（电路与系统专业论文）基于mcu+pic16f877呼吸监护仪的设计方案.pdf

摘要 呼吸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。维 持人体生命正常的各项生理参数指标，在一定范围内是能够保持动态平稳的。机体通过 各种反馈途径，能够自身稳定各项重要功能，处于正常状态。因疾病或不可抗拒的原因， 使某项或多项生理指标超出允许范围，并反馈影响到其他生理功能，机体将陷入恶性循 环状态，病情逐渐或急速加重，直到生命衰竭。因此，准确地测得人的呼吸信号，及时 反映呼吸随时间的变化，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、公耗低的特点在仪器中应用广泛。 我们根据目前的技术及应用的发展方向，提出了一种基于p i c l 6 f 8 7 7 单片机为基础的呼 吸监护仪的设计方案，它可实时、连续、长时间的监测人的呼吸。我们的工作研究了呼 吸信号提取的整个流程，利用传感器将呼吸信号转换为电信号，经放大、滤波处理后， 由单片机控制，送入计算机进行实时显示，并存储呼吸数据。 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，这样 我们就需要通过转换电路对其电平进行转换，所以在本文中设计了通用的r s 2 3 2 电平转 换电路，可以实现两种不同电平间的数据传输。我们利用v b 6 0 的m s c o m m 控件去访 问计算机的串行接口，与单片机之间采用异步通信方式。单片机的低层开发，采用汇编 语言，编写了与计算机通信程序和a d 转换程序。计算机上层界面用v b 6 o 设计，所 设计的界面能对采集的呼吸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，具有实用价值。 关键词：呼吸信号：p i c l 6 f 8 7 7 ；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 eb r e a t hi sa ni m p o n a n tp a r a m e t e rt h a tr e 玎e c t st h eh u m a nb o d yf u n c t j o n ，w h i c hh a s v e f yi m p o n 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 i t h i nt h es c o p eo fc e n a i n ， n o m a lv a r i o u sp h y s i o l o g yp a r a m e t e ri n d e xo fm eh u m a nb o d yc a nk e e pt h ed y n a m i cb a l a n c c t h eo 唱a i l i s mp a s s e sv a r i o u sf c e d b a c ka p p r o a c h e st ok e e p0 n e ss t a b i l i z a t i o no fv a r i o u s i m p o n a n tf u n c t i o n s ，b e i n gi nt h en o r m a ls t a t e b e c a u s eo fd i s e a s eo rt h er e a s o n st h a tc a n t r e s i s tm a k es e v e r a lp h y s i o l o g yi n d e x e so u t n l nt h en a t u r a ls c o p e ，t h ef e e d b a c ka f ：f e c tt oo t h e r p h y s i o l o g yf u n c t i o n s ，a n dt h eo 唱a n i s mw i l ls i n ki n t ot 1 1 ev i d o u sc y c l ea p p e a r a n c e ，a n dt h e c o n d i t i o ni sr a p i dt oa g g r a v a t eu n t i lt h el i f ec r o c ku p t 1 l e r e f o r e ，w em e a s u r ea c c u f a t e l yt h e p c f s o n sr e s p i r a t o r ys i g n a la n dr e n e c it h er e s p i r a t o r ys i g n a lw i t hm ev a r i e t yo f “m e ，w h i c