脉搏信号采集系统的设计
说明：文章内容仅供预览，部分内容可能不全。下载后的文档，内容与下面显示的完全一致。下载之前请确认下面内容是否您想要的，是否完整无缺。
烟台大学毕业论文（设计） 第一章 绪论 脉诊传统中医中最具有特色的诊断方法之一，是中医理论体系中必不可少的组成部分。脉象（脉搏信号）能反馈出人体各部分的生理与病理信息，是反映人体内部各种功能变化窗口，可以为疾病的诊断提供重要的参考依据。 脉诊在临床医学的运用十分广泛，涉及到医学很多领域，医生根据脉象的变化，可以测知人体的健康状况，推断病源的出处，以便为开处方提供依据。但是中医的把脉全凭借的是多年的经验的积累，存在主观上因数素，有时候很容易出现失误。如果客观的对人体的脉搏信号进行采集处理，最后送到上位机进行分析，研究就可以尽可能减少人为判断上的主观失误，从而为医学上病理的诊断提供更安全可靠地依据。 1.1 课题提出的意义 脉搏是人体生理参数中重要非常重要的参数之一，它包含了人体丰富的病理和生理信息，具有十分重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号是一种含有很强噪声的低频微弱信号，含有随机性强、频率低等特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤波、放大，才可获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数据源口。当代以来，随着电子技术和计算机技术的发展。人们能够将人体脉搏信号提取出来，直观地显示在各种显示器上。特别是人体脉搏测量仪的出现．大大地推动了医学的发展，为人类的健康做出了巨大贡献。人们通过观察和分析人体脉搏波形，能够更快更精确地诊断各种病症。当前。虽然人们已经制造出了各种各样的脉搏测量仪，但人们对脉搏测量仪的进一步研究依然在火热进行中，我认为设计一个，简单、实用、准确的脉搏信号采集系统十分必要，也具有很强的实用意义。本论文设计的人体脉搏信号提取系统是参考国内外先进的信号采集系统的基础上，进行进一步开发，优化得到的脉搏信号提取系统，具有很强的实用性。 1.2 课题所要达到的指标 本课题所要达到的指标为： (1)对脉搏传感器输出的信号通过信号调理电路对脉搏信号进行滤波、放大，提升的处理以便得到干净的信号。 (2)把经过信号调理电路处理的信号进行模数转换，为上传到上位机做准备。 (3)实现采集装置与上位机之间的数据传送。 1 烟台大学毕业论文（设计） 第二章 采集系统的总体设计方案 从工作方式的角度分析，人体脉搏信号采集系统可以分为两大类：一是将人体的脉搏信号的采集与运算等一系列功能在一个脱机系统中完成，这类系统常常采用DSP(数字信号处理器)这种具有高速运算能力的器件来构成。一般运用于便携式医疗检测设备中。另一类是运用基于单片机、放大器、A/D转换器、等器件设计的硬件采集设备对人体脉搏信号进行采集，然后将其传送到上位机，通过上位机强大的运算能力和分析能力，来实现对人体脉搏信号的分析。主要应用于临床医学领域对疾病进行详尽的分析。 本设计是第二类，采用一种采用美信公司最近推出的新型模数转换器MAX1240芯片进行电压数据采集，并由单片机串口将数据发送出去的简单电路，MAX1240由单片机发出的时钟信号与使能信号驱动，将输入的模拟电压值转换为12位的数字值输入到单片机，单片机再将此数据处理为2个字节，低位字节为低8位数据，高字节的低4位为数字电压值的高4位，进行数据处理后再通过串口发送出去。单片机的稳定性与低耗能性，是基于单片机构建成的信号采集系统具有成本低、电路简单，稳定的优点，同时又能很好满足信号采集系统的要求。 2.1 系统设计原则 基于脉搏信号采集系统由硬件检测和上位机软件分析两部分组成，在设计和研发过程中我们要遵循原则如下。 (1)安全原则 脉搏信号检测系统是一款直接与直接人体接触的医疗设备，因此保证人身安全应作为设计的最重要原则。 (2)准确原则 设计系统后期分析诊断的准确性取决于所提取脉搏信号的准确性。错误的信息将导致错误的医学分析结果，将对人体的健康产生巨大的严重的后果，有事甚至会付出生命的代价。