单片机脉象信号系统采集(最终).doc

辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 页 单片机脉象信号系统采集 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 本文设计了一套数据采集的基本电路 即 6 路脉象信号共 用一路放大 滤波和 A D 转换电路 采集 6 路信号时 采用了单个通道循环采集的方 法 通过模拟开关把传感器提取出来的信号取其中的一路逐个进行放大 滤波处理 把传感器提取的约为 5mV 的信号放大为约 5V 左右 并滤除其中的高频部分 设计了一 个 50Hz 陷波器 对信号中存在的 50Hz 工频干扰进行了专门滤除 CPU 模块主要由微 控制器 AT89C51 构成主控器件 完成对整个系统的控制作用 本论文还对电源部分进 行了专门的设计 可以采用电池和直接市电供电 关键词 脉象 循环采集 单片机 稳压器 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 I 页 SCM Pulse Signal Acquisition System Abstract Plus diagnosing is valued highly in herbalism The eat and flow of viscus of patients can be known by plus diagnosing which can also be used to detect the reason and position of disease and forecast the effect of cure In this paper design a set of basic data acquisition circuit 6 channel pulse signal that is shared along the way amplification filtering and A D conversion circuit 6 channel signal acquisition using a single access cycle collection methods through analog switches to sensor signal extracted from them one by one all the way to zoom filter processing the sensor is about 5mV extracted some of the signal amplification of about 5V and filter out the high frequency part of the design of a 50Hz notch filter on the signal in the 50Hz frequency the existence of a special interference filter CPU modules mainly by the microcontroller AT89C51 constitute control devices to complete control of the entire system In this paper also part of a special power supply is designed to direct the use of batteries and electricity supply Keywords Pulse recycling collection single chip microcomputer Regulators 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 II 页 目 录 1 绪论 1 1 1 中医脉象研究的意义与特点 1 1 2 国内外研究背景 2 1 3 主要工作 3 2 系统方案选择 4 2 1 提取脉象信号的方案 4 2 1 1 脉象信号的特点 4 2 1 2 脉象信号提取的具体方案 5 2 2 调理电路设计 10 2 2 1 放大电路的设计和选取 10 2 2 2 模拟滤波器的设计和实现 14 2 3 A D 转换电路的设计 15 3 系统软硬件结合 17 3 1 主放大前置电路 17 3 2 主放大电路与滤波电路的设计 18 3 2 1 主放大电路 AD624 G100 管脚 18 3 2 2 二阶 BUTTERWORTH 低通滤波器 18 3 2 3 50HZ 陷波电路 19 3 3 ADC 转换电路的设计 20 3 3 1 单片机串口通信设置及程序设计 25 3 4 AT89C51 单片机与 PC 机之间电平转换硬件接口 28 4 电源设计 30 4 1 直流稳压电源概述 30 4 2 电源的选择 31 4 2 1 电池供电系统中的稳压器选择 31 4 2 2 市电供电系统中的稳压器选择 32 结论 34 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 III 页 致谢 35 参考文献 36 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 0 页 1 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 可以目察 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 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 Noninvasive Measurements 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 不造成机体创伤 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 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 0 5V 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 PC 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 