h h a v et h ei m p o n a n tm e a n 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 j 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 0 n 怕l l e fu n ng e n e r a la p p l i e st o t h ei n s t n l m e n tf i e l do w i n gt ot h es m a uv o l u m e ，t h es t r o n gf l m c t i o n ，t h el o wp o w e r c o n s u m i n g a c c o r d i n gt oc u f r e n tt c c h n i q u ea n dd e v c 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 fr e s p j r a t o r ym o n i t o r i n g 印p a r a t u sb a s eo nm c up i c l 6 f 8 7 7 i lc a 芏1 sa c t u a l l yt h e p e r s o n sb r e a t ho fm o i i i t o ro fh o u r ，c o n s e c u t i o n a n dl o n gt j m e 0 u rw o r ks t u d j e dt h ew h o l e p m c e s st h a tt h er e s p i r a t o f ys i 髓a lw i t h d r a w s ，a n dw em a k cu s eo fs e n s o rt oc o n v e r tt h e r e s p i r a t o f ys i g i l a li n t oe l e c 仃i cs i g n a l _ 舳e r 锄p l i f y i n g 卸df i l t e r i n g ，t h er e s p i r a t o f ys i 印a l i s s e n ti n t oc o m p u t e r t ot h er c a l t i i i l es h o wf r o mm c uc o n t r 0 1 b e c a u s em c uo u t p u t1 r r le l e c t r 王c i t y w en e e dt od e s i 印t l l ec o n v e f s i o nc i r c u i ti nt h e c o m m u n i c a t i o nc o u r s eo fm c ua i l dc o m p u t e r t 1 l ec o n v e r s i o nc i r c u i tc a nt m n s m i tt h ed a t a b e t w e e nt h ed i f 诧r e n te l e c t f i c i t y i nt h ep 叩e r ，t h ec o m p u t c r ss e t i a li d t e r f a c ej sa c c e s s e dt ot h e m s c o m mc o n t r o li v b 6 o ，a d o p 血gt h ea s y n c h 啪o u sc o m m u n i c a t i o nw i t hm c u w ee d i t a s s e m b l e ro fc o m m u n i c a t i o n sa n da dc o n v e f s i o n如 t h cb o t 幻m d e v e l o p i n g t h e s u p e r s t r a t u mi n t e r f a c e sa r cd e s i g n e dw “hv b 6 o i tc a i le x a m i n ea n ds h o wt h er e s p j r a t o r y s i g n a l ，a n ds e tc o m m u n i c a t i o p o r ts i m p l yb ya s k i 晷nh a sr e “i s t i cm e a n i i l 舀 k e y w o r d ：r e s p i r a t o r ys i 印a l ；p i c l 6 f 8 7 7 ； s e r j a l c 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 m 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：t 熊金 日期：型6 ：! 