基于USB接口的脉搏检测仪的设计毕业论文.doc

编号 淮安信息职业技术学院淮安信息职业技术学院 毕毕业业论论文文 题 目基于 USB 接口的脉搏检测仪的设计 学生姓名刘巍 学 号11012111 院 系电子信息工程 专 业电子信息技术 班 级110121 指导教师杨金红 顾问教师 孙云龙 二 一五年六月 摘 要 摘摘 要要 本文设计 制作了一种基于 USB 接口的脉搏检测仪 硬件电路包括数据 采集电路 放大滤波电路 控制电路及电源电路 其中数据采集部分采用的 是光电脉搏传感器 放大电路采用了 AD620 滤波电路由二阶有源低通滤波 器构成 控制电路选用了带 USB 控制器 ADC 的微控制器 C8051F320 仪器 软件设计分 MCU 固件程序设计 USB 设备驱动程序设计 数据采集程序设计 及软件滤波程序设计等四部分组成 仪器的硬件 软件各部分配合良好 测 试所得脉搏波形能够正确反映人体脉搏的真实特征 该仪器同时具有使用 携带方便等优点 现场测试表明 本系统已达到预期设计要求 关键词 关键词 脉搏 光电传感器 低通滤波 基线漂移 C8051F320 Abstract I A Abstractbstract In this paper design and production of a kind of pulse detector based on USB interface enlarge hardware circuit including data acquisition circuit and filter circuit control circuit and power circuit The data acquisition part adopts photoelectric pulse sensor Amplifier AD620 is adopted Filter circuit composed of second order active low pass filter Control circuit selects the microcontroller with USB controller and ADC with C8051F320 Instrument software design of MCU firmware program design USB device driver design data acquisition program design and the design of the software filtering programs of four parts The parts of hardware and software of the instrument with good testing the pulse waveform can correctly reflect the real characteristics of the pulse of the human body The instrument also has the advantages of use easy to carry field test shows that this system has reached the expected design requirements Keywords Pulse Photosensor Low pass filtering C8051F320 USB int erface 目 录 II 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 引言引言 1 1 1 脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势 1 1 2 设计研究的内容 2 1 2 1 脉搏波检测电路 2 1 2 3 信号采集及处理系统 3 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 5 2 1 传感器电路设计 5 2 1 1 传感器的定义与组成 5 2 1 2 光电容积式麦博传感器的原理 5 2 1 3 光电传感器的电路设计 6 2 1 4 光电式脉搏传感器实验测量和噪声分析 6 2 2 放大滤波电路设计 7 2 2 1 放大电路的设计 7 2 2 2 低通滤波电路设计 9 2 3 USB 总线简介 9 2 3 1 USB 体系结构 10 2 4 MCU 及外围电路设计 11 2 4 1 C8051F320 介绍 11 2 4 2 USB 寄存器访问 14 2 4 3 USB 时钟配置 14 2 4 4 MCU 为外围电路设计 14 2 5 本章小结 16 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 17 3 1 MCU 固件程序设计 17 3 2 数据采集程序设计 18 3 2 1 VISUAL BASIC 6 0 简介 18 3 2 2 数据采集系统 20 3 3 本章小结 20 第四章第四章 实验结果及数据分析实验结果及数据分析 23 第五章第五章 