脉搏信号的缺点使它易受到外界信号(如50Hz的工频干扰，人体温度的干扰)的干扰，因此在计中时需要要采取一切必要的措施保证信号的真实性，防失真不失真。 (3)可靠原则 医用系统一定要保证系统工作的稳定性与可靠性。这是设计必须保证的。 (4)易用原则 考虑本设计的脉搏信号采集系统系统的设计主要面向家庭而非医院用户，用于动2 烟台大学毕业论文（设计） 脉硬化的和妊高征检测早期检测，大多数用户对电子产品和计算机的使用能力有限，因此简单、易学、易操作是对采集系统的基本要求。 (5)便于更新升级 本设计的系统的主要功能是对所脉搏信号进行采集、处理、而后传送到上位机中，进行脉搏波分析系统，以便进行中医脉象、心血管功能检测、妊高征检测等检测，需要对系统不断进行更新以增加识别的精确性，所以设计需要考虑对系统功能的更新要求。 2.2 总体结构框架 本系统主要由 传感器 脉搏信号调理模块、A/D采样电路、单片机、电源系统、通信接口电路组成，如图2-1所示。其中，脉搏信号调理模块包括前置放大电路、调零电路、50 Hz陷波电路、带通滤波电路及二级放大电路和电压提升电路；调理后的信号由12位A/D转换器MAX1240采样到STC89C52RC单片机；电源系统为各功能模块提供所需的直流电压；脉搏信号的智能分析软件是在上位机中运行的。 图 2-1 总体结构框图 2.3 脉搏信号的提取 古今脉诊，获取脉动信息给临床分析的部位、信息量，均会影响到临床分析的结果。理论上讲，获得的信息量越大、越有效，分析的结果越准确。从解剖生理学角度来说，寸口离心脏距离相对较远，而人迎脉距离心脏的距离相对较近。人迎脉反映的血压、血流等心血管信息量比寸口反应的多，能反映人体的整体的病理生理状况。根据《难经》记载，古代也是以“独取寸口”来提取脉搏信号，现代脉诊研究，也从寸口部获取脉搏压力信息、波形信息。“独取寸口”在方便提取脉博信号的同时，能否全面反映出人体的整体的病理生理状况，是否丢失海量信息？这是诊断方法学上的误区。“独取寸口”采集的信息是否可以替代“三部九候”所采集获得的信息，满足中医辨证所需?从信息量叠加的原理，显然可见寸口、人迎、趺阳或遍诊取脉参与分析，对有效诊断的贡献应该大的多。基于此假设，我们在实现一部取脉的脉动信息采集与3 烟台大学毕业论文（设计） 识别技术的字化、可视化的基础上，初步对“独取寸口法”与“遍诊法”所获得的信息进行信息学的比较，旨在从信息学的角度对“心中易了，指下难明”的切诊技术及“独取寸口”的科学含义给以定量的阐述。 寸口指的是桡动脉寸、关、尺三部位，如图2-2所示。之所以从桡动脉处采集脉搏信息，首先是因为其动脉行径比较固定，解剖位置比较浅，毗邻组织比较分明，是信号采集的有利位置；其次寸口是全身经脉之气汇集处，能反映五脏六腑的气血盛衰和功能情况，携带大量的人体生理病理信息。 图 2-2 寸口取脉图 本设计采用的脉搏传感器是华科电子研究电子生产的HK2000B型压电脉搏传感器。HK-2000B型脉搏传感器采用高度集成化工艺，将灵敏度温度补偿元件、力敏元件（PVDF压电膜）、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部，其输出信号为模拟信号。主要特点： 1) 灵敏度高。 2) 抗干扰性能强。 3) 过载能力大。 4) 一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 HK2000B型压电脉搏传感器的外形如图2-3所示，固定方法如图2-4所示，HK-2000B技术指标： 1) 电源电压：5～6VDC 2) 压力量程：-50～+300mmHg 3) 灵敏度：2000uV/mmHg 4) 灵敏度温度系数：1×10-4/℃ 5) 精度：0.5% 4 烟台大学毕业论文（设计） 5) 重复性： 0.5% 6) 迟滞： 0.5% 7)过载：100倍 图 2-3 HK2000B脉搏传感器 图 2-4 HK2000B脉搏传感器固定方法 5 烟台大学毕业论文（设计） 第三章 信号调理电路的设计 脉搏是人体生理参数中重要的参数之一，它含有许多反应人体生理和病理的信息，具有重要的生理和临床诊断参考价值。