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：垂睑 指导教师签名： 日期：塑型： 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 呼吸监护 监护仪是这样一类医疗设备( 或仪器) ，它通过完全连续或间断连续的检测患者的 一些重要生理参数，使医护人员能及时、准确的判定患者的病症变化，以便及时采取有 效的治疗方案和救治措施。它所涉及的生物医学工程技术称为医疗监护技术。通常被列 入监护的生理参数包括：血液循环系统功能监护、呼吸功能监护、肝功能监护、中枢神 经系统功能监护等【“。本文所探讨的就是呼吸监护仪器。 人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸( r e s p i r a t i o n ) 。中枢神经系统对 呼吸运动起主要控制调节作用。通过呼吸，人体不断地从外界环境摄取氧，以氧化体内 营养物质，供应能量和维持体温；同时将氧化过程中产生的c 0 2 排出体外，以免c 0 2 过 多扰乱人体机能，从而保证新陈代谢的正常进行【2 j 。 随着社会进步和人民生活水平的不断提高，人们已经不再满足有病才看医生的被动 模式，他们更希望能在疾病爆发之前就得到预警，或是在无法实现住院治疗的情况下了 解自身的健康状况。这样，能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的监护设备就 成为未来家庭健康保健的首选，也是临床诊断和治疗所必不可少的。早期的监护仪只能 简单的监测患者的状况和生理参数，并进行记录。随着计算机技术和医学自动分析技术 的发展，监护仪逐步向智能化、微型化方向发展，单片机以其体积小、功能强、公耗低的 特点在监护仪中应用广泛。我们根据目前的技术及应用的发展方向，设计了基于m c u p i c l 6 f 8 7 7 为基础的智能化较高的呼吸监护仪的方案，它可实时、连续、长时间地监测 人的呼吸功能。 图1 1 呼吸监护系统原理框图 1 2 基于单片机的数据采集系统 1 2 1 数据采集系统 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也可以是化 学量、生物量等) 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，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采集的成套设 备称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 数据采集系统大致可分为四种【3 l = 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1 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 ) 具有自丌发能力。 ( 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 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。 f 3 ) 主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 f 4 1 充分利用主机资源，但不会占有主机的全部c p u 时间。 2 122p l c 系列单片机的种类与特点 p i c 系列单片机成本低、功耗低、性能高、全静态设计、片内带有e p r o m 、具有 精简指令集r 1 s c 结构，仅3 0 几条单字节指令，除跳转指令为双周期指令外，其余均为 单周期指令，使得用户易学易用，编程简洁。c p u 采用指令线与数据线分离的哈佛结构， 西级流水线指令取数与执行，这使得p i c 单片机在代码压缩与执行速度方面和同类8 位 单片机相比，具有较大的优势 4 j 。 p i c 系列单片机i ，o 口是双向的，其输出电路为c m o s 互补推挽输出电路，每一个 i 0 引脚高电平输出电路可驱动2 0 m a 电流，低电平可吸收2 5 m a 电流，因此p i c 单片 机能理想地直接驱动数码管显示，节省了外接驱动三极管。p i c 端口b 的每一个引脚都 有一个弱的内部上拉电流，而其中的四个引脚在改变特性时，端口b 就有一个中断，如 果将该中断与这四个引脚上的软件可配置上位电流相结合使用，我们就会使得单片机与 键阵的接口十分简单，节省了外接上拉电路，并使通过按键唤醒器件成为可能。