总结与展望总结与展望 25 致致 谢谢 26 参考文献参考文献 27 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 0 第第 1 1 章章 引言引言 脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器 也是心电图的 主要组成部分 因此 在现代医学上具有重要的作用 目前检测脉搏的仪器 虽然很多 但是能实现精确测量 精确显示且计时功能准确等多种功能的便 血石携式全数字脉搏测量装置很少 随着人们生活环境和经济条件的改善 以及文化素质的提高 其生活方式 保健需求以及疾病种类 治疗措施等发 生了明显的变化 但在目前 我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势 其发 病率和死亡率均居各种疾病之首 是人类死亡的主要原因之一 因此 认识 预防及早期发现这些疾病是十分必要的 从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据 历来 都受到中外医学界的重视 几乎世界上所有的民族都用过 摸脉 作为诊断 疾病的手段 脉搏波所呈现出的形态 波形 强度 波幅 速率 波速 和节 律 周期 等方面的综合信息 在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 因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前 景 但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号 脉搏波信号更 是低频微弱的非电生理信号 必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求 1 11 1 脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势 脉搏传感器检测的信号要通过串行通讯的方式传输给微处理器 串行通 讯是把主系统与子系统 或系统与系统 或子系统与子系统 输入输出通道 的发送与接收端连接在一起作为信息交流的公共通道 以达到相互之间通讯 的目的 利用这种方法可以节省通讯时间 提高信息交换速度 减少相互间 连线 从而有效提高系统的可靠性和降低系统成本 因此 在数据采集 数 据通信 计算机网络 分布式工业控制系统以及武备系统中 经常采用串行 通信来交换数据和信息 1 目前常用的串行总线接口标准主要有 RS232 RS 422 RS423 RS485 和 USB 等 RS232 总线是 PC 机早期采用的通用串行总 线 至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统 通用串行总线 U ni versal Serial Bus 与以往的传统方式相比具有传输速度快 支持即插即 用 功耗低等优点 已成为新型数据通信接口的首选 可以连接鼠标 键盘 打印机 扫描仪 摄像头 闪存盘 MP3 机 手机 数码相机 移动硬盘 外置光软驱 USB 网卡等 几乎所有的外部设备 目前主流的计算机均配 备有 R S232 和 USB 两种串行接口 而早期的计算机主板只支持 RS232 串行 接口 当今则以 USB 接口为通用外设接口的趋势 2 第一章 引言 1 近年来日本 美国等国家的医生 学者在医学研究 针灸研究中设计了 一些脉象客观描记仪器或装置 这些仪器的主要功能是描记脉象波形 是用 作临床观察脉象变化的工具 但是这些仪器装置大多数没有形成产品 也没 有见到广泛临床应用的报道 其中比较有代表性的仪器有美国医学博士 Jho n H laub 研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪 日本的田口贤辉 发明的一种 压力 脉搏测定装置 日本的代用文彦设计了一种 局部加 压型可偿还脉装置 日本 Cofnia 公司研制的一种 CBM 3000 2000 型挠动 脉脉波检测仪以及日本 Sony 公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为 脉波传感元件的脉波检测仪 3 虽然国内外在提取脉搏图像方面已经开展了 大量的工作 先后研制了不同种类的传感器及测量设备获得脉搏波形 但从 研制情况看 大部分传感器不能模拟中医切脉诊法来检测脉搏信号 适用性 不够好 例如 80 年代研制的液态传感器利用将单位长度管段动脉内血液休 积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测最脉搏波的 这种传 感器虽然有较高的灵敏度 但出于液态传感器本身结构特点的限制使测量过 程并不十分方便 所以人体脉搏信号采集装置的研究仍有其可行性和必要 4 1 21 2 设计研究的内容设计研究的内容 包括传感器的选用 传感器驱动电路的设计 调理电路的设计 光电隔 离电路设计 单片机最小系统设计 USB 接口设计 人机接口的设计等 1 2 11 2 1 脉搏波检测电路脉搏波检测电路 