但脉搏信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，具有随机性强、频率低的特点，极易受到检测系统内部噪声和外界刺激(环境、温度)的于扰，必须对检测到的脉搏信号做一系列的处理，如滤波、放大，才可获取高精确度，不失真的脉搏信息，从而为医学分析研究提供准确、有效的脉搏数据源口。因此，研究脉搏信号调理电路对整个脉搏信号检测系统具有十分重要的意义。 3.1 设计要求 脉搏信号取自人体表面动脉，信号源输入阻抗较大，且幅值小、频率低，极易受到噪声的干扰。因此，对脉搏信号调理电路提出如下要求：(1)高输入阻抗：由于信号源阻抗较高，脉搏信号很微弱，若输入阻抗不高，经分压后信号会更小，会使脉搏信号有严重损失甚至畸变；(2) 增益：由于HK2000B型压电脉搏传感器的输出范围约为-0.2～0.6V，为了提高AD采样后信号的分辨率，应对信号进行适当放大。根据所选择的A/D转换器的输入参考电压范围为0～3.3V，所以脉搏信号放大器的放大倍数应在20倍内可调；(3)高共模抑制比：是用来消除市电50 Hz的工频干扰；(4)低噪声：在信号调理电路中噪声主要为电子线路的固有热噪声和和散粒噪声，必须保证他们不湮没微弱的脉搏信号；(5)低漂移：防止放大电路出现饱和失真现象；(6)适合的带宽：以有效地消除噪声干扰，防止采样重叠；(7)高安全性：确保其对人体的的伤害为零，主要考虑电气安全，辐射的要求。 3.2 调理电路设计方案 基于脉搏信号的上述要求，本设计的信号调理模块有前置放大电路、调零电路、50Hz工频陷波电路通滤波电路、主放大电路和电压提升电路组成，其原理框图如图3-1所示。 图 3-1 信号调理电路的原理框图 6 烟台大学毕业论文（设计） 3.3前置放大电路 前置放大电路主要功能是对检测到的脉搏信号进行线性放大和消除干扰信号，其性能的好坏程度直接决定了后续信号处理系统对数据分析处理的正确性。针对脉搏信号的幅值小，频率低的特点，应当采用适当增益、输入阻抗高、高共模抑制比、低噪声、线性工作范围宽和低漂移的并联差动三运放仪表放大器。 针对脉搏信号处理的要求，通过综合比较分析，本电路选择体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD620作为一级放大电路的主体芯片。可用电池驱动便应用于可携式器材中 AD620参数特点：精确度高、使用简单、低噪声；高输入阻抗：10GΩ，2pF；高共模抑制比高(CMR)：100dB；低输入抵补电压 (Input offset Voltage)：50uV；低输入偏移电流(Input bias current)：1.0mA；低消耗功率：1.3mA。性能参数见表3-1。 表 3-1 AD620的性能参数 项目 增益范围 电源供应范围 低耗电量 规格特性 1～1000 ± 2.3V ～±18V Max supply current=1.3mA 备注 只需一个电阻即可设定 - 可用电池驱动，方便应用于可携式器材中 精确到 低补偿电压：VOFFSET(max)=50uV 漂移电压：0.6uV/℃(max) 低噪声 应用场合 在1KHz的条件下为9nV/Hz ECG量测与医疗器材、压力量测、V/I 转换、数据撷取系统等。 - - - 方 前置放大电路的具体电路如图3-2所示。 AD620使用方便，增益可通过改变引脚l和引脚8之间的电阻来调节，计算公式如下： G=49.4KΩRg+1 (3-1) 式中，G为增益 计算可得： 7 烟台大学毕业论文（设计） Rg=(49.4KΩG−1 3-2) 脉搏信号和噪声同时经过这一级电路放大，在放大脉搏信号的同时噪声也被放大。噪声幅度过大，则对于后级电路处理非常不利，使得后级信号处理电路难以有效消除噪声干扰。所以，前置放大电路放大倍数不宜太大，本级增益设置为2，根据电阻的标称值,此时在引脚1和引脚8之间接一个精度为0．0l％、阻值为49.9kΩ的金属膜电阻R1。 