它对于 要求低功耗的手持式仪表非常合适，p i c 系列单片机片内带有8 位或1 0 位精度的a d 转换器，它对于精度要求不高的低成本应用十分理想，如恒温控制、压力传感等。p i c 系列单片机的中断源十分丰富，最多可达1 4 个，并配以8 级硬件堆栈，各个中断请求 由中断控制寄存器的标志位来记录，用户可通过相应的标志位来判断发生了何种中断， 并转入相应的中断处理程序1 4 j 。 p i c 系列单片机的外围器件还包括定时针数器及其预分频器，将它们结合使用可十 分方便地产生任何频率的时基，p i c 的睡眠方式可节省功耗。另外具有片内r c 振荡的 w d t 可使系统工作可靠。当p i c 系列单片机检测到v d d ，上升到1 2 1 8 v 时，就会自 动产生一个上电复位脉冲，引起芯片复位。在大多数应用中，可以利用这一优点，将复 位引脚直接连到v b 。端，从而节省了外部复位电路。 m i c r o c h i p 可提供几款( 8 位) r i s c 结构p i c 单片机系列，按指令的位数，可分为三 个种类：基本级产品、中级产品和高级产品，每种产品有包含了多种型号。所有的产品 都提供o t p 或f l a s h 编程，低电压和低功耗选择，多种封装选择，存储选择限0 m ， e p r o m ，h a s h ) 等。 综上所述，p i c 系列单片机以其独特的结构，为产品的设计提供了广阔的选择余地， 以其高度的性价比极大限度地降低了产品开发的成本。另外，p i c 的低价一次性用户可 编程o t p 型芯片避免了为掩膜而冒风险，或委屈地使用带片外e p r o m 和r a m 的单片 机设计应用产品，铺设了一条从产品小批量试产到大批量生产的成功之路。p i c 系列单 片机是当前控制型应用领域的最优选择。 1 2 3p l c l 6 f 8 7 7 单片机的特点及工作原理 p 1 c 1 6 f 8 7 7 单片机是m i c f o c h i p 公司于1 9 9 8 年底推出的新产品它可以实现在线调 试和在线编程。m i c r o c h i p 公司还为p i c l 6 f 8 7 7 系列单片机丌发出一套小巧廉价的在线 调试工具m a p “气b i c d 和相应的开发平台l5 1 。借助于这套在线调试工具，既可以实现 硬件仿真，又可以实现程序固化。为了满足初学者学习p i c 单片机基本概念的需要， m i c m c h i p 公司还提供了一套免费的集成丌发环境软件m p l a b i d e ，可以从 n v w m j c r o c h i p c o m c n 下载。借助这套软件，可以对p i c l 6 f 8 7 7 进行软件仿真和程序调 试。 在p i c l 6 f 8 7 x 系列中，p l c l 6 f 8 7 7 囊括了其他类型单片机的功能，其他各款单片机 都足在它的功能的基础上通过部分精简而得来的。p l c l 6 f 8 7 7 是微芯公司的中档产品。 它采用1 4 位的类r i s c 指令系统，在保持低价格的前提下，增加了a ，d 转换器、内部 e e p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出( 加上简单的滤波电路后，还可作 为d a 输出) 、1 2 c 总线和s p i 总线借口电路、异步串行通信( u s 铷玎) 接口电路、模 拟电压比较器、l c d 驱动、f l 蟠h 程序存储器等许多功能，可方便地在线多次编程和 调试，它可以作为产品开发的终极产品。 p i c l 6 f 8 7 7 单片机从其执行功能考虑，可以将分成两大组件，即内部核心模块和外 围功能模块。 1 p l c l 6 f 8 7 7 单片机的核心模块【6 l 首先对p i c l 6 f 8 7 7 单片机的核心区域所包含的主要部件及其功能进行介绍，便于对 其核心硬件有一个基本认识。 算术逻辑单元a u ，：实现算术运算和逻辑运算。 工作寄存器w ：p i c 单片机中的w 相当于其他单片机中的累加器a ，是数据传送的桥 梁，是最为繁忙的工作单元。在运算之前，w 可以暂存准备参加运算的一个操作数( 称 为源操作数) ；在运算之后，w 可以暂存运算的结果( 称为目标操作数) 。 状态寄存器s t a h i s ：反映最近一次算术逻辑运算结果的状态特征，例如是否产生近 位或借位，结果是否为0 等，共涉及3 个标志位( z 、d c 和c ) 。该寄存器在其他单片机 中又称为标志寄存器或程序状态字( p s w ) 寄存器。另外，状态寄存器还包括数据寄存器 区域的选择信息f i r p 、r p l 和r p o ) ，状态寄存器s 羽r s 指向数据存储器地址复用器的 3 条控制线，配合完成间接寻址( i i 己p ) 和直接寻址( r p l 、r p 0 ) 。 间接寻址寄存器f s r ：是与d f 完成间接寻址的专用主体寄存器，用于存放间接地 址，即预先将要访问单元的地址存入该寄存器。 