目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法 光电容积脉搏波法 液体耦 合腔脉搏传感器 压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器 近年来光电检 测技术在临床医学应用中发展很快 这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰 具有很高的绝缘性 且可非侵入地检测病人各种症状信息 用光电法提取指 尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视 本系统设 计了指套式的透射型光电传感器 实现了光电隔离 减少了对后级模拟电路 的干扰 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便 于应用的某种物理量的测量装置 所用光电式传感器由发光二级管和光敏二 极管组成 其工作原理是 发光二极管发出的光透射过手指 经过手指组织 的血液吸收和衰减 由光敏二极管接收 由于手指动脉血在血液循环过程中 呈周期性的脉动变化 所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的 于是光 敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化 1 2 21 2 2 脉搏信号拾取电路脉搏信号拾取电路 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能 单个二极管能产 0 4V 电压 0 5mA 电流 BPW83 型红外接收二极管和 IR333 型红外发射二 极管工作波长都是 940nm 在指夹中 红外接收二极管和红外发射二极管相 对摆放以获得最佳的指向特性 红外发射二极管中的电流越大 发射角度越 小 产生的发射强度就越大 1 2 31 2 3 信号采集及处理系统信号采集及处理系统 由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号 信噪比低 极易受到环 境噪声和肢体运动的干扰 传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放 大器 以获得较高的检测灵敏度 这种设计思路导致了检测信号动态范围缩 小 在受到运动干扰时 将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测 的饱和失真 本系统采用过采样技术 通过对信号的高速采样来提高采样精 度 相当于用高分辨率的 ADC 对信号进行模数转换 达到了提高信噪比并改 善动态范围的效果 因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不 需要任何信号调理 放大和滤波 电路 第一章 引言 3 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 传感器电路设计传感器电路设计 2 1 12 1 1 传感器的定义与组成传感器的定义与组成 传感器 Transducer Sensor 在我国国家标准 GB7665 1987 中的 定义是 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置 传感器一般由敏感元件 转换元件 基本转换电路三部分组成 组成框图如图 2 1 所示 图 2 1 组成框图 2 1 22 1 2 光电容积式麦博传感器的原理光电容积式麦博传感器的原理 生理学和解剖学中脉搏没有专门的部位 也没有专门对脉搏的讲解 脉 搏是一个非常复杂的过程 它是由心脏收缩和舒张产生的压力 通过容量血 管与阻力血管 在动脉内产生的压力变动以及有节律性的冲动形式 它存在 于身体的每个部位 通常人们对感触到的体表的反应叫脉搏 它是受心脏 血管 大脑中迷走神经 交感神经 及心脏神经控制的一个非常复杂的过程 就容积式脉搏波的探测而言 指尖是较理想的部位 因为它位于肢体前端 容易实现非接触检测 其次 由手指的解剖结构可知 每个指尖的血液都 是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖 再经丰富的冠状动脉弥散至毛细 血管 然后从静脉回流 血液是一种高度不透明的液体 近红外单色光在一般组织中的穿透性比 在血液中大几十倍 皮肤内的血液容积在心脏作用下呈波动性变化 当心脏 收缩时外周血容量最多 而心脏舒张时则外周血容量减小 血容积搏动使组 织中血液透光率随之变化 当光源和光敏元件置于被测部位 如手指 的同 一侧 或两侧 光源发出的光照射在组织上 经反射 或透射 后被光敏 元件接 光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号 在检测系统中 将变化量与直流量相互分离 从而得到光电容积脉搏波 搏信号的频率范围 在 0 3 20Hz 之间 小于工频 50Hz 因此必须通过低通滤波电路滤除工频 干扰 这里我们使用二阶低通滤波电路进行滤波处理 