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 1 页 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 1 2 国内外研究背景 国内多种性能脉诊仪的研制最早开始于 70 年代 研制的脉象仪主要有 北京医疗 器械总厂生产的 BYS 14 型脉象仪 天津医疗器械研究所研制的 MTY A 型脉图仪 上海医疗器械研究所研制的 MX 3 型脉象仪 南昌无线电仪器厂生产的 MX811 型脉 图仪和 MS Z80 脉图数据处理机 山东海洋学院研制的实时多功能脉象仪 上海中医 药大学研制的 ZM I 型中医脉象仪 由于这些脉象仪在功能上还不尽完善 加上许多 单位缺乏研究的延续性 这些仪器大部分已基本淘汰 目前得到市场认可 应用较普 遍的主要为上海中医药大学费兆馥教授为主要研究者 与复旦大学等单位联合研制生 产的 ZM I 型单探头中医脉象仪 ZM 型智能脉象仪 上海中医药大学与上海交 通大学研制的 TP I 型脉象数字化分析仪也已进入临床检测应用 国外 英国人 Marcy 最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器 并记录了桡 动脉脉搏波 美国 J0 H0 H LAUB 博士曾研制用于针灸临床新型无创脉波记录仪 日 本田口贤辉曾研制 压力 脉搏测定装置 代田文彦设计了 局部加压型检脉装置 Sony 公司生产出脉波记录仪 藤田六郎研制出不接触诊脉部位就能测出最大脉波的 光电管容积脉诊仪 冈田腾用陶瓷型压力传感器 开发出适合于浮 中 沉各压力等 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 2 页 级的元件 并用此传感器描述了脉象对应的脉搏图形 韩国的 HEE S00 PARKYE 也曾 研制脉象仪 但国外的研究由于缺乏深厚的中医基础理论的指导 对脉搏的认识深度 受到一定限制 很多研究是用西医的原理来分析脉波 所以未能有很好的应用 脉象仪研制中十分重要的环节是脉象传感器的设计 传感器所采信息量将直接影 响脉象的信息分析 最终决定脉象仪的检测性能 目前研制的脉象仪所使用传感器有 压力 光电 传声器和超声多谱勒式传感器 脉象传感器探头形式除了常用的单探头 外 还有双探头复合式脉象传感器 三探头脉象传感器 五探头脉象换能器 多路脉 象换能器和附指式脉象换能器 目前上海中医药大学汤伟昌研制了压力式三探头传感 器 以模拟中医寸关尺取脉 并探讨三探头传感器与单探头传感器以及三探头之间信 息提取的差别 新近北京中医药大学牛欣 杨杰等 L 24 J 研制了压力与 B 超整合的中 医取脉装置 认为可以实时直观观察寸口桡动脉运动情况 1 3 主要工作 我们主要工作如下 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 50HZ 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 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 3 页 2 系统方案选择 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 信号提取总流程如下图 2 1 所示 脉象信号提 取及处理A D 转换接口PC 图 2 1 系统的信号流图 2 1 提取脉象信号的方案 2 1 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 0 100Hz 之间 体表电压为 0 5mV 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 下面介绍一下脉象传感器 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 PVDF 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 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 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 4 页 2 1 2 脉象信号提取的具体方案 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 基于通用微型计算机 比如 PC 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 RAM 中运行 易受外界干扰破坏 2 基于单片机的数据采集系统 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 5 页 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 ROM 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 DSP 数字信号微处理器的数据采集系统 DSP 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 DSP 芯片 一种是通用 DSP 芯片 基于 DSP 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 PC 机 与单片机通过标准总线 例如 RS232C 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 CPU 时间 我们采取基于单片机的数据采集系统 通过传感器将六路脉象信号采集 并通过 信号调理电路将生物信号放大和滤波 将处理过的信号模数转换 最后送至计算机储 存和处理 其数据采集系统的基本结构形式如图 2 2 所示 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困难 几乎是做不到的 因此我们采用单个通道 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 6 页 循环采集的办法 传感器模拟开关放大电路 计算机A D 转换滤波电路 图 2 2 数据采集系统的基本结构形式 我们采用的是医学上专用的 MH 1 型脉象传感器 提取出来的是电压信号 幅度 大约为几 mV 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 