r a m 数据存储器：主要包括特殊功能寄存器和通用寄存器两部分，用于存放c p u 在 执行程序过程中产生的中间数据。p i c 单片机中r a m 存储器的每个存储单元除具备普 通存储器功能之外，还能实现移位、置位、复位和位测试等通常只有寄存器才能完成的 操作。p i a 6 f 8 7 7 数据存储器荚有5 1 2 字节单元空间( 包括无效的数据单元) ，即 o o o h 1 f f h 。 程序存储器：带有f l a s h 存储器结构，存放由用户预先编制好的程序和一些固定不变的 数据。p i c l 6 f 8 7 7 程序存储器共有8 k 1 4 位单元空问，即0 0 0 0 h 一1 f f f h 。 堆栈：保存程序断点地址，是一个独立的存储区域。在程序执行过程中，有时需要调 用子程序或发生事件中断，必须保存主程序断点处的地址，以便在子程序或中断服务程 序执行完后，再恢复断点地址，使主程序得以继续执行。 卜电复位电路：当芯片加电后，v d d 上升到一定值( 一般在1 _ 6 1 8 v ) 。该电路产生一 d 个复位脉冲，使单片机复位。 看门狗定时器w d t ：是一个自带r c 振荡器时钟源的定时器，用于监视程序的运行状 态。如果由于意外原因导致c p u 跑到正常程序之外而出现“死机”，w d t 将强行c p u 复位，使其返回正常程序。 在线调试功能：用于实现对焊接在电路板上的p i c l 6 f 8 7 7 单片机直接进行程序调试。 此时还需要集成开发环境软件m p l a b 和仿真器的支持。 低压编程功能：在对p i c l 6 f 8 7 7 单片机进行在线串行编程时，该电路允许使用芯片工 作电压v b d 作为编程( 即固化) 电压，而不需要额外的高电压( 如1 3 v ) 。 2 p i c l 6 f 8 7 7 单片机的外围模块【6 l p i c l 6 f 8 7 7 单片机内部集成的外围模块种类和数量都比较多，功能和使用方法也比较 复杂。这里，仅对外围区域各模块的功能作简要介绍，让读者有一个大概的了解。 p l c l 6 f 8 7 7 外围区域包括如下功能模块： 端口r a ( 6 位) 、r b ( 8 位) 、r c ( 8 位) 、r d ( 8 位) 、r e ( 3 位) ：均有多条引脚的输入输出 可编程的端口，合计共有3 3 个引脚。 定时器t m r o ( 8 位) 、t m r l ( 1 6 位) 、1 m r 2 ( 8 位) ：具有不同位宽的可编程定时器，除 t m r 2 以外都可作为计数器使用。另外，还有2 个重要的专门用途：t m r l 可与捕捉 比较脉宽调制c c p 模块配合实现捕捉和比较功能；t m r 2 可与捕捉比较脉宽调制c c p 模块配合实现脉宽调制输出功能。 e e p r o m 数据存储器：是一个2 5 6 8 位电可擦写的存储器。存储的内容在掉电时不会 丢失。 a ，d 转换器( a d c ) ：具有8 个模拟量输入通道和1 0 位分辨率的模数转换器，用于将 外部的模拟量变换成单片机可以接收和处理的数字量。 捕捉比较脉宽调制c c p l 、c c p 2 ：p i c l 6 f 8 7 7 单片机内包含2 个基本相同的c c p 模块， 分别与删r i 和1 m r 2 配合可实现输入捕捉、输出比较和脉宽调制输出功能。输入捕捉 功能主要用于测员外加信号周期、额率、脉宽等；输出比较功能用于产生宽度不同的 正、负方波信号，以驱动可控硅、继电器等电气部件；脉宽调制p w m 输出功能用于产 生周期脉宽可调的周期性方波信号，以驱动可控硅、步进电机或调整发光器件亮度等。 同步串行端口s s p ：具有s p i 和1 2 c 两种串行工作模式，实现与外接器件或者其他单 片机进行特殊通信。 通用同步异步收发器u s 创玎：是一种常规的两线式串行通信模式，在p c 机和单片机 中部有配置。可以定义为2 种工作方式：半双工同步方式和全双工异步方式。一般前者 用于同a ，d 、d a 转换器或e e p r o m 等器件的通信；而后者用于与微型计算机或其他 单片机等系统通信。 并行从动端口p s p ：是一个数据传送的高速通道，可以与其他具有开放总线的单片机、 数字信号处理器d s p 或微处理器的并行数据端口连接。所谓从动端口，是指并行数据 总线的控制权由与p i c 单片机通信的另一方掌握。 1 3 本文的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，设计丌发了基丁单片 机p i c l 6 f 8 7 7 的呼吸赡护仪。 所做的工作主要包括： 1 利用传感器提取出人体的呼吸信号，设计电路对其进行放大、滤波处理。 2 本着简单、易上手且价格便宜的原则选用美国m i a o c h i p 公司生产的m c up l c l 6 f 8 7 7 作为数据采集的核心，在此基础上仔细讨论了计算机机与单片机的通信协议、通信模式， 并成功编写、调试了通信程序。 