基于pic单片机的血压测量计设计优秀毕业论文.pdf

西南石油学院 硕士学位论文 基于pic单片机的血压测量计设计 姓名 张龙宝 申请学位级别 硕士 专业 机械制造及其自动化 指导教师 夏元白 20030401 摘要 随着生活水平的提高 人们越来越观注自己的身体健康 血压是 身体健康与否的 个重要指标 据2 0 0 1 年全国普查显示 我国平均每 三个家庭就有一个高血压患者 慢性低血压的发病率为4 左右 其 在老年人群中可高达1 0 因此 研制既适合家庭保健人员又适合专 业人士智能型血压计具有重要的意义 本文利用微弱信号的检测技术设计出动态血压测量计 该血压测 量计既可以进行简单的血压测量 也可以接上个人计算机进行更多功 能的使用 对家庭保健人员来说可以记录每次血压测量的结果 显示 每次血压的波形 可以借助于血压分析软件对自己血压的不正常进行 原因分析 也可以通过网络连接网上医院进行求诊 对医生来说 可 以最多同时对八个患者进行长时间血压实时测量 对每个患者可根据 血压波形进行实时分析或者回顾分析 本文以目前较为流行的p i c 单 片机p i c l 6 f 8 7 4 为血压测量计的核心 利用m o t o r o l a 公司的压力传感 器将血液对血管壁的压力转换为电信号 并送入单片机中集成的a d 转换模块将血压信号转换为数字信号后进行显示 存储 传输等处理 关键词 血压 单片机 传感器 p i c l e d 串口 a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v e m e n t o f1i v i n g s t a n d a r d p e o p l em o r ea n d m o r ec o n c e r nt h e i rh e a l t h b l o o dp r e s s u r ei sa ni m p o r t a n ts y m b o l w h e t h e rh e a l t ho rn o t i ti ss i g n i f i c a n tt od e s i g ni n t e l l i g e n t s p h y g m o m a n o m e t e r w h i c ha p p l i e dt ob o t hf a m i l ym e m b e ra n dd o c t o r ab l o o dp r e s s u rd y n a m i ct e s t i n gs y s t e mw i l lb ew o r k e do u t i nt h isa r t i c l e w h i c hu s et e s t i n gt e c h n i q u eo fd e l i c a t e ds i g n a l t h e s p h y g m o l i l a n o m e t e r b o t hc a r lb eu s e d s i m p l eb l o o dp r e s s u r e m e a s u r ea n db em u l t i f u n c t i o n a l l yu s e dt h r o u g hc o n n e c t e dt oa p e r s o n a lc o m p u t e r i t c a n s a v eb l o o dp r e s s u r ew a v e r e s u l t i n c l u d i n gd o i n gr e a lt i m ea n a l y s i sa n dr e t r o s p e c t i v ea n a l y s i s t h i sa r t i c l e u s ep i c s i n g l e c h i p p i c l 6 f 8 7 4 a st h e s p h y g m o m a n o m e t e r s k e r n e l w h i c h i sp r e v a l e n ta t p r e s e n t p r e s s u r ew h i c hb l o o do p p r e s sv e i ni st r a n s l a t e dt oe l e c t r i c s i g n a l t h r o u g hp i c l 6 f a 4 sa d t r a n s l a t i o nm o d u li ti sh e t r a n s f o r m e dd i g i t a ls i g n a l t h e nt h es i n g l e c h i pp r o c e s s e st h e s e d i g i t a ls i g n a l s u c ha sd is p l a y s a v i n g t r a n s m i t t i n g k e y w o r d s b i o o dp r e s s u r e s i n g l e c h i p s e n s o r p i c l e d s e r i a lp o r t 2 基于p i c 单片机的血压测量计设计 第一章绪论 1 1 数据采集在机电一体化中的重要性 机电一体化 根源于 m e e h a t r o n i c s 它是一门新兴的边缘学科 国内外均处于发展阶段 