在通常脉搏测量过程中 手指和光电式脉搏传感器可能产生相对运动 会使脉搏测量产生误差 这里我们采用指夹式机械模型 提高其机械抗运动 性 使指夹能够更紧的夹在手指上 不易松动来降低运动噪声的干扰 被测量电量敏感 元件 转换 元件 基本转 换电路 第二章 系统硬件设计 5 2 1 32 1 3 光电传感器的电路设计光电传感器的电路设计 在本设计中我们采用 IR333 型红外发射二极管作为光源 BPW83 型红外 接收二极管作为光电转换器件 两种二极管的峰值波长都在 900nm 附近 在 指夹中 红外发射二极管和红外接收二极管并排摆放 R2 选 500 是基于 红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的 R2 过大 通过红外发射二极管 的电流偏小 BPW83 型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号 反之 R2 过小 通过的电流偏大 红外接收二极管也不能准确地辨别有脉 搏和无脉搏时的信号 电容 C1 起到隔直通交的作用 因为从光电二极管拾 取的电压信号是直流和交流叠加的信号 光电传感器电路原理图如图 2 2 所 示 5V GND 1K R1 500 R2 4 7 C1 D1 IR333 D2 BPW83 2 3 图 2 2 光电式传感器电路 2 1 42 1 4 光电式脉搏传感器实验测量和噪声分析光电式脉搏传感器实验测量和噪声分析 在测量过程中 前端测量到的脉搏信号十分微弱 容易受到外界环境的 干扰 因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析 从光电式脉搏传感器设 计的技术角度减少干扰 使之能够准确测量到脉搏信号 光电式脉搏传感器 的干扰主要有测量环境光干扰 工频干扰 测量过程运动噪声 下面对上述 情况结合仪器软硬件设计做进一步的分析 在光电式脉搏传感器中 光敏器件接收到的光信号不仅有包含脉搏信息 的反射光的信号 而且有测量环境下的背景光信号 由于动脉波动引起的光 强变化比背景光的变化微弱得多 因此在测量过程当中要保持测量背景光的 恒定 减少背景光的干扰 在同时考虑到传感器使用的方便性 本仪器采用 特制的指夹封装形式 整个外壳采用不透光的介质和颜色 尽量减小背景光 的影响 工频干扰是电路中最常见的干扰 脉搏信号变化缓慢 特别容易受到工 频信号的干扰 因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 措施之一 2 22 2 放大滤波电路设计放大滤波电路设计 由光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱 仅为微伏量级或毫伏量级 所 以首先要对信号进行放大 介于此系统的特点 我们使用了两级放大电路 分别为初级放大和次级放大 在信号采集过程中 工频 人体位移 呼吸作 用等都会对原始信号产生干扰 所以必须对信号进行滤波处理 2 2 12 2 1 放大电路的设计放大电路的设计 由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱 仅为微伏量级或毫伏量级 所以要求前置级满足下述要求 高输入阻抗 光电信号是不稳定的内阻变化 的微弱信号 为了减少信号源内阻的影响 必须提高放大器输入阻抗 所以 要求放大器具有高的输入阻抗 低噪声 低漂移 可以减小信号源的影响 增强信号的拾取能力 使输出稳定 AD620 是一种仅需在其引脚跨接一个电阻就能调节放大倍数的低功耗 高精度仪表放大器 其放大倍数调节范围为 1 1000 倍 尽管 AD620 由传 统的三运放组成 但一些主要性能却优于由三个分立运放构成的仪表放大器 它的电源范围宽 2 3V 18V 体积小 功耗低 最大供电电流仅为 1 3mA 因而经常使用在低电压 低功耗的应用场合 AD620 的工作原理是 AD620 是在传统的三运放组合方式的基础上研制 的单片仪用放大器 输入三极管 Q1 和 Q2 提供了唯一双极差分输入 因内 部的超 处理 它的输入偏移电流比一般情况低 10 倍 通过 Q1 A1 R1 环路和 Q2 A2 R2 环路的反馈 保持了 Q1 Q2 集电极电流为常量 所以输 入电压相当于加在外接电阻 R 的两端 从输入到 A1 A2 输出的差分放大倍 数为 G R1 R2 RG 1 由 A3 组成的单位增益减法器消除了任何共模成 分 而产生一个与 REF 管脚电位有关的单路输出 AD620 原理图如图 2 3 所示 内部增益电阻 R1 和 R2 被精确确定 24 7k 使得运放增益精确地由确 定 G 49 4k RG 1 或 RG 49 4k G 1 由于经光电传感器采集到的信 号为毫伏量级 并且在信号的次级放大中还可以设置 2 5 倍的放大倍数 所以在前级放大电路的设计中令放大倍数为 101 倍 经过计算 RG R3 500 交流信号由 2 3 引脚输入经放大后通过低通滤波器进行处理 信号初 级放大电路原理图如图 2 5 所示 第二章 系统硬件设计 7 图 2 3 AD620 原理图 AD620 1 2 3 4 8 7 6 5 Rg