3 使用s u a l b a s i c 6 o 作为程序开发工具来开发主要的用户界面，并且借助了v b 6 0 的 m s c o m m 控件实现单片机与p c 机的通信功能。因为该控件可以通过修改属性或者设定 通信协议来对串口进行访问，克服了以往v b 版本不能直接访问底层程序的缺憾。 4 在实现通信的基础上，设计制作了友好的人机界面，该界面可以向工作人员实时显示 现场采集的呼吸信号，并可以通过点击鼠标或键盘向单片机发出控制命令，具有操作简 单方便的特点。 6 第二章呼吸信号的提取 2 1 呼吸波及其特点 呼吸是机体与外界环境之间进行的气体交换过程。机体通过呼吸而不断从外界摄取 氧并向体外排除二氧化碳，从而维持机体新陈代谢的进行。 呼吸波是肺部呼吸动作的容积变化，其特征表现取决于呼吸率和肺呼量等因素。它 与肺呼吸动作同步，而与心脏活动规律不相关，也不随肺部血液循环状况改变。由临床 实验知呼吸波的频率范围为o 1 1 0 h z 【7 j o 2 2 生物信号放大器设计要求 生物医学测量基本属于弱信号测量。一方面，反映生物体生理和生化变化的信号或 参量大多是微弱的；另一方面，为了减少对生物体正常活动的干扰或防止对生物体的伤 害，测量中总是尽可能地减少对被测量的取样数量，因而造成被测信号比较微弱。所以， 生物医学测量属于弱信号测量范畴，具有弱信号测量的共同特点【8 j 。从生物体直接引导 的电信号或经过换能器而间接得到的各种信号一般都是m v 水平，有的甚至是u v 水平， 必须经过前置放大和滤波处理才能进行模数转换，从而采集获得正确的生理信号。因此， 生物信号放大器要求如下： 1 高输入阻抗 生物体的阻抗很高，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，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 0 ，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。 2 高共模抑制比 为了抑制人体干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，c m r r 值是放大器 的主要指标。生物电放大器的c m r r 值般要求6 0 d b 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 v 的共模干扰和0 1 u v 的差模信号具有相同的输出。 3 1 氐噪声、低漂移 相对于幅度仅在微伏、毫伏数量极的低频生物电信号而言，放大器前置级的这一项 要求是重要的。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个下限，也就是说放大器的噪声电 甲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 7 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加】。 v o nv o n ( a )( b ) 图2 1 两种放大电路的对比 图2 1 中放大器和滤波器的放大器倍数分别为k 和1 ( 即不放大) ，本身的等效输入噪声 分别为v o 和v i n l 。 图2 1 ( a ) 所示电路的等效输入噪声为 ”巫孕： ( 2 1 ) 图2 1 所示电路的等效输入噪声为 v i n ：迎趔雩螋；厩( 2 _ 2 ) 对比上两式可见，由于k 1 ，所以，v i n v i n ，这就是说，电路中放大器设置在滤 波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输 入的最小信号电平。因此减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的 能力。 2 3 前置放大器设计 2 3 1 仪器放大器 仪器放大器是检测仪器或数据采集系统的重要组成部分，通常都具有信号放大级电 路f 前置级电路1 ，其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微伏c o 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，而仪器放大器可以较好地实现此功能，府够较好地 抑制包括工频、静电和电磁藕合等共模干扰。 仪器放大器是一种具有精密差动电压增益的放大器件，出于其具有高输入阻抗、低 输出阻抗、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，使其广泛 作为微弱信号检测系统中的前置放大器。