代表着机械工业技术发展的前沿方向 微电 子技术及信息技术是这种新技术革命的主导 微电子技术 微型计算 机使信息与智能和机械装置与动力设备有机结合 使得产品和生产系 统发生了质的飞跃 一机电一体化中的基本要素 一个完善的机电一体化系统 应包含以下几个基本要素 机械本 体 动力与驱动部分 执行机构 传感测试部分 控制及信息处理部 分 这些组成要素内部及其之间 通过接口耦合 动力传递 物质流 动 信息控制 能量转换有机融合集成一个完整系统 机电一体化产品和机电一体化生产系统是机电制造工业进步的 必然趋势 也是现代高新技术支持下的综合技术发展的结果 二信息采集与处理是机电一体化技术中的最活跃因素 机电一体化是系统技术 计算机与信息处理技术 自动控制技术 检测传感技术 伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉 的技术密集型系统工程 在机电一体化系统中 计算机信息采集和处理部分指挥整个系统 的运行 信息采集的精度高低 及时与否和信息处理的能力都将直接 影响到整个系统工作的质量和效率 因此计算机应用及信息处理技术 已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术 从全局角度 和系统目标出发 将总体分解成相互有机联系的若干单元 这些子功 能单元同样可继续逐层分解 直到能够找出一个可实现的技术方案 接口技术是实现系统各部分有机连接的保证 接口包括电气接 口 机械接口 人 机接口 电气接口实现系统间电信号连接 机械接 口则完成机械与机械部分 机械与电气装置部分的连接 人一机接口提 供了人与系统间的交互界砸 自动控制技术范围很广 主要包括 基本控制理论 在此理论指 基于p i c 单片机的血压测量计设计 导下 对具体控制装置或控制系统进行设计 设计后的系统仿真 现 场调试 最后使研制的系统可靠地投入运行 由于控制对颈种类繁多 所以控制技术的内容极其丰富 例如高精度定位控制 速度控制 自 适应控制 自诊断 校正 补偿 再现 检索等 随着微型机的广泛应用 自动控制技术越来越多地与计算机控制 技术联系在一起 成为机电一体化十分重要的关键技术 传感与检测装置是系统的感受器官 它与信息系统的输入端相联 并将检测到的信息输送到信息处理部分 传感与检测是实现自动控 制 自动调节的关键环节 它的功能越强 系统的自动化程度就越高 传感与检测的关键元件是传感器 三机电一体化的智能化趋势 制造工程中的机电一体化技术提出了许多新的和更高的要求 制 造工程中出现了新的概念 毫无疑河 智能化是机电一体化发展的必 然趋势 象机械制造自动化中的数控技术 c n c f m s c i m s 及机 器人等都会 致被认为是典型的机电一体化技术 产品及系统 人工智能在机电人体化技术中的研究日益得到重视 机器人与数 控机床的智能化就是重要应用 这一切都依赖于信息的采集和处理技 术 智能机器人通过视觉 触觉和听觉等各类传感器采集工作状态信 息 根据实际变化过程反馈的信息作出判断与决定 1 诊断过程的智毖化 2 人 机接口的智能化 3 自动编程的智能化 4 加工过程的智能化 5 机电一体化的系统化发展趋势 6 机电一体化的轻量化及微型化 在整个智能化发展的各个方面 计算机 或单片微机 的信息采 集和处理技术都是其中最为关键的技术 因而了解 掌握这方面的技 术对于自己将来从事机电一体化技术研究具有重要意义 i 2 数据采集的核心单片微机介绍 计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展 这三个方向就是 巨型化 单片化 网络化 以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍 2 基于p i c 单片机的血压测量计设计 然是巨型机在起作用 故而 巨型机在目前在朝高速及处理能力的方 向努力 单片机在出现时 i n t e l 公司就给其单片机取名为嵌入式微控 制器 e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r 单片机的最明显的优势 就是可以嵌 入到各种仪器 设备中 这一点是巨型机和网络不可能做到的 数字 单片机的技术进步反映在内部结构 功率消耗 外部电压等级以及制 造工艺上 在这几方面 较为典型地说明了数字单片机的水平 在目 前 用户对单片机的需要越来越多 但是 要求也越来越高 下厩分 别就这四个方面说明单片机的技术进步状况 一内部结构的进步 单片机在内部已集成了越来越多的部件 这些部件包括一般常用 的电路 例如 定时器 比较器 a d 转换器 d a 转换器 串行通 信接口 w a t c h d o g 电路 l c d 控制器等 有的单片机为了构成控制网 络或形成局部网 内部含有局部网络控制模块c a n 特别是在单片机 c 1 6 7 c s 一3 2 f m 中 内部还含有2 个c a n 因此 这类单片机十分容 易构成网络 特别是在控制 系统较为复杂时 构成一个控制网络十 分有用 特别引人注目的是 现在有的单片机己采用所谓的三核 t n c o r e 结构 这是一种建立在系统级芯片 s y s t e m o n a c h i p 概念上的结构 这 种单片机由三个核组成 一个是微控制器和d s p 核 个是数据和程 序存储器核 最后一个是外围专用集成电路 a s i c 这种单片机的最 大特点在于把d s p 和微控制器同时做在一个片上 虽然从结构定义上 讲 d s p 是单片机的一种类型 