0 5cm g 2 自然频率 500Hz 3 电源电压 6 9V DC 4 外形尺寸 22 12mm 管脚如图 2 3 所示 图 2 3 MH 1 型传感器管脚图 传感器与调理电路有两种连接方式 如图 2 4 所示 调理电路这里采用 A1011 芯片集成电路 A1011 具有滤掉音频信号 具有降噪的 作用 配合医用精确传感器 MH 1 型 是非常好的 A011 芯片如图 2 5 所示 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 MC14512B 来对脉象信号进行选择 它是由 MOS P 沟道和 N 沟道增强型器件构成的 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 7 页 具体电路如图 2 6 所示 图 2 4 传感器与调理电路连接方式 图 2 5 A1011 集成芯片 六路脉象 信号 模拟开关 MC14512B 放大器 单片机控制信号 图 2 6 脉象信号选择循环示意图 MC14512B 的管脚图如图 2 7 所示 功能表如表 2 1 所示 我们通过单片机对模拟开关进行控制 其控制信号与六路开关通道选择的关系如 表 2 1 所示 可以对单片机编程 让控制信号在 000 101 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 100Hz 而 A D 转换电路的采样速率是 6 25KHz 根据奈奎斯特采样定理 对脉象信号进行循环 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 8 页 采集不会影响脉象信号的恢复 可以不失真的还原出六路脉象信号 单片机与六路模拟开关的通道选择对应关系如表 2 2 所示 图 2 7 MC14512B 管脚图 表 2 1 MC14512B 功能表 输入输出 BN INHA2A1A0Y LLLLLD0 LLLLHD1 LLLHLD2 LLLHHD3 LLHLLD4 LLHLHD5 LLHHLD6 LLHHHD7 HXXXXZ LHXXXL 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 9 页 表 2 2 模拟开关的通道选择 单片机控制信号被选择的通道 000第 1 通道 001第 2 通道 010第 3 通道 011第 4 通道 100第 5 通道 101第 6 通道 2 2 调理电路设计 2 2 1 放大电路的设计和选取 放大电路包括前置放大电路和主放大电路两部分 1 生物信号放大器设计要求 脉象信号的特点是微弱与低频 由脉象信号传感器提取出的信号是 mV 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 前置放大器放大倍数一般应在 80dB 120dB 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 60dB 以上的 CMRR 3 高输入阻抗 一般不小于 2 有的可达 100 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 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 V 数量级 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 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 10 页 6 高安全性 7 宽的线形工作范围等 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 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 120dB 则输入信号中共模信号的影响将减弱 100 万倍 1V 共模信号等效于 1 V 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 CMRR 值一般要求 60dB 80dB 高性能放大器的 CMRR 达 100dB 这说明对于 100mV 的共模干扰和 0 1 V 的差模信号具有相同的输出 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 K 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 10 信号源内阻与放大器输入阻抗相比为 1 100 上述各种因素造成的失真和 误差可忽略不记 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 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 CMOS 低功耗运算放大器 CF7641 CF7641 为单片 CMOS 低功耗四运算放大器 其 工作电源电压 0 5 8V 单独的锂电池供电即可运行 输入电流极小 不需要外部的 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 11 页 器件即可以把电流设置成 1mA 100 A 10 A 这时它的功耗可以低至 20 W 差模输入 电压为 V 0 3 V 0 3 V 共模输入电压 V 0 3 V 0 3 最重要的是 当输入电流非常小的时候 等效输入噪声电压 输入HZnV 100 电阻 1012 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 其主要特点 内补偿 无失调调零 偏置固定 10 A 开环电压增益 104dB 共模抑制比 96dB 输入失调电压 5mV max 引出端符号说明 IN 同相输入 IN 反相输入 OUT 输出 V 正电源 V 负电源 CF7641 的引脚图如图 2 8 所示 原理图如图 2 9 所示 图 2 8 CF7641 引脚图 图 2 9 CF7641 原理图 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 12 页 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 VDD 10V 非常好的交流性能 电压回升速率为 1 6V s 单位增益带宽为 1MHz IQ 1mA 