IN IN Vs Rg Vs OUTPUT REF TOP VIEW 图 2 4 AD620 封装引脚图 8 1 6 2 3 4 5 7 5V GND 5V AD620 R3 500 AD620 图 2 5 信号初级放大电路 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 2 2 22 2 2 低通滤波电路设计低通滤波电路设计 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装 置 工程上常用它处理信号 传送数据和抑制干扰 有源滤波和无源滤波相 比 有源滤波采用了集成运放 集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高 输出阻抗低 构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用 通常 脉搏信号的频率范围在 0 3 20Hz 之间 因此通过低通滤波器可以有效滤除 50Hz 工频干扰及其他的高频噪声干扰 本文采用二阶有源低通滤波器对经 初级放大后的信号进行滤波处理 二阶低通滤波电路图如图 2 6 所示 R1 1 6kRf 48k R 1 6kR 1 6k C2 0 1uFC1 0 1uF 6 Vi Vo 图 2 6 二阶低通滤波电路 2 32 3 USBUSB 总线简介总线简介 USB Universal Serial Bus 通用串行总线 是一个外部总线标准 用于规范电脑与外部设备的连接和通讯 是应用在 PC 领域的接口技术 USB 是在 1994 年底由英特尔 康柏 IBM Microsoft 等多家公司联合提出的 与其它老式 PC 机接口相比 USB 的有如下优点 1 热插拔 用户可以把 USB 外设连接到一台正在运行的 PC 机上 操作系统能自动 识别 并且用户可以立即使用 而不需要重新启动 PC 机 用户可以在任何 时候断开 USB 外设 而不管计算机是否正在运行 这都不会损坏 PC 机和外 设 2 即插即用 USB 实现了自动配置 它不需要用户手工配置 I O 地址和中断请求 当 USB 外设接入 PC 机时 操作系统会自动检测到这个连接 并加载合适的驱 动程序 3 共享式接口 第二章 系统硬件设计 9 USB 端口支持多个外设的连接 采用 菊花瓣 式的连接方式 通过 US B 集线器 一个 USB 主控制器上最多可连接 127 个外设 4 低成本 USB 能实现强大的功能 它比以前的接口更加复杂 但是它的组件和电 缆并不贵 带有 USB 接口的外设和具有同样功能的老外设接口相比 所需费 用差不多 有时会更少一些 5 性能可靠 USB 系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性 6 提供电源 USB 电缆向外设提供了一根 5V 的电源线 电流的大小取决于集线器 最小为 100mA 最大不会超过 500mA 用户可以直接使用这个总线电源 另外 USB 支持低功耗模式 如果其连续 3ms 没有总线活动的话 USB 就 会自动进入挂起状态 以节省电能消耗 2 3 12 3 1 USBUSB 体系结构体系结构 USB是一种电缆总线 支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进 行数据传输 由主机预定的标准协议使各种设备分享USB带宽 当其它设备 和主机在运行时 总线允许添加 设置 使用以及拆除外设 1 USB系统的描述 一个USB系统主要被定义为三个部分 USB的互连 USB的设备 device USB的主机 host USB的互连是指USB设备与USB主机之间进行连接和通信的操作 主要包 括以下几方面 总线的拓扑结构 USB设备与主机之间的各种连接方式 内 部层次关系 根据性能叠置 USB的任务被分配到系统的每一个层次 数据 流模式 描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式 USB的 调度 USB提供了一个共享的连接 对可以使用的连接进行调度 以支持同 步数据传输 无须进行优先级判别 2 电源 主要包括两方面 电源分配 即USB的设备如何通过USB分配得到由主计 算机提供的能源 电源管理 即通过电源管理系统 USB的系统软件和设备 如何与主机协调工作 3 总线协议 USB总线是一种轮循方式的总线 主机控制端口初始化所有的数据传输 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 每一次总线执行动作最多传送三个数据包 4 系统设置 USB设备可以随时的安装和拆卸 因此 系统软件在物理的总线布局上 必须支持这种动态变化 5 USB设备 USB设备分为诸如集线器 分配器或文本设备等种类 集线器类指的是 一种提供USB连接点的设备 USB设备需要提供自检和属性设置的信息 USB 设备必须在任何时刻执行与所定义的USB设备的状态相一致的动作 当设备被连接 编号后 该设备就拥有一个唯一的USB地址 设备就是 通过该USB地址被操作的 每一个USB设备通过一个或多个通道与主机通讯 