但其作用主要反映在高速计算和特殊 处理如快速傅立叶变换等上面 把它和传统单片机结合集成大大提高 了单片机的功能 这是目前单片机最大的进步之 二功耗 封装及电源电压的进步 现在新的单片机的功耗越来越小 特别是很多单片机都设置了多 种工作方式 这些工作方式包括等待 暂停 睡眠 空闲 节电等工 作方式 美国微芯公司 m i c r o c h i pt e c h n o l o g yi n c 的单片机p i c l 6 f 8 x 是一个很典型的例子 在4 m h z 时钟下 电源电压为3 v 时 典型的 工作电流小于o 6 m a 而在典型待令状态的电流值小于l a 而在功 耗上最令人惊叹的是t i 公司的单片机m s p 4 3 0 系列 它是一个1 6 位 的系列 有超低功耗工作方式 它的低功耗方式有l p m l l p m 3 l p m 4 基于p i c 单片机的血压测量计设计 三种 当电源为3 v 时 如果工作于l m p l 方式 即使外围电路处于 活动 由于c p u 不活动 振荡器处于l 4 m h z 这时功耗只有5 0u a 在l p m 3 时 振荡器处于3 2 k h z 这时功耗只有1 3ua 在l p m 4 时 c p u 外围及振荡器3 2 k h z 都不活动 则功耗只有0 1ua 现在单片机的封装水平已大大提高 随着贴片工艺的出现 单片 机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现 以大量减少体积 在这种形势中 m i c r o c h i p 公司推出的2 8 4 4 引脚的单片机特别引人注 目 如p i c l 6 f s x 系列 它含有4 k s k 程序存储器 3 个 5 个i o 端 口以及二个定时器 还含有5 个 8 个a d 输入通道 完全可以满足一 些中低档系统的应用 扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发 展的目标之一 目前 一般单片机都可以在3 3 5 5 v 的条件下工作 而一些厂家 则生产出可以在2 2 6 v 的条件下工作的单片机 微芯 公司的p i c l 6 f 8 x 的工作电压最低可达2 0 v 三工艺上的进步 现在的单片机基本上采用c m o s 技术 但已经大多数采用了o 6 m 以上的光刻工艺 有个别的公司 如m o t o r o l a 公司则已采用0 3 5 l zm 甚至是0 2 5pm 技术 这些技术的进步大大地提高了单片机的内 部密度和可靠性 四单片机应用的可靠性技术发展 在单片机应用中 可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围 和领域 提高单片机自身的可靠性是一种有效方法 近年来 单片机 的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术 这些新 技术表现在如下几点 1 e f t e l e c t r i c a lf a s t t r a n s i e n t 技术 e f t 技术是一种抗干扰技术 它是指在振荡电路的正弦信号受到 外界干扰时 其波形上会迭加各种毛刺信号 如果使用施密特电路对 其整形 则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟 在交替使用施密特 电路和r c 滤波电路时 就可以消除这些毛否则令其作用失效 从而 保证系统的时钟信号正常工作 这样 就提高了单片机工作的可靠性 2 低噪声布线技术及驱动技术 很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上 这样 基于p i c 单片机的血压测量计设计 不仅降低了穿过整个芯片的电流 另外还在印制电路板上容易布置去 耦电容 从而降低系统的噪声 现在为了适应各种应用的需要 很多 单片机的输出能力都有了很大提高 m o t o r o l a 公司的单片机i o 口的 灌拉电流可达8 m a 以上 而m i e r o c h i p 公司的单片机可达2 5 m a 这 些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声 为 了减少这种影响 现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的 方法 并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻 以降低 d i d t 这也就是所谓 跳变沿软化技术 从而消除大电流瞬变时产生 的噪声 3 采用低频时钟 高频外时钟是噪声源之一 不仅能对单片机应用系统产生干扰 还会对外界电路产生干扰 令电磁兼容性不能满足要求 对于要求可 靠性较高的系统 低频外时钟有利于降低系统的噪声 在一些单片机 中采用内部琐相环技术 则在外部时钟较低时 也能产生较高的内部 总线速度 从而保证了速度又降低了噪声 五单片机的发展趋势 单片机在目前的形势下 表现出几大趋势 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走 向 t 所集成的部件越来越多 n s 美国国家半导体 公司的单片机已 把语音 图象部件也集成到单片机中 也就是说 单片机的意义只是 在于单片集成电路 而不往于其功能了 如果从功能上讲它可以讲是 万用机 原因是其内部已集成上各种应用电路 功耗越来越低 和模拟电路结合越来越多 