图 3-2 前置放大电路 3.4 调零电路设计 调零电路能够进一步抵消由于肌肉抖动、紧张、呼吸颤抖等的那份外界因素引起的漂移的功能，从而在输人为零的时候，能够保证整个电路的输出也为零。本设计所用到的所有运算放大器均采用TL084，其主要特性如下： （1） 输入阻抗极高，大于1012Ω； （2）失调电流极低，小于5Pa； （3）低温漂，小于1uV/℃； （4）共模抑制比大于80dB； （5）开环效益较高，大于11dB； 本电路采用的是广泛使用的同相端输入外部调整调零电路，如图3-3所示。 本电路设置只R3和R5，的阻值分别为100 KΩ和500 Ω，构成200：1的分压电路，R5两端将得到失调电压调整范围由下式决定： 式中，Vss为±3.3V,U为失调电压调整范围。 R5两端将得到±16．5 mV的失调电压调整范围，能够满足调零电路的要求.在进8 烟台大学毕业论文（设计） 行调零电路的设计时，为了使R5两端产生的电压不影响其他回路，R5的只应该尽可能小些。 图 3-3 调零电路图 3.5 工频陷波电路设计 为最大限度的消除工频干扰，需要加人针对50Hz的工频陷波器。为了达到较好的滤波效果同时考虑电路结构简单化，我决定选用具有正反馈的双T电路。双T网路电路被广泛应用在零值电路网络中，但是存在着Q值为固定的1/4的缺点，因此需 图 3-4 带阻滤波器 要引入正反馈来克服。其电路结构如图3-4所示。 9 烟台大学毕业论文（设计） 对于上图3-6的电路，其Q值为： Q=14(1−K) (3-3) 式中，Q为品质因数，K为电路反馈系数。 选择K为小于1且非常接近1的正数，则电路的Q值能够明显增加，则K值决定式： K=1−14Q 在正反馈双T网络中，可以先选C=0.1uF，则根据式: 12πRC(3-4) ƒ=( 3-5) 可以计算出R=31.8K，但将参数输入到电路仿真时发现衰减3dB时的带宽BW为43-57Hz，但衰减深度仅为7.34dB，所以需要调整，经反复调整与参考别的设计最终选定R=47K，C=68nF。所以： R8=R⁄2(3-C3=6 ) 2C (3-7) 通过计算选取：R6=R7=47 KΩ，R8=23.5 KΩ，C1=C2=68nF，C3=136nF。 带阻滤波器的仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为10-100Hz，带阻频带的仿真见图3-5。 10 烟台大学毕业论文（设计） 图 3-5 带阻频带仿真 有图可以看到，放大倍数为0.9994636，即电路的增益为1，当衰减为-3dB时频率值为，41Hz和61Hz,所以带阻宽为BW=20dB。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为5V，频率为1Hz，其仿真结果见图3-6。 图 3-6 带阻滤波器瞬态仿真 3.6 滤波电路的设计 常规脉搏信号的主要频带范围是0.05～ 40Hz。为防止在干扰状态环境中采集的脉冲信号中混入各种噪声，本采集系统中采用通带频率为0.05～44Hz的带通滤波电路进行滤波，将脉冲信号的有效成分从采集到的信号中提取出来。本设计的带通滤波器由0.05Hz的高通滤波串联44Hz的低通滤波器的来实现。 脉搏信号具有近似脉冲波形的特征，为保证其不失放大，必须充分考虑滤波器的相位特性。有三种典型滤波器：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔波器 3.6.1 二阶有源低通滤波器的设计 为降低元件灵敏度，获得较好的高频衰减特性和失真特性，本文采用二阶无限增益多路反馈巴特沃斯有源低通滤波器。其电路结构如图3-7所示。 根据设计要求可知ƒ=44Hz，若： R9=R10=R11=11 烟台大学毕业论文（设计） R C=√C3C4 (3-9) ω0=1RC(3-8) (3-10) 可以计算的出传递函数的表达式为： 1R9R101112s2C4C5+sC5(++)R9R10R11R9R10G==− ωs2+0S+ω20Qω20 (3-11) 式中，Q=√ (3-12) 3C51C4所以可知： C4=3QC(3-C5=C3Q 13) (3-14) 有 12πRCƒ=( 3-15) 取R的值为36K，采用巴特沃斯滤波，Q=0.707，代入以上公式可得C4=220nF，12 烟台大学毕业论文（设计） C5=47nF。 