共模抑制比为9 3 d b ( g = l o ) ； 低噪声，输入电压噪声9 n v 。 2 3 2 电路系统结构及原理“町 调理电路功能是把传感器输出的微弱信号放大到足以推动指示器、记录仪或各种测 量控制机构。信号放大电路的结构形式，视所采用的传感器的类型而定。由于通用放大 器一般都具有毫伏级的失调电压及数1 1v c 。的温度漂移。为此，通用运算放大器不能 直接用于对微弱信号的放大，电路必须具有很高的共模抑制比且应具有高输入阻抗、低 输出阻抗、低噪声、低漂移、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等诸多特点。 电路系统共分为三部分： 1 前置输入放大电路。 前最级主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比三项的影响，这里设计的电路，由三 部分组成：输入缓冲、高频滤波和仪用放大器，电路结构如图2 5 所示，电路系统中r 1 、 r 2 、c 1 、c 2 2 组成的低通滤波器可有效去除高频噪声的影响。 图2 5 脉搏信号前置放大电路 电路差模截止频率b w 。和共模信号截止频率b 如式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 所示， b w d 。，f ：l 2 r ( 2 c 2 + c 1 )( 2 3 ) b w o , = 1 2 露r 1 c 2 ( 2 4 ) 1 4 其中r 1 、r 2 、c 2 2 和c 1 必须精确相等，且c 1 1 0 c 2 。 此电路由于其经典的三运放结构而具有较高的输入阻抗和共模抑制比，并且只需外 接一个电阻即可设定增益，在生物信号处理领域被广泛地应用。为了避免电路的饱和， 前置输入放大电路增益必须在数十倍之内，不能过大。 2 中间级处理电路。 中间级处理电路分为带通选频网络，二级放大、增益调节及限幅电路、5 0 h z 陷波、 等。 带通选频网络由r c 无源网络组成，简单可靠。带通的最大范围设定为0 0 5 h z 1 0 k h z 。 二级放大电路在结构上和增益调节电路类似，都是由运放组成的电压负反馈的形 式。前者进行信号的放大，后者控制整体电路的增益，最大可达1 2 0 d b ，另外由于后面 a d c 0 8 0 9 对于输入的模拟信号幅值有一定的要求( o 5 v ) ，需要对经信号调理后的电压 信号进行限幅，电路结构如图2 6 。 图2 6 二级放大、增益调节及限幅电路 此电路具有以下优点： ( 1 ) 输入等效阻抗大：m = ( i + a f ) n d； 输出等效阻抗小：r o = r o ( 1 州心) 。 其中r i d 为运放的输入阻抗，f o 为输出阻抗，不仅完成了信号的放大作用，而且还 起到了缓冲器的作用，有效地隔离了前后级的模块。 ( 2 ) 电容c 的作用使整个模块有了低通的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰， 还由于其超前的补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。 5 0 h z i 频陷波器采用有源双t 陷波网络的方案，取q = 2 5 ，可有效去除信号中的工 频干扰，其结构图如图2 7 所示。 1 5 r 图2 75 0 h z 陷波电路 o 2 4 本章小结 本章内容主要介绍了：脉象信号的低频且背景噪声大的特点：信号调理电路器件的 选择；以及对电路的要求：高输入阻抗高共模抑制比、适当的增益、低噪声、低漂移、 低功耗等；介绍了信号调理电路的原理、流程，完成了电路的信号调理功能。 1 6 第三章数据采集系统软硬件设计2 们明 3 。1 通信简介 计算机与外界所进行的信息交换经常被人们称为通信，其基本方式可以分为并行通 信和串行通信两种。 并行通信是指一次就可以同时传送一个数据字的传输方式( 其中包含8 位、1 6 位，甚 至更多位的数据) 。其优点是传输速度快；缺点是需要同时连接的线数多，尤其是在通 信距离较长时，传输线的成本会急剧增加。对于单片机而言，还需要占用多条宝贵的引 脚资源。 串行通信是指把一个数据字逐位、顺序、分时进行的传输方式。其缺点是传送速度 较慢，假设并行传送r l 位数据所得要的时间是t ，那么，串行传送同样数据的时间至少为 n t ，实际工程中往往总是大于n t ，原因是时间上还会需要额外的开销。串行通信突出的 优点就是需要数量很少的传输线。此外，对于单片机而言，串行通信的另一个重要优点 就是，需要占用的引脚资源较少。串行通信又存在着异步通信和同步通信两种基本方式： 异步方式。其特点是通信双方以一个字符( 包括特定附加位) 作为数据传输单位， 且发送方传送字符的间隔时间是不定的，在传送一个字符时总是以起始位开始，以停止 位结束。异步通信传输格式如图3 1 所示。 | 1昂n ，r 子付7 i 第n + 1 个字符 4 - - - l 0 - 一- 一一，一，j d 一一- 一1i 1 0l ll f fff jf 。f 程d od 7 奇停空 起 螳傅正南 錾 位梗莅一 + = ：= = 一下降沿指出下一个字符的开始 数据流向 。一” 图3 1 异步通信字符传输帧格式【1 9 】 由图3 1 可知，一个字符单位除表示字符信息的数据位( 位长度5 8 可选) 外，还有 若干个附加位：起始位( 一位，值恒为0 ) ，奇偶位( 可选有无) ，停止位( 长度l 、1 5 和2 可选，值恒为1 ) 。传送1 个字符必须以起始位开始，以停止位结束，这个过程称为一帧。 同步方式。在数据开始传输时，发送方先发送一个或两个特殊字符( 称同步字符) ， 当发送方和接收方达到同步后，就可以一个字符接一个字符地发送一大块数据，而不再 】7 需要用起始位和停止位了。由于异步通信每传送一个字符都加起、止信号等附加位，使 其传输效率比较低，因此异步通信一般用在数据速率较慢的场合( 如小于1 0 2 k b s ) 。 在高速传输时，一般应采取同步协议。因此，在单片机与外围芯片之间的近距离通信中， 同步通信方式得到了广泛的应用( 例如s p i 、i z c 等，均属于同步通信方式) 。 由以上讨论可知，异步通信是指通信中两个字符问的时