其原理电路如图2 2 图2 2 呼吸信号放大电路 由图2 2 可以很容易的算出放大倍数【1 l 】【1 2 1 。 设r g = r 7 + r g ，同向输入端电压为v 1 ，反向输入端的电压为v 2 ，1 点的电压为v 0 1 ， 2 点的电压为v 0 2 ，最终的输出端的电压为v o 。 利用虚短，虚断，可以算出： v ；= v 。，x 摭+ v j ：去 c z 一。， v ：v n j r l + v n ，。坠塑l ( 2 4 ) v 2 2 v o ，。瓦看i + v 0 ：。瓦嚣若嚣 q 一4 用式( 2 3 ) 减去式( 2 4 ) 可以得到 v v j = v j ，去一v 0 2 志 ( 2 5 ) 即可得到 k k m 吲( “半) q “， 同样利用虚断和虚短，可以计算出v o 与v o ，v 0 2 的关系： v o 击彘叱击 沪， v o = 眠z 一，苦2 m v ，( 皂) 鲁 c z s ， 即可得到放大倍数 小最2 毒啡+ 警， 叫， 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 g 就可以拥有可调的放大倍数，用来适应不同大小的信号。 2 3 2 器件的选择 脓护仪要求在呼吸信号频率范围内小失真地放大所采集的微弱呼吸信号。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。 比较常用于前置放大的几种仪表放大器，其主要指标【1 3 】【1 5 】如表2 1 所示 器件输入失调电压输入偏置电流输入阻抗输入噪声带宽 a d 6 2 05 0 “v1 o n a1 0 g o 1 2 0 k h z 1 3 n v h z i n a l 2 81 2 5 “v5 n a1 0 g o2 0 0 k h z 1 0 v h z o p a l 3 11 m v5 0 i l a1 0 g o4 0 k h z 2 1 h z 表2 1 几种放大器主要指标 由于呼吸监护仪的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。如表2 1 所示，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、高精度仪表放大器。它在传统的三运放方式的基础上作了 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1 1 “。 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、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。 轨 图2 3 引脚分布图 1 0 p u r o u t p u t 雉f m 图2 4a 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 1 和0 2 提供了高精度差分对双极性输入，通过q 1 a 1 r l 和q 2 a 2 r 2 回路的反馈电路使输入晶体 管q t 和q z 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 l 和r 2 都校准到绝对值2 4 7 k o ，这样使a d 6 2 0 只需一个外部电阻就可准确设置1 1 0 0 0 的增益公式为 g ；堡! 必+ 1 。塑+ 1( 2 一l o ) r g r o 对于所需要的增益，则外部增益控制电阻值为 r 。；兰丝k q ( 2 1 1 ) 。 g 一1 其主要特性为： 仅需一个外接电阻即可获得1 1 0 0 0 内的增益，使用方便 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 5 u v 最大输入失调温漂l u v c 。 最小共模抑制比为9 3 d b ( g = 1 0 ) 低噪声，输入电压噪声9 n v 2 4 模拟滤波器的设计和实现 模拟滤波器和放大器一样，占有重要地位。模拟滤波器在各种预处理电路中几乎是 必不可少的，己成为生物医学仪器中的基本单元电路。有源滤波器实质上是有源选频电 路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段 二的信号加以抑制或使其急剧 衰减。各种生物信号的低噪声放大，都是首先严格限定在所包含的频谱范围之内，为消 1 1 除5 0 比1 二扰，在很多的生物医学测量仪中都用带阻滤波予以抑制。 有各种类型的有源滤波器电路，其滤波特性、参数调节的方便与否，电路的复杂程 度、对所用元器件的要求以及成本等成为评价、选择电路的依据。用运算放大器和r c 网络组成的有源滤波器的性能远远优于无源滤波器，因为运算放大器具有高增益、高输 入阻抗、低输出阻抗，所以组成的有源滤波器能提供一定的增益，并具有缓冲作用，尤 其j e 增益的( 即同相结构电路) 有源滤波器便于链接，能方便地用简单的手段实现复杂的 高阶滤波。 