所有USB设备必须在零号端口上有一指定的通道 每个USB设备的USB控制通 道将与之相连 通过此控制通道 所有的USB设备都列入一个共同的准入机 制 以获得控制操作的信息 2 42 4 MCUMCU 及外围电路设计及外围电路设计 2 4 12 4 1 C8051F320C8051F320 介绍介绍 美国 Cynical 公司是一家专业从事混合信号片上系统单片机设计与制造 的半导体公司 它在市场上推出了 53 个品种的 C8051F 系列片上系统单片机 C8051F 系列单片机是集成的混合信号片上系统 SOC System Onchip 具有与 MCS 51 内核及指令集完全兼容的微控制器 除了具有标准 8051 的 数字外设部件之外 片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和 其它数字外设及功能部件 C8051F 系列单片机的功能部件包括模拟多路选 择器 可编程增益放大器 ADC 电压比较器 电压基准 温度传感器 SMB us I2C UART SPI 可编程计数器 定时器阵列 PCA 定时器 数字 I O 端口 电源监视器 看门狗定时器 WDT 和时钟振荡器等 所有器件都有 内置的 FLASH 存储器和 256 字节的内部 RAM 有些器件还可以访问外部数据 存储器 XRAM 1 功能部件 10 位的 AD 模拟外设 满足 USB2 0 协议的 USB 功能控制模块 片内调试 模块 工作温度范围 0 70 高速 8051 微控制器内核采用流水线指 令结构 其 70 的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 速度可达 25 MIPS 时钟频率为 25MHz 时 1280 字节的内部数据 RAM 16K 字节的可以在 系统编程的 FLASH 闪速存储器 25 个字节宽的端点 I O 所有口线均耐 5V 第二章 系统硬件设计 11 电压 可同时使用 UART 串口 硬件 SMBusTM SPITM 带有 4 个可编程的 16 位计数器 定时器阵列 带有 5 个捕捉 比较模块的通用 16 位计数器 定时器 内部晶振的精度为 0 25 支持所有 USB 和 UART 模式 外部晶振器 晶体 RC C 或外部时钟 内置一个针对与 USB 控制器的片上时钟乘法器 片上 的参考电源校准器支持 USB 总线电源操作 校准器的 Bypass 模式支持 USB 内部电源操作 2 性能特点 C805IF320 在保持 CISC 结构及指令系统不变的情况下 对指令运行实行 流水作业 推出了 CIP 51 的 CPU 模式 从而大大提高了指令运行速度 使 8051 兼容机系列进入了 8 位高速单片机行列 传统的单片机 I O 端口大都是固定为某个特殊功能的输入 输出口 可 以是单功能或多功能 I O 口可编程选择为单向 双向以及上拉 开漏等 这种固定方式既占用较多引脚 配置又不够灵活 C8051F320 采用开关网络 以硬件方式实现 I O 端口的灵活配置 在这种通过交叉开关配置的 I O 端口 系统中 单片机外部为通用 I O 口 如 P0 口 P1 口和 P2 口 内有输入 输 出电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上 3 引脚及封装 C8051F320 引脚图如图 2 6 所示 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 P01 1 P00 2 GND 3 D 4 D 5 VDD 6 REGIN 7 VBUS 8 REST 9 R30 C2D 10 P27 11 P26 12 P25 13 P24 14 P23 15 P22 16 P21 17 P20 18 P17 19 P16 20 P15 21 P14 22 P13 23 P12 24 P11 25 P10 26 P07 27 P06 28 P05 29 P04 30 P03 31 P02 32 C8051F320 图 2 6 C8051F320 引脚图 C8051F320 封装图如图 2 7 所示 第二章 系统硬件设计 13 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P0 1 P0 0 GND D D VDD BEGIN RST P3 0 P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 3 P2 2 P2 1VBUS P2 0 P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 P1 3 P1 2 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P1 0 P1 1 c8051F320 图 2 7 C8051F320 封装图 VDD 数字电源 GND 模拟地 BEGIN 5V 校准器的输入端 RST C2CK 设备的复位引脚或 EC2 调试接口的时钟信号 P3 0 C2D 端口 3 0 或 