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高 单片机还会 不断产生新的变化和进步 最终人们可能发现 单片机与微机系统之 问的距离越来越小 甚至难以辨认 1 3 课题研究的意义和目标 一课题研究的意义 本文研究的动态血压检测仪属于微机检测与控制领域 通过对它 s 基于p i c 单片机舶血压测量计设计 的研究将对自己以后从事机电一体化产品的开发具有重要的意义 因 为在国民经济的各个部门都已渗透微机检测与控制系统 国防技术 航天 航空 铁路 冶金 化工等产业自是不必说 就连日常生活中 也用上了微机测控技术 如电梯 微波炉 电冰箱等 由于单片机具 有集成度高 功能强 速度快 体积小 功耗低可靠性高 价格便宜 实用灵活 开发周期短 适合国情等诸多优点 因此 在工业控制系 统 数据采集系统 自动测试系统 智能仪器仪表 遥感遥测 通讯 设备 机器人 高档家电中随处可见其身影 而这些智能器件可以运 用到以下领域 一消费者服务领域 它主要应用到家庭器具和娱乐器 件 二是汽车领域 每辆汽车都将近有5 0 个单片机 它们提供智能化 控制 例如报警系统 a b s 和安全气囊 三是在办公自动化领域 主 要包括p c 机 键盘 复印机和打印机i 四是无线电通信领域 包括 便携式电话 寻呼机和电话应答机 五是在所有的工业应用领域 例 如旅馆房间的门锁 自动化水龙头和工业控制 作为机电专业的研究 生 掌握单片机基本知识 学会其运用 并为以后在此基础上结合相 关领域设计智能化产品和提高某些产品性能具有重要的实践意义 本论文也具有比较重要的现实意义 目前 市场上的使用的血 压计大部分仍是水银血压计 也有一些动态血压记录仪 水银血压计 每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量 测量过程复杂 只能是每 个医生一次对一个人进行测量 而且对不同的医生 测量结果可能不 同 对同一个人来说 影响血压因素非常多 由于每次测量的时间不 可能很长 测得结果在某些情况就不能真实的反映被测对象的血压值 将脉动波的记录引入动态血压技术 提供2 4 小时内的每次血压测量结 果 而且能再现每次测量过程中的波形 在动态血压检测中干扰和伪 差是不可避免的 目前市场上的大部分动态血压记录仪 只记录每次 测量的结果 医生面对的是一批真伪难辩的数字 本课题研究最终旨 在设计出全信息的动态血压记录仪 使每次测量结果完全透明 实时 分析结合回顾分析 使医生可以对照原始波形判断数据的真伪 有效 甑别出干扰和伪差引起的误检测 恢复真实血压 保证血压报告的有 效性和可靠性 二课题研究的总体目标 本文研究的内容就是动态血压信号的数据采集系统的硬件设计 基于p i c 单片机的血压测量计设计 根据总体项目的要求 提出多种设计方案 选择最合适的方案进行硬 件设计 以满足血压信号的数据处理系统的要求 硬件电路就满足项 目的如下指标 测量范围 收缩压 4 0 2 7 0m m h g 舒张压 2 0 2 0 0m m t i g 平均压 3 0 2 2 0m m h g 测量精度 测量方式 过压保护 测量时间 士3m m h g 或 4 者取最大 简单测量 不借助于p c 机就能进行血压值的测量 能提供数据给p c 机用于血压值的实时测量和血压 波形的实时显示和记录 成人 3 1 5 3 3 0m m h g 起动过压保护 儿童 2 3 5 2 5 0m m h g 起动过压保护 在无干扰的情况下 测量时间通常为3 0 秒 也右可 以进行长时间连续测量 基于p i e 单片机的血压测量计设计 第二章数据采集的理论基础 2 1 微弱信号检测概述 一微弱信号检测概念 科学技术的发展依赖于测嚣技术 同时也不断为测量技术提出了 新的更高的要求 概括地讲 测量技术始终围绕着提高速度和提高精 度这两个基本问题在发展 测量速度的加快 不仅仅是节省了测量时 间 而且还意味着对被测量系统快速变化的响应和处理能力的提高 测量精度是一种测量系统 一种测量方法优劣的重要评判指标 测量 精度的提高意味能容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力的提高 二微弱信号检测方法 提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法有两类 一是 传感器及放大器入手 从降低它们的固有噪声水平 或研制新的低噪 声传感器 另一是分析测最中的噪声规律和信号规律 通过各种手段 从噪声中提取信号 微弱信号检测是利用后一种途径 但应注意 从 噪声中提取信息 首先需在尽量降低噪声的基础上进行 微弱信号的 检测方法随信号类型不同而不同 目前常用的和比较成功的方法有以 下几种 l 信号的窄带化及相干检测技术 单频余弦 或正弦 信号 或频带很窄的正 余弦信号 由于信 号频率固定 我们以通过限制测量系统带宽的方法 把大量带宽外的 噪声排除 这种技术称为窄化技术 如果信号具有相干性 而噪声具 有无相干性 则可利用相干检测技术 把相位不同于信号的噪声部分 排除 即可把与信号频率相同 但相位不同的噪声大量排除 2 0 世纪 5 0 年代后发展的锁相放大器 是以相敏检波 p s d 为基础的 是目 前电频域信号相干检测的王要仪器 其基本原理是利用p s d 既作交频 以作相干降噪 再用真流放大器作积分 滤波 最后作信号幅度测量 它比选频放大的测量灵敏度高可提高3 4 个数量级 2 时域信号的平均处理 信号若是脉冲波序列 则信号有很宽的频域 因此相干检测常无 