图 3-7 低通滤波器 低通滤波器的仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为10～100Hz，带阻频带的仿真见图3-8。 由图可知当衰减为-3dB时频率为44Hz，与设计的目标相吻合。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为2mV，频率为1Hz，其仿真结果见图3-9。可见除了在波形跳变时稍有尖脉冲，其他指标都与设计相吻合。 图 3-8 低通滤波器频带仿真 图 3-9 低通滤波器瞬态分析 13 烟台大学毕业论文（设计） 3.6.2 二阶有缘高通滤波器的设计 根据设计要求，需要加入截止频率为0.05Hz的高通滤波器，使采集到的信号中有用的脉搏信号通过，滤除低于脉搏信号频率的干扰信号。 在高通滤波器的选型上，为了达到较好的滤波效果，应该选用二阶滤波器，经仿真分析发现增益为1的Sallen-Key滤波器电路的效果比多重反馈型的滤波电路要理想。因此，高通滤波器采用二级Sallen-Key滤波电路，本电路采用反相输入端直接接输出端反馈的电路连接方式，这样可以实现增益为1的高通滤波效果，其电路结构如图3-10所示。 图 3-10 高通滤波器 根据高通滤波器的电路的参数进行如下计算： C6=C7=C(则： -16) 3R=√R13R14 （3-17） 所以传递函数的表达式为： G=ω20Rs2+2ω0√14+ω20R13VoutVint=(3-18) 式中， ω0= 1RC （3-20） 14 烟台大学毕业论文（设计） Q=√13 （3-21） 2R141R所以可知： R13=2QR （3-22） R14=又 R2Q （3-23） ƒ=12πRC （3-24） 取C=27uF，有由巴特沃斯滤波方式，所以取Q=0.707，将它们代入以上公式并结合电阻和电容标称值得：R13=47K，R14=22.5K 高通滤波电路仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为0.001～100Hz，带阻频带的仿真见图3-11。 图 3-11 高通滤波器频带仿真 由图可知当衰减为-3dB时频率为0.049Hz，与设计的目标相吻合。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的15 烟台大学毕业论文（设计） 失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为2mV，频率为1Hz，其仿真结果见图3-12。 图 3-12 高通滤波器瞬态分析 3.7 滤波、陷波电路的综合仿真 1.通频带仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为0.001～100Hz，带阻频带的仿真见图3-13。 图 3-13 滤波电路频域仿真 由仿真结果可知下限频率为0.05Hz，上限频率为44Hz，增益为1，基本满足设计要求。 2.瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为2mV，频率为1Hz，其仿真结果见图3-14。 16 烟台大学毕业论文（设计） 图 3-14 滤波电路的瞬态仿真 3.8 主放大电路的设计 脉搏信号属于小信号，即使经过性能优良的传感器得到的信号经前级电路处理后的脉搏信号幅度小，不能满足A/D转换的需求，需要对其进一步放大，才能与A/D转换单元的输入范围匹配，从而减小量化误差。 前置放大电路放大量2倍后，是为了后续的信号处理与滤波，而根据MAX1240 的A/D转换器的输入参考电压范围为3.3V，HK2000B型压电脉搏传感器所采集集到的信号幅值0.6V，所以增益应该在20内可调。则主放大电路的增益设置为20/2=10倍。