一阶压控电压源式f v c v s ) 滤波器在带阻区只能获得2 0 d 8 十倍频程的衰减速度， 离理想特性较远。在一般要求不高的场合，因其电路简单、设计容易，仍经常被采用。 例如在心电放大器、生理参数放大器等一般的信号放大电路中，都用一阶滤波器限定放 大器的频带。 高阶滤波器大都用二阶滤波电路级联而成，二阶滤波电路因此称为二阶基本节，或 简称为二阶节i l 刀。二阶传递函数的一般形式为： t ( s ) = 志 汜1 z ， 其中s 为复频率，。为自然频率，g 为阻尼系数。 1 。而丽 芎；譬兰 由( 2 1 3 ) 可知，若令r 1 = r 2 = r ，则 2 丽 毫= c ：c ， ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 二阶巴特沃思多项式霹+ 以& + 1 ，式中s 。是标称频率，s 。= 以覃孓覃o ，这里为阻尼 系数芎；1 互，由式( 2 1 6 ) 巴特沃思滤波器中电容问的关系为q = 2 c ：。该滤波器的 截止频率。一1 - c ：r 。本系统采用二阶b u t t e 州o n h 低通滤波器，截止频率( 。= 1 0 h z ， 其电路原理图如2 5 ： 压 图2 5 二阶b u t l e n o n h 低通滤波器电路图 第三章数据采集系统硬件设计 3 1 串行通信 计算机与外界所进行的信息交换经常被人们称为通信，其基本方式又可以分为并行 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。4 0 脚p i c l 6 f 8 7 7 内有一个并行通信模块p s p ，它就可以利用r d 和r e 端口的1 1 条 引脚( 8 条数据线+ 3 条控制线) ，来实现与其他处理器之间的并行通信【“。 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n 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 ， 实际工程上住往总是大于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： 异步通信：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。 r弟n 个子付1 笪旦旦个字符 l o t d ，d ，d ，d - d - ，d - dt 一- 一- 1o i f ff f ff 。f 起d od 7 奇停空 起 始循j e 闲 茬位棱位 + ：= = = 一下降沿指出下一个字符的开始 数据流向 1 图3 1 异步通信字符传输帧格式9 l 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o ) ，奇偶位( 可选有无) ，停止位( 长度1 、1 5 和2 可选， 值恒为1 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。 同步通信：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，凼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问的近距离通信中，同步通信 方式得到了广泛的应用( 例如s p i 、1 2 c 等，均属于同步通信方式1 。 由以上讨论可知，异步通信是指通信中两个字符间的时间隔是不固定的，而存同 一字符中两个相邻位代码间的间隔是固定的。但是在同步通信中，每时每刻在链路上都 有字符信息传送，而且通信中的每个字符问的时间间隔是相等的：此外，每个字符中各个 相邻位代码间的时间间隔也是固定的。 同步通信以其高的传输效率和传输速度得到了广泛的应用。虽然，同步通信传输错 误校验码检错和纠错的能力比异步传输的单纯奇偶校验码有所提高，但由于传输帧内的 信息量大大增加( 约几百倍) ，因此对通信双方的时钟同步要求甚严。否则，如果两者稍 有差异，几千位的累积误差会导致通信完全失败。 对于近距离的点对点数据通信，若不要求太高的数据传输率( 例如不超过9 6 0 0 b s ) ， 则通常采用设备简单、控制容易的异步传输为好，这就是本论文采用异步传输的原因。 3 2 电平转换电路原理图 在p i c l 6 f 8 7 7 中有一个通用同步异步接收发送器( u n i v e r s a ls v n c h 啪o u s a s y n c i l r o n o u s r e c e i v e rt r a n s m i i t e r ，u s a r t ) ，又名为串行通信接口( s e r i a l c o 衄u n i c a l i