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 广范的应用和高密度的封装 3 主放大电路 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 脉象信号的幅度约为 0 5mV 而 A D 转换输入信号要求 5V 左右 因此整个信号 电路的放大倍数需要 1000 倍左右 而前置放大器的增益为 10 所以还需要设计一个放 大器 它的增益为 100 左右 我们选用的为精密仪器放大器 AD624 AD624 是最初为了低信号传感器的使用而 设计的高精度 低噪声仪器放大器 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 AD624 在高要求的数据采集系统中成为理想的首选 AD624 在选择增益的时候不需要任何外接元件 具有内部补偿 AD624 有突出的 噪声性能 输入噪声的典型值小于 1kHz 它是一个功能完善的仪器放大HznV 4 器 当它的增益为 1 100 200 500 1000 时 由芯片上的管脚就可以选择完成 如 果需要其他增益可以通过一个单独的外部电阻来完成 在高精度应用中 AD624 可以 提供完全独立的输入和输出低偏置终端 它使得偏置电压对增益范围的影响达到最小 它有一个调整端使使用者把类似经过长导线传输所带来得错误进行调整 它还提供了 一个参考端 允许输出端有少许的漂移 该器件的主要特点 1 共模抑制比 130dB 最小值 2 输入失调电压 25 V 3 增益带宽 25MHz 4 引脚控制增益 1 100 200 500 1000 可以通过调节的值来设置电路的放大倍数 取 200 则 G R 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 13 页 AV 101 100 AD624 引脚图如图 2 10 所示 图 2 10 AD624 引脚图 2 2 2 模拟滤波器的设计和实现 1 低通滤波器的设计 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 已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 而将其余频段上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 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 RC 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 尤其正增益的 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 最常用的全极点滤波器有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器 就靠近 0 处的幅 频特性而言 巴特沃斯滤波器比切比雪夫滤波器平直 即在频率的低端巴特沃斯滤波 器幅频特性更接近理想情况 但在接近截止频率和在阻带内 巴特沃斯滤波器则较切 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 14 页 比雪夫滤波器差得多 本设计中要保证低频信号不被衰减 而对高频要求不高 因此选择了巴特沃斯滤 波器 同时考虑到本设计需要正反馈 所以选用了能产生正相增益的压控电压源滤波器 VCVS 巴特沃思滤波电路 又叫最平幅度滤波电路 是最简单也是最常用的滤波电路 这种滤波电路对幅频响应的要求是 在小于截止频率 c 的范围内 具有最平幅度响应 而在 c 后 幅频响应迅速下降 一阶压控电压源式 VCVS 滤波器在带阻区只能获得 20dB 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 因为我们要保证低频信号不被衰减 而对高频要求不高 所以选择 二阶滤波器即可 我们采用二阶 Butterworth 低通滤波器 截止频率 fH 100Hz 通常 C 的容量宜在微法数量级以下 R 的值一般约为几百千欧以内 2 50Hz 陷波电路 当使用交流电源工作时工频干扰是脉象信号调理电路的主要干扰源 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 且频率处于脉象信号的频带之内 加上电极和输入回路不稳定等因素 前级电 路输出的脉象信号仍存在较强的工频干扰 所以必须专门滤除 目前广泛采用的对称 性双 T 阻容有源陷波器 它一般由一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联起来构 成 其理论计算和设计都比较成熟 2 3 A D 转换电路的设计 经过传感器提取出来的脉象信号是模拟的电压信号 而计算机处理的是数字信号 因此必须外加采样保持电路等辅助电路 A D 转换器用于实现模拟量向数字量的转换 由于模数转换电路的种类很多 选择 A D 转换器件主要从速度 精度和价格方面考虑 的 按转换原理可分为 4 种 即 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 15 页 1 计数式 A D 转换器 2 双积分式 A D 转换器 3 逐次逼近式 A D 转换器 4 并行式 A D 转换器 目前最常用的是双积分式和逐次逼近式 双积分式 A D 转换器的优点是转换精度 高 抗干扰性能好 价格便宜 但转换速度较慢 因此这种转换器主要用于速度要求 不高的场合 逐次逼近式 A D 转换器是一种速度较快 精度较高的转换器 其转换时 间大约在几微秒到几百微秒之间 为了达到转换的高精度 就要采用逐次逼近式 A D 转换器 我们选择 ADC0809 进行模数转换 ADC0809 是采样频率为 8 位的 以逐次逼近原理进行模数转换的器 件 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 16 页 3 系统软硬件结合 根据系统总体要求 各部分调理电路设计如下 3 1 主放大前置电路 根据前置放大电路的要求 设计电路如图 3 1 所示 vi vo 7641 7641 7641 R1 R2 R3 R4 R5 R7 R8 R8 R9 R10 V V 1 4 1 4 1 4 图 3 1 主放大前置电路 由图可以算出放大倍数 利用虚短和虚断 可得 3 1 436 4 22 RRR RVV VI 3 2 436 9 22 RRR RVV