用武之地 这时 可根据噪声是随机的 多次测量的平均可排除噪声 基于p i d 单片机的血压测量计设计 的影响 接近信号真实值的特性来进行测量 这种逐点多次采测 求 平均的方法 称为平均处理 积累平均器 b o x c a r 是电信号时域处 理的主要设备 2 0 世纪5 0 年代提出设想 1 9 6 2 年得以实现 目前用 于频率较高的时域信号 对频率低的重复信号 其时间效率较低 计 算机发展后 出现数字平均器 它适用于较低的频率范围 由于两者 有许多相同部件 目前已生产合二为一的产品 3 离散量的计数统计 有些信号 可看成是一些极窄的脉冲信号 人们关心的是单位时 间到达的脉冲数 而不是脉冲的形状 这些脉冲的计数统计方法 要 选择或设计传感器 能使信号有尽量相近的窄脉冲幅度输出 要利用 幅度甄别器 大量排除噪声计数 要利用信号的统计规律 来决定测 量参数的作数据修正 目前比较成熟的离散量测量仪器是光子计数器 4 并行检测 有些事侔只发生一次 如单次闪光光谱 或者希望在测量的范围 内用扫描方式同时获得结果 这就需要并行检测方法 并行检测需要 用传感器阵列 而每个传感器必须有存储效应 使数据能依次读出 传统的光并行检测 是用感光乳胶 主要适用于光图像 其灵敏度较 低 后处理繁重 困难 目前出现摄像管 二极管列阵 c c d 列阵等 光电多元传感器 可结合多路传输 多道技术 获取模拟电信号 或 转变成数字信息 从而实现快速并行检测 若再利用计算机作非线性 变换 加 减 直方图等多种处理 就形成了图像数字处理技术 图 像识别 图像增强等 并行快速实现快速分析 因此在荧光动力学 等离子体分析 爆炸研究 低能电予衍射 大气现象研究 质谱等许 多领域都是有用的 实现并行检测的基本条件 是要有多道传感器和 信息的快速存取 目前并行 在光学和核物理方面应用比较成功 5 自适应噪声抵消 这是自适应信号处理的一种形式 它利用一个与原始输入相关的 噪声来抵消原始输入中的噪声 从而获得几乎未产生畸变的有用信号 提高系统的信噪比 自适应噪声抵消系统需要一个附加的参考输入 这种方法在地球生理 生物医学 通信和测量设备中均有很大的应用 价值 6 计算机数字处理 基于p r c 单片机的血压测量计设计 随着计算机的发展 原来一些需要硬件完成的任务 可用软件来 实现 我们可利用曲线拟合 平滑 逐点平均 数字滤波 快速付立 叶变换 f f t 及取最大熵估计等众多的数字信号处理方法 对含有 噪声的信号进行处理 从而提高信噪比 对血压信号 我们采用了先进的m o t o r o l a 专用的压力传感器和放 大器 其输出已被调理为 5 v 电压信号 此信号经过采集硬件后送 入到计算机进行数字处理 能达到很高的处理精度 2 2 采样方式的选择 一采样定理 模拟信号首先经过一个预采样滤波器进行初步处理 主要是为满 足采样定理的要求而滤除高频干扰 然后由来样器按照预定的时间间 隔对模拟信号离散化 从而把连续的模拟信号转化成离散的脉冲子样 再由模数转换器 a d c 把离散子样进行量化编码 使之变成数字信 号送到处理器进行数字处理 数字处理一般由数字计算机来完成 模 拟信号的数字化过程如图2 l 所示 x 蜘1 0 j q n 1 s x f n l 吾鲁里鐾基召 l i j l 1 j j l 一 n 图2 1 模拟信号的数字化 图中t s 为采样周期 x f 表示输入的模拟信号 k 瓦 表示模拟 1 0 巨交 基于p i c 单片机的血压测量计设计 子样信号 当子样宽度很小时 x 竹t z e a t h 瓦 e x n t 6 t n t 均匀采样定理 一个在频谱中不包含大于频率厂卅的分量的有限频带信 号 由对该信号以不大于 的时问间隔进行采样的采样值唯一地确 z 定 当这样的采样信号通过其截止频率w 满足条件的理想低通滤波器 后 可以将原信号完全重建 x 为输入信号的频谱 与x f 的关系为 x f j x f e 柙d f 爿 厂 x f p 舶d f 当采样满足均匀采样定理时 频谱x f 和完全确定连续信号x o x t 工 n r e 2 砷 可以由离散信号x n e 完全确定 具体关系如下 川一壶亩 s i n 詈 f n t x f 善 行c 一一 量 一 r 二采样方式 采样定理为我们确定采样频率提供了理论依据 但在具体实现由 连续信号到离散信号的转换时 又涉及采样方式问题 设计采样方式7 总的原则是 以保证采集精度为前提 以被测信号的具体特性为依据 尽量以较低的速率实现采样 从而减少数据量 降低对传输 变换系 统的要求 提高数据处理的效率 以下是采样方式分类图 基于p i c 单片机的血压测量计设计 图2 2 采样方式分类 基本采样方式可分为两大类 实时采样 r e a d t i m es a m p l i n g 和等效时间采样 e q u i v a l e n t t i m es a m p l i n g 对于实时采样 当数字 化一开始 信号波形的第一个采样点就被采样并数字化 然后 经过 一采样间隔 再采入第二个子 样 这样一直将整个信号波形数字化后 存入存储器 实时采样的优点在于信号波形一到就采入 因此适应于 任何形式的信号波形 重复的或不重复的 单次的或连续的 又由于 采样点是以时间为顺序 因而易于实现波形显示功能 等效时间采样 技术可以实现很高的数字化转换速率 但这种采样方式的应用前提是 信号波形可以重复产生的 由于波形可以重复取得 故采样可以用较 慢的速度进行 采样的样本可以是时序的 步进 步退 差额 也可 以是随机的 