EC2 调试接口的双向信号引脚 VBUS USB 总线输入脚 D USB 的 D D USB 的 D P0 2 XTALl 端口 0 2 或外部晶振输入 P0 3 XTAL2 端口 0 3 或外部晶振输出 P0 6 CNVSTR 端口 0 6 或 ADC0 外部转换开始输入脚 P0 7 VRFF 端口 0 7 或外部参考电源的输入端或输出端 P0 0 P0 1 P0 4 P0 5 P1 0 P1 7 P2 0 P2 7 均为相应的端口引 脚 4 电气特性 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 校准器的输入电压 REGIN 引脚 4 0 5 25V VDD 电压校准器的输出 3 0 3 6V 通常取 3 3V VREG 偏流 电压校准器有效时 70uA CPU 和 U SB 运行时的供给电流 1mA CPU 时钟为 24MHz USB 时钟为 48MHz 时 或 9m A CPU 时钟为 12MHz USB 时钟为 6MHz 时 内部晶振频率 12 0MHz USB 时 钟频率 48 0MHz 全速 6 0MHz 低速 2 4 22 4 2 USBUSB 寄存器访问寄存器访问 USB0 控制器寄存器的访问是通过两个特殊功能寄存器来实现的 这两 个特殊功能寄存器是 USB0 地址寄存器 USB0ADR 和 USB0 数据寄存 USB0DAT USB0ADR 寄存器选择读 写 USB0DAT 寄存器时的目标 USB 寄 存器 对端点控制 状态寄存器的访问是通过先写 USB 寄存器 INDEX 用目 标端点号 实现的 目标端点号被写入 INDEX 寄存器后 就可以访问与目标 端点对应的控制 状态寄存器 2 4 32 4 3 USBUSB 时钟配置时钟配置 USB0 具有全速和低速 USB 通信功能 通信速度通过特殊功能寄存器 USB 0XCN 中的 SPEED 位选择 当 USB0 工作在低速方式时 USB0 时钟必须为 6MH z 当 USB0 工作在高速方式时 USB0 时钟必须为 48MHz USB0 时钟通过特 殊功能寄存器 CLKSEL 选择 时钟恢复电路用输入 USB 数据流调节内部振荡器 这使内部振荡器 和 4 倍时钟乘法器 能满足 USB 时钟的精度要求 2 4 42 4 4 MCUMCU 为外围电路设计为外围电路设计 MCU 外围电路整个电路由两部分组成 分别为信号次级放大电路和电源 电路 下面将对各部分电路依次进行说明 1 信号处理电路 U3B 为 RC4558 型放大器 CD4052 为 4 路模拟开关 C8051F320 的 P 25 P24 与 CD4052 的 A B 引脚相连 C8051F320 通过控制 P25 P24 引 脚电平的变换选通 CD4052 的不同通道 从而调节信号的次级放大倍数 以 满足实验的要求 CD4052 的 A B 引脚的电平变换与次级放大倍数的对应 关系如表 2 1 所示 由于脉搏信号为交流信号 这就要求对输入信号进行波形变换 CD4052 输出的模拟信号由 LT1114 R13 R14 R17 R18 组成的电路波形变换 然 后经过单片机 P10 引脚输入 进行时钟计数处理 这里我们设置 P10 P07 为模拟信号输入端 其中 P07 为参考输入端 表 2 1 引脚选择与放大倍数对应关系 第二章 系统硬件设计 15 引脚 B引脚 A选通通道放大倍数 00Y02 01Y13 10Y24 11Y25 次级放大电路原理图如图 2 8 所示 图 2 8 次级放大电路原理图 2 电源电路 由于该设备采用的是 USB 总线供电 且电路中的有源器件多是采取双电 源供电方式 所以在电路中我们使用了由 LM7805 和 LM7905 组合成的提供 5V 电源电压的电路 其电路连接图如图 3 11 所示 其中输出的 5V 电压通 过 USB 电缆中的 VBUS 电压信号源与单片机相连接 C8051F320 中集成了稳 压器 可以将 VBUS 引脚检测到的 5V 电源稳压至单片机正常工作的的 3 3V 电源电压 该电源电路为整个电路系统供电 2 52 5 本章小结本章小结 本章主要介绍了基于 USB 接口的脉搏检测仪电路设计及硬件电路图 并 简单介绍了用到的各元器件的引脚图和引脚功能 包括传感器电路设计 电 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 压信号放大 MCU 外围电路设计 电源电路等 第三章 系统软件设计 17 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 3 13 1 MCUMCU 固件程序设计固件程序设计 本仪器架构的 MCU 配合硬件电路完成控制传送 程控放大等任务 大大 减小了硬件设计的复杂度和成本 MCU 对缓冲区管理器发送来的 8 字节控制指令进行解析 并将解析结果 通知逻辑控制器 设备的信息 如设备描述符 接口描述符 端点描述符等 都存于 MCU 的 ROM 中 在解析结果为主机要求获得设备信息时 MCU 将相关 的数据都发至数据缓存器 再由数据通道上传给主机 整体固件流程图如图 3 1 所示 开始 