VO 由上面 3 1 3 2 两式可得 3 3 4 9 R R V V AV I O 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 R4 R9 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 R1 R2 R8 R10 1M R3 R5 R6 R7 100K 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 10 倍左右效果较好 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 17 页 所以我们取 R4 50K R9 500K 3 4 10 50 500 4 9 K K R R AV 3 2 主放大电路与滤波电路的设计 3 2 1 主放大电路 AD624 G100 管脚 AD624 接法如图 3 2 所示 图 3 2 主放大电路原理图 3 2 2 二阶 Butterworth 低通滤波器 采用 MAX7382 A 的低通滤波器如图 3 3 所示 RR Vi C V0 R2 C R1 图 3 3 二阶 Butterworth 低通滤波器 MAX7382 A 这里我们选择 C 0 047 F 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 18 页 则 33 863K33863 100Hz 2 0 000001F 047 0 1 WhC 1 R 由式 3 5 22 2 0 2 2 WnS Q Wn s WnA WnS Q Wn S WnA SA VF 并考虑 3dB 截止角频率 则 nH WW 3 6 1 1 2 0 HH w S Qw S A SA 令 并根据巴特沃思多项式中 n 2 的情况 有 H wSS 2 0 21 SS A SA 2 1 Q 由和则得 VF A Q 3 1 22 2 0 2 2 WnS Q Wn s WnA WnS Q Wn S WnA SA VF 586 1 23 1 31 1 2 0 QR R AA VF 0 586 2 R 1 R 考虑到运放两输入端的外接电阻必须满足平衡条件 即 R R 67 726K 这样和 0 586联解 可得 2 R 1 R 2 R 1 R 183 299K 1 R 107 413K 2 R 3 2 3 50 Hz 陷波电路 如图 3 4 所示 就是一个采用这种形式的 50 Hz 陷波电路 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 19 页 R R2 2 R R1 1 V Vm m R RR R C C C C 2 2C C 1 1 2 2R R O OP PA AM MP P O OU UT T 图 3 4 50HZ 双 T 陷波电路 OP27 其陷波点频率为 3 7 RC fN 1 2 1 3 8 up 2 2 1 A Q 式中 3 9 1 2 up 1 R R A 3 3 ADC 转换电路的设计 AT89C51 及 ADC0809 电路接线 1 系统的工作电压 系统工作电压为 5V 接到单片机的第 40 脚 VCC 用于正常操作和对 EPROM 编程 及验证 第 20 脚 VSS接地 2 ADC0809 介绍 ADC0809 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 CMOS 组件 它是逐次逼近式 A D 转换器 可以和单片机直接接口 1 ADC0809 的内部逻辑结构 如图 3 5 所示 ADC0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存与译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 20 页 拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换完的数字 量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 图 3 5 ADC0809 内部逻辑结构 2 ADC0809 各脚功能如下 D7 D0 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 位模拟量输入引脚 VCC 5V 工作电压 GND 地 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 START A D 转换启动信号输入端 ALE 地址锁存允许信号输入端 以上两种信号用于启动 A D 转换 EOC 转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结束时为高电平 OE 输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK 时钟信号输入端 一般为 500KHz A B C 地址输入线 MCS 51 系统与 ADC0809 芯片的接口设计如图 3 6 所示 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 21 页 图 3 6 AT89C51 与 ADC0809 芯片的接口设计 对单片机编程可以用汇编言 程序的流程图如图 3 7 所示 一开始 AT89C51 单片 机给 MC14512B 的信号为 x 000 即第一通道被选择 转换第一路脉象信号 我们设 定的模拟开关的转换频率为 200Hz 即 6 个通道的脉象信号采样周期为 5ms 待转换 完毕输出给计算机后 判断 x 的大小 如果 x 不等于 101 那么 x 就自动加 1 然后继 续进行 A D 转换 此时单片机给 MC14512B 的信号是 x 即第 x 通道被选择 这样继 续下去 直到 x 等于 101 此时对 x 重新赋值 令 x 等于 000 重复上面的过程 A D 转换流程图如图 3 6 所示 ADC0809 片内无时钟 可利用 AT89C51 提供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发 器分频后获得 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 22 页 否 是 图 3 7 A D 转换流程图 程序如下 ADST MOV R1 30H 设置数据存储区的首地址 MOV DPTR 7FF8H 