这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的 波形 本采集系统的采样方式选择为实时采样 即采用相等的时间间 隔对血压信号进行连续采样 每次采样经数字化后将结果送入p c 机 进行存储 血压数据处理软件再对这些存储结果进行分析处理 血压 数据处理软件由项目组的其他人进行设计 样采点等 样样样 或 采采采 样样 进退额 采采 样步步差 隔长 采 l 问步 光 黼 群 样样样样 换 量 采采采采 变 变 时频歇描 序 机 定变问扫 时 随 l l l 样 样 采样 采 闻采 时 时换 实 效变等0 厂 ll 式方样采 基于p i c 单片机的血压测量计设计 第三章系统的方案设计 3 1 采集系统基本组成 采集系统包括硬件和软件两大部分 如图所示为硬件的基本组成 示意图 下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分 8 图3 1 系统硬件基本组成示意图 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量 通常把传感器 输出到a d 转换器输入的这一段信号通道称为模拟通道 放大器用来放大和缓冲输入信号 由于传感器输出的信号较小 例如常用的热电偶输出变化 往往在几毫伏到几十毫伏之间 电阻应 变片输出电压变化只有几个毫伏 人体生物电信号仅是微伏量级 因 此 需要加以放大 以满足大多数a d 转换器的满量程输入5 1 0 v 的 要求 此外 某些传感器内阻比较大 输出功率较小 这样放大器还 起到阻抗变换器的作用来缓冲输入信号 传感器和电路中的器件常会产生噪声 人为的发射源也可以通过 各种耦台渠道使信号通道感染上噪声 这种噪声可以用滤波器来衰减 以提高模拟输入信号的信噪比 在数据采集系统中 往往要对多个物理量进行采集 即所谓多路 巡回检测 这可以通过多路模拟开关后面的单元电路实现 多路模拟 开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号 因此 在多路开 关后的单元电路 如采样 保持电路 a d 及处理器电路等 只需一套 即可 这样节省成本和体积 模拟开关之后是模拟通道的转换部分 它包括采样 保持和a d 基于p i c 单片机的血压测量计设计 转换电路 采样 保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样 脉冲 并保持幅值恒定 以提高a d 转换器的转换精度 如果把采样 保持电路放在模拟多路开关之前 每通道一个 还可实现对瞬时信 号进行同时采样 采样 保持器输出的信号送至模数转换器 模数转换器是模拟输入 通道的关键电路 由于输入信号变化速度不同 系统对分辨力 精度 转换速率及成本的要求也不同 所以a d 转换器的种类较多 a d 转换的结果要送给计算机 有的则采用并行码输出 有的则 采用串行码输出 使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电 隔离的场合较为有利 3 2 系统硬件的方案设计 基于微型计算机的主机电路目前主要是采用个人计算杌 p c 机 来实现 目前个人计算机的应用已经十分普遍 其价格不断下降 因 而基于计算机的个人仪器迅速发展起来 个人仪器的特点是使用灵活 应用广泛 并可以充分利用p c 机的软硬件资源的各种功能 如可以 用c r t 显示测量结果及绘制图形和文本资料 利用计算机的网络功能 与其他设备交换数据 更重要的是 p c 机强大的数据处理能力和内存 容量将使测控仪器性能更上一层楼 另外 p c 机的软件系统已成为仪 器系统的重要组成部分 通过软件的更新可以方便进行仪器的升级换 代 基于p c 机的采集系统可以分为内插式 外接式和组合式三种 一内插式 内插式测控仪器构成如图3 2 所示 它是将输入或输出接口电路 制成印制板的插板形式 并直接插入p c 机主机箱的扩展槽内 通过 计算机的各种系统总线与c p u 交换信息 来自测量电路测量信号通过 插板与计算机打交道 主机与控制电路系统之间也是通过插板进行联 系 内插式测控仪器的特点是构成简便 结构紧凑 成本低廉 可直 接形成典型的个人仪器 另一方面 由于p c 机的扩展槽数量有限 且显示卡 声卡 网卡 调制解调吕等均会占用微机扩展槽 因此用 于输入 输出接口的扩展槽较少 灵活性差 4 基于p i c 单片机的血压测量计设计 图3 2 内插式数据采集系统构成 由于内插式主机系统构成的测控仪器从外观上看与一般个人计算 机并无明显区别 操作者可以通过键盘和鼠标器向主机系统发出控制 命令和进行各种操作 测量结果及控制状态等信息可通过计算机的显 示器显示出来 并可利用计算机的硬盘存储测量及处理结果 在设计 内插式测控仪器时可用的扩展槽总线形式有i s a 总线 v e s a 总线 p c i 总线或a g p 总线 下面图3 3 以i s a 总线来设计原理图 注 粗线代表由8 t r i g 线组成 图3 3 基于i s a 总线设计的原理图 基于p i c 单片机的血压测量计设计 二外接式 外接式测控仪器构成如图3 4 所示 它是将输入接口与输出接口 安装于p c 机箱外部的一个独立的专用的电箱中 并通过外部总线 如 r s 2 3 2 c 串行总线或i e e e 4 8 8 并行总线等 与p c 机通信或和传递数 据 外接电箱可以独立供电 且不受p c 机总线的限制 必要时可以 有自己的微处理器和总线结构 其特点是灵活方便 适用于多通道 高速数据采集或一些特殊的测控要求 图3 