系统初始化 模拟通道 参数设定 进量程转换子程序 信号采集子程序 处理数据 显示结果 Y N 图 3 1 整体固件流程 MCU 除了要处理 USB 的控制指令 还要完成脉搏的程控放大功能 当主 机发出扩大或缩小量程的指令给设备时 MCU 首先对接收到的指令进行解析 得知是转换量程的指令后 程序跳转到量程转换子程序 控制模拟开关各 通道的转换 量程转换中断子程序流程图如图 3 2 所示 对于脉搏波形的计数 采用单片机为核心的计时法 计时法是对时钟 计数 测出相邻两个脉搏脉冲信号间的时间间隔 时钟脉冲利用 C8051F320 内部的时钟 每来一个周期的脉搏脉冲 便启 动计数中断 从而测量并计算脉搏跳动的频率与次数 这种方法的频率测量 误差来自于 1 个时钟脉冲 误差小 适合于低频场合 脉搏频率的测量非 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 常适合采用这种方法 频率测量如图 3 2 所示 信号采集子程序流程图如图 3 3 所示 中断入口 处理指令 跳转量程转换子程 序 发出指令控制P1 1 P1 2端口电平 是否转换完毕 关闭中断 返回 Y N 图 3 2 量程转换中断程序流程图 3 23 2 数据采集程序设计数据采集程序设计 3 2 13 2 1 VisualVisual BasicBasic 6 06 0 简介简介 Visual Basic 是在世界范围内广泛使用的一种强大的编程语言 它为 W INDOWS 应用程序开发提供了最迅速和便捷的方法 不论是 WINDOWS 应用程 序的专业开发人员还是初学者 Visual Basic 都为他们提供了一整套工具 用来方便的开发应用程序 VB 之所以受到广大编程人员及用户的喜爱 除 了 VB 简单易学 不用对 WINDOWS 复杂的运行机制有所了解 同时 VB 功能 强大 完全胜任专业 WINDOWS 程序的开发 其良好的扩展性主要表现在 1 VB 除了可以直接使用自定义控件和第三方提供的控件 还可以在其他语 言环境 如 Borland C Visual 中根据需要制作自己的控件 2 VB 可以调用动态链接库 DLL 内的函数 这意味着 VB 可以直接调用为数众多 的 WINDOWSAPI 函数 这不仅大大的扩充了程序设计的能力 而且使 VB 实现 了原来只能由 VC 或 BC 才能实现的若干功能 目前 Visual Basic 软件开发 第三章 系统软件设计 19 团体是世界上最大的软件开发团体 它为全世界数千种工具和控件开发商所 支持 因此选择 Visu脉搏脉冲时钟 信号采集 子程序入口 初始化 设置2MHz时钟信号 开定时器0 计数器1 是否处于检测 关定时器0 计数 器1 返回 定时60s N Y 上升沿触发 计数器 1 图 3 3 信号采集子程序流程图 图 3 4 频率测量 来自信号处理电路的脉冲电平输入单片机 C8051F320 的 P3 0 引脚 单 片机设为正跳变中断触发模式 故每次脉冲上升沿到达时触发单片机产生中 T 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 断并进行计时 来一个脉冲脉搏次数就加一 定时器中断主要完成一分钟的 定时功能 单片机对一分钟内的脉冲次数进行累加 通过 USB 串口通讯把测 量结果送到上位机数据采集界面显示出来 al Basic 开发工具具有很大的 优势 22 Visual Basic 开发平台 具有编程简洁 程序集成度高的特点 可以 充分利用其界面设计工具 迅速完成各种功能的图形界面设计 得到美观清 楚的界面 它能充分利用系统的资源 有利于对大量数据 图像进行处理 可以充分利用其面向对象的设计方法 也可由操作系统和其它应用程序的消 息触发 应用程序的运算结果 参数调用等 甚至由应用程序本身的消息 触发 自身收 发信息以及执行自身程序产生的参数变化等 3 2 23 2 2 数据采集系统数据采集系统 数据采集程序用 VB 语言编写 完成数据传输 脉搏显示 数据管理等 功能 软件开始运行时点击采集按钮开始测量 在系统测量结束后可按退出 按钮关闭数据采集程序界面 用户可以选择模拟通道放大倍数 测量时系统 会实时反映出该测试用户的脉搏数据 记录按钮功能键可以记录最近 3 次的 测量数据 以供测试用户参考 数据采集系统界面如图 3 5 所示 图 3 5 数据采集系统界面 3 33 3 本章小结本章小结 本章对脉搏检测仪的软件设计进行了比较详细的介绍 软件的设计包括 MCU 固件程序 USB 设备驱动程序 数据管理程序及软件滤波程序 MCU 用 的是具有 CIP51 内核的 C8051F320 在这里采用 Cygnal 公司的 IDE 软件和 单片机仿真器进行软件和硬件仿真调试 USB 设备驱动程序采用 Cygnal 公 司的 C8051F 通用驱功程序做模板 在源程序的基础上做一些改动即成为该 第三章 系统软件设计 21 USB 设备的驱动程序 数据管理程序用 VB6 0 来编译调试 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 第四章 实验结果与分析 23 第四章第四章 实验结果及数