设置第一个模拟信号通道 IN0 的地址指针 X 000 第 X 通道脉象信号进入 A D 转换 数据输出给计算机 5 6ms 后模拟开关转换 到下一个通道 X X 1 判断 X 的 大小 X 101 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 23 页 MOV R2 08H 设置待转换的通道个数 LOOP MOVX DPTR A 启动 A D 转换器 SETB P3 2 延时至 A D 转换完毕 JB P3 2 MOVX A DPTR CPU 读取转换结果 MOV R1 A 结果送入 0A0H 单元中 INC DPTR 指向下一个模拟信号通道 INC R1 修改数据存储区的地址 DJNZ R2 LOOP 若还未转换完 8 路通道的信号 则转变至 LOOP 处 继 续转换 ALE 脚的频率是单片机频率的 1 6 单片机时钟频率 12MHz ALE 脚输出频率为 2MHz 再经两次二分频后 正好是 500KHz 符合 ADC0809 对时钟频率的要求 由 于 ADC0809 具有三态锁存器 其 8 位数据输出引脚可直接与数据总线相连 地址译码 引脚 A B C 分别与地址总线的低三位 A0 A1 A2 相连 以选通 IN0 IN7 中的一 个通路 将 P2 7 地址总线 A15 作为片选信号 在启动 A D 转换时 由单片机的写 信号和 P2 7 控制的 ADC0809 的地址锁存和转换启动 由于 ALE 和 START 连在一起 因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时 启动并进行转换 在读取转换结果时 用低电 平的读信号和 P2 7 脚经一级或非门后 产生的正脉冲作为 OE 信号 用以打开三态输 出锁存器 P2 7 应设为低电平 A0 A1 A2 作为被选择的模拟通道地址 分别由 P0 0 P0 1 P0 2 控制 下面程序为分别对 8 个通道依次转换 转换结果存入片外地址为 7F00 的 RAM 中 简略程序如下 MAIN MOV Rl 7FF8H 置数据首地址 MOV DPTR 0000H P2 7 0 且指向通道 0 MOV R7 06H 置通道数 LOOP MOVX DPTR A 启动 A D 转换 MOV R6 0AH 软件延时 等待转换结束 DLAY NOP 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 24 页 NOP NOP DJNA R6 DLAY MOVX A DPTR 读取转换结果 MOVX R1 A 转储 INC DPTR 指向下一个通道 INC Rl 修改数据区指针 DJNZR7 LOOP 6 个通道全采样完了吗 3 3 1 单片机串口通信设置及程序设计 在系统中 单片机一般称为下位机 通常用来完成数据的采集和上传 由 PC 机 网络设备 数据库服务器组成的后台应用部分则称为上位机 对下位机的上传数据进 行分析并处理 系统充分发挥了单片机在实时数据采集和微机对数据处理显示以及 MCS 一 51 串行口工作方式选择 中断标志 可编程位的设置 波特率的倍增均是通 过两个特殊功能寄存器 SCON 和 PCON 来控制的 下面首先来介绍一下这两个寄存器 1 电源和波特率控制寄存器 PCON PCON 的地址是 87H 只能进行字节寻址 不能按位寻址 PCON 是为在 CHMOS 结构的 51 系列单片机上实现电源控制而附加的 对删 OS 的 5l 系列单片机 只用了最 高位 其余位都是虚设的 PCON 的最高位 D7 位作 SMOD 是串行口波特率的增倍控 制位 当 SMOD I 时 波特率加倍 例如在工作方式 2 下 若 SMOD O 时 则波特 率为 fosc 64 当 SMOD 1 时 波特率为 fosc 32 恰好增大一倍 系统复位时 SMOD 位为 0 2 串行口控制寄存器 SCON SCON 主要功能是串行通信方式选择 接收和发送控制及串行口的状态标志指示 等作用 其各位如表 3 1 所示 表 3 1 SCON 中各位表示 9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 25 页 SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI 1 SCON 7 和 SCON 6 为 SM0 SM1 位 串行工作方式选择位 如表 3 2 所示 表 3 2 串行工作方式选择位 SM0SM1 工作方式功能波特率 00 方式 08 位同步移位寄 存器 fosc 12 01 方式 110 位 UART可变 10 方式 211 位 UARTfosc 64 fosc 64 11 方式 311 位 UARA可变 2 SCON 4 为 REN 位 可用软件允许 禁止串行接收 REN I 时 允许串行口 接收数据 REN O 时 禁止串行口接收数据 3 SCON 5 和 SCON 3 SCON 2 为 SM2 和 TB8 RB8 位是实现多机通信的控制 位 在方式 0 下 SM2 应设置为 0 不用 TB8 和 RB8 位 在方式 I 下 当 SM2 0 时 RB8 是接收到的停止位 若 SM2 I 时 则只有收到有效的停止位才会激活 RI 使之置 1 否则 RI 不置位 在方式 2 和方式 3 下 TB8 是发送的第 9 位数据 D8 可用软件 置 l 和置 0 RB8 是接收到的第 9 位数据 D8 这两位也可以作为奇偶校检位 当方式 2 或方式 3 处于接 收时 若 SM2 I 且接收到的第 9 位数据为 0 时 则 RI 不置 l 若 SM2 1 且 RB8 也为 l 时 RI 置 l 当方式 2 或方式 3 处于多机通信时 TB8 和 RB8 位可作为地址数据帧标志位 一般约定地址帧为 1 数据帧为 0 4 SCON 1 为 TI 位一作发送中断标志 在方式 0 中 发送完 8 位数据后 由硬件置位 在其他方式中 在发送停止位之 初 由硬件置位 TI 置位后可向 CPU 申请中断 任何方式中都必须由软件来清除 TI 5 SCON 0 为 RI 位 作接收中断标志 在方式 0 中 接收完 8 位数据后 由硬件置位 在其他方式中 在接收停止位的 辽宁科技大学毕业生设计 论文 第 26 页 一半时由硬件将 RI 置位 还应考虑 SM2 的设定 RI 被置位后可允许 CPU 申请中断 任何方式都必须由软件来清除 3 各工作方式波特率的设置 在串行通信中 收发双方对发送或接收的数据速率 即波特率 要有一定的约定 串 行口的工作方式可以通过编