4 外接式测控仪器构成 在外接式测控仪器中 外接电箱可以根据测控仪器的不同功能或 要求单独进行设计 也可以购置通用电箱或处理系统 而p c 机既可 以用于本测控仪器专用 也可以兼作它用 或同进管理多个测量仪器 和相关设备 因而具有极大的灵活性 三组合式 组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机结合起来 兼有两 种方式的优点或特长 组苗式测控仪器的结构如图3 5 所示 输入接 口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的志用电箱中 同时在p c 机内部扩展槽内也安装有接口板 测量信号和控制信号通过外接电箱 后 再经过接口扳与计算机交换数据 组合式系统的特点是灵活方便 适用范围广 是一些特殊场合下的最佳选择 1 6 基于p i c 单片机的血压测量计设计 图3 5 组合式测控仪器构成 值得注意的是 随着计算机硬件功能的逐渐完善和多样化 标准 化插件的不断增多 电路系统模块化的进一步发展 基于微型计算机 的测控仪器的中央处理系统将逐渐为软件系统所部分取代 这时 从 计算机的角度看 不同的测控仪器只是区别予不同的软件系统 仪器 的更新和升级也主要是软件的更新和升级 3 3 系统硬件的总体设计 在这里介绍一下有关血压的基本知识 血压是血液在血管内流动 时对血管壁的侧压力 血压分收缩压和舒张压 当心室收缩向动脉泵 血时 血压升高 其最高值为收缩压 心室舒张时 血压降低 其最 低值为舒张压 血压通常以上肢肱动脉测得的血压为代表 正常成年 人上肢动脉的收缩压为9 0 1 4 0 毫米汞柱 舒张压为6 0 9 0 毫米汞柱 血压过低或过高都是疾病的征象 血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩 舒张而不断变化 而 人的心脏的收缩频率即心率比较低 一般在3 0 3 0 0 b p m 由此血压脉 动信号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号 采用内插式如图3 3 基于i s a 总线的原理图硬件复杂 成本较高 采用组合式的总线型 a d 卡也并不是最合适 最经济的方案 本文研究的是采用外接式的 结构 以p i c l 6 f 8 7 4 单片机为核心 由其内部自带的1 0 位8 通道a d 基于p i c 单片机的血压测量计设计 转换模块构成的采样模块 该模块的采样数据由单片机串e l 经电平转 换后送到上位机 i b mp c 兼容机 的串口c o m l 或c o m 2 形成一 种连续数据采集串行数据传输的方式 本文硬件设计的模型如图3 6 所示 弋 i l 1 l p o 一 图3 6 硬件模型图 参数设计 1 采样频率图中a 0 a 7 为传感器采集来的血压信号经过调理 后的0 5 v 的标准信号 由于人的心率一般在3 0 3 0 0 b p m 范围内 因 而血压信号的有效频率范围较小 根据采样定理 采样频率只要能大 于信号频率的2 倍理论上采样后的数据就能还原原始信号 并参考其 它血压计和心电启示录仪的采样频率 本文选取每个通道的采样频率 为2 5 0 h z 对血压信号进行采样 能足够满足数据的处理需要 为充分 利用硬件潜力 根据需要可以通过键盘或p c 机来设置采样速率 2 分辨率p i c l 6 f 8 7 4 单片枫a d 转换位数为1 0 位 则分辨 率为1 2 加或约为满刻度的o 1 由采样位数为1 0 位 即需2 个字节 来存储 1 秒钟就采样5 0 0 个字节 由于设计要求的采样精度为3 所以可以去掉结果的低两位 即用一个字节来存储采样结果 采用这 种方式系统的精度将降低 省略掉的两位最大占满刻度的3 1 0 2 4 对 系统的测量结果影响较小 3 数据传输率为减小系统的功耗和增加数据传输的可靠性 数据传输速率将根据采样的通道数目进行设定 若只对 个通道进行 采样 则每秒钟将产生2 5 0 个字节的数据 选择串行传送的波特率为 9 6 0 0 b p s 则大约l m s 就能传送一个字节 l s 可以传送大约l k 个字节 基于p l c 单片帆的血压测量计设计 所以可以满足要求 对于有多个通道的情况 其传输速率的计算将在 后面章节讨论 4 硬件工作流图由于采样的频率较低 硬件设计就采用每采 集一次血压信号就将结果通过串行端i 1 传送给上位机 便于连上位机 p c 机 对数据进行实时处理 图3 7 硬件工作流程图 硬件工作流程图如所示 电源开启过后 若有必要修改系统的默 认参数 将由键盘输入或p c 机对其进行设置 经过了这个阶段以后 系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行初始化工作 初始化 完成之后 将启动a d 转换 等待直至a d 转换结束 然后将工a d 转换结果送入上位机 待采样的时间达1 秒钟后将分析数据结果 求 出最大值和最小值 经过一些处理后即为收缩压和舒张压 将它们送 往l e d 数码管进行显示 1 9 基于p i c 单片机的血压测量计设计 第四章主要功能模块设计 4 i 单片机的选择 若选择将多路开关 采样保持器和ad 转换器集成在一起的单片 机 就可以减少分离元件的数目 缩小血压测量计的电路板大小和增 加系统的可靠性 考虑到血压测量计的使用 功耗必须较低和用电池 供电的等因素 本文的单片机选择为m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 4 下面将介绍p i c l 6 f 8 7 4 芯片 p i c l 6 f 8 7 4 是p i c l 6 f 8 7 x 系列中的一员 p i c l 6 f 8 7 x 系列产品是 微芯公司生产的1 4 位指令系统中功能最强的单片机之一 性能价格比 很好 这类单片机广泛使用的主要因素有 开发容易 周期短 由于p i c l 6 f 8 7 x 采用r i s c 指令集 指令少 仅具有3 5 条指令 且全部为单字长指令 易学易用 相对于采用c i s c 复杂指令集 结构的单片机可节省3 0 以上的开发时间 2 倍以上 的程序空间 高速 采用哈佛总线和精简指令集建立了一种新的工业标准 指 令的执行速度快 工作速度 d c 2 0 m h z 时钟输入 d c 2 0 0 n s 指令周 期 当p i c l 6 f 8 7 4 以最大时钟脉冲速率运行时 它在o 2us 内就能执 行一条指令 除g o t o 和c a l l 指令外 即每微秒执行5 条指令 比一般的单片机速度快5 倍 可靠的复位电路和多种时钟选择 上电复位和掉电锁定功能 确 保芯片只在电压规定的范围内运行 如果芯片误操作和偏离正常运行 看门狗定时器就会复位 同时 有4 种时钟脉冲可供选择 其中包含 有一个低价格的电阻电容振荡器和一个高精度的晶体振荡器 引外还 有一些低功耗的时钟脉冲可供选择 低功耗 p i c 采用了c m o s 设计结合了诸多的节电特性 使用 高速 低功耗c m o sf l a s h e e p r o m 技术 使其功耗较低 p i c 百 分之百的静态设计可进入休眠 s l e e p 省电状态而不会影响唤醒后的 正常运行 在4 m h z 时钟下 电源电压为3 v 时 典型工作电流值小 于o 6 m a 在3 2 k h z 时钟下 电源电压为3 v 时 典型工作电流值为 2 0 b t a 典型待令状态的电流值小于1 雌 2 0 基于p i c 单片机的血压测量计设计 强大的输出端口控制和驱动能力 一条端口操作指令可以在其0 2 us 的指令执行时间里选择和驱动一个输出端口 每个输出引脚可以 驱动多达2 5 m a 的负载 其拉电流和灌电流均为2 5 m a 既可以高电 平直接驱动l e d 也可以低电平直接驱动l e d 宽工作电压范围 p i c 系列芯片可以工作在宽的电压范围内 从 2 5 v 到5 5 v 特别适用于电池供电的场合 宽的电压范围使得芯片可 以很容易地与外围的3 3 v 和5 v 供电接口芯片接口 低价实用 p i c 配备有o t p o n e t i m e p r o g r a m m a b l e 型和f l a s h 型等多种形式的芯片 有高达8 k 字节的程序存储器f l a s h 3 6 8 字 节的数据存储器 r a m 和2 5 6 字节的数据存储器e e p r o m 提供了 基于w i n d o w s 9 8 的方便易用的全系列的产品开发工具 外围功能模块特性 定时器t m r 0 带有8 位前分频器的8 位定时 器 计数器 定时器t m r l 带有前分频器的1 6 位定时器 计数器 在休 眠期间可通过外部晶振 时钟增量计数 定时器t m r 2 带有8 位周期寄 存器 前分频器和后分频器的8 位定时器 计数器 两个捕捉 比较 脉 宽调制 p w m 模块 1 6 位的捕捉输入的最大分辨率为1 2 5 n s 1 6 位的比较输出的最大分辨率为2 0 0 n s 脉宽调制 p w m 输出的最大 分辨率为l o 位 1 0 位多通道模数转换器 a d 同步串行c i s s p 可满足s p i m 主控 和1 2 c m 主控 从动 总线要 求 具有地址第9 位检测的通用异步接收器和发送器 u s a r t s c i 由外部r d w r 和c s 控制的8 位数据宽度的并行从动端口p s p 用于掉电锁定复位 b o r 的锁定检测电路 4 2a d 转换功能模块 p i c l 6 f 8 7 4 单片机内部集成了a d 转换部件 并且有8 个a d 输 入通道 通过编程 即可实现单路或多路a d 转换的功能 另外其 a i d 转换还可以在休眠状态下进行 由a i d 转换结束中断重新激活单 片机 采用这种方式 在a d 采样和转换时间内 单片机主频关闭 干扰小 既提高了a d 转换精度 以减少了功耗 a d 转换部件有以下四个寄存器 a d 结果高字节寄存器 a d r e s h 用于存放a d 转换结果的高 基于p i c 单片机的血压测量计设计 字节 a i d 结果低字节寄存器 a d r e s l 用于存放a i d 转换结果的低 字节 a i d 控制寄存器0 a d c o n 0 作于控制a i d 转换器的操作 a i d 控制寄存器l a d c o n l 用于控制选择a i d 引脚的功能 当a i d 转换完成之后 共1 0 位的a f d 结果放在a d r e s h 和 a d r e s l 寄存器中 g o d o n e 即a d c o n 0 的b i t 2 被清0 同时a i d 转换中断标志a d i f 被置1 选择好a d 转换模块之后 在开始转换 之前 必须先选择转换通道 选中的模拟输入通道 其相应的方向寄 存器的t r i s 位必须被设置为输入 只有当采集过程完成之后 d 转换才能开始 图4 1 a i d 转换器的结构示意图 为使a d 转换器能达预定的转 换功能 首先需要a i d 转换各寄存器进行