主放大电路电路图如图3-15所示。 图 3-15 主放大电路 在图3-9中，第一个运算放大器组成了电压跟随器，其显著的特点是：输入阻抗高，输出阻抗低，一般来说，输入阻抗达到几兆欧姆，输出阻抗通常可以达到几欧姆，有时甚至更低，主要用于增加输入阻抗和降低输出阻抗的电路中。第二个运算放大器主要用来实现同向放大的功能。其放大的倍数由RP2和R15共同决定。其增益在10倍以内可调。 A=1+RP2R15 （3-25） 主放大电路的仿真 1.频域仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为10～1MHz，带阻频带的仿真见图3-16。由图可知，其截止频率为100KHz。 2.放大倍数仿真 17 烟台大学毕业论文（设计） 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为10mV，频率为10Hz，其仿真结果见图3-17，其放大倍数为10倍。 图 3-16 主放大电路频域仿真 图 3-17 主放大电路瞬态仿真 3.9 电压提升电路设计 经过前面的电路，已经得到一个比较纯净的脉搏信号，但是脉搏信号有存在小于零的部分，而A/D转换器MAX1240定义的最低转换极限为0V，为了保证A/D转换时不出现负峰失真，必须将滤波后的心电信号通过一个电压提升电路，使得心电信号的电平值都为正值。电压提升电路其实就是加法器电路。 3.9.1 TL431简介 TL431是一个热稳定性能良好的的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两18 烟台大学毕业论文（设计） 个电阻就可以设置输出到从VREF (2.5V) 到36V范围内的任何电压值。该元件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，常常应用于数字特点： 1)可编程输出电压为36V 2)电压参考误差：±0.4％ ，典型值为25℃（TL431B） 3)低动态输出阻抗，典型0.22Ω 4)负载电流能力1.0mA to 100mA 5)等效全范围温度系数50 ppm/℃典型 6)温度补偿操作全额定工作温度范围 7)低输出噪声电压 3.9.2 加法器电路 加法器电路结构如图3-18所示。为保证TL431正常工作，应选择合适的电阻值以保证阴极电流在1～100mA。TL431和电位器RP3提供0～2.5V可调电压，从而保证输出电压全都为正值。其输出为: 电压表，运放电路、可调压电源、电压提升电路，开关电源中。 U0UT=2（U1+U2） （3-26） 图3-18 加法器 加法器电路仿真 1.频域仿真 在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为10-100Hz，带阻频带的仿真见图3-19。其上限截止频率为225KHz。 2.瞬态仿真 19 烟台大学毕业论文（设计） 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。为了更好观察波形顶端与底端的情况，选用方波信号作为激励，其幅值为5V，频率为10Hz，其仿真结果见图3-20。 图 3-19 加法器频域仿真 图 3-20 加法器瞬态仿真 3.10 综合电路的仿真 3.10.1 通频带仿真 完整信号调理电路见附录一，在带阻滤波器的输入端输入幅值为±1V，频率为10Hz的正弦交流信号，Proteus的仿真参数设置为10-100Hz，带阻频带的仿真见图3-21。 3.10.2 瞬态仿真 虽然电路的频域可达到设计要求，但还需要进行波的形状分析，以便知道波形的失真情况。输入幅值为0.2V，频率为10Hz，正弦交流信号，其仿真结果见图3-22。 20 烟台大学毕业论文（设计） 图3-21 综合频域仿真 图 3-22 综合瞬态仿真 3.11 HK-2000B+脉搏传感器模块 HK-2000B+ 脉搏传感器是在HK-2000B 脉搏传感器的基础上改进的产品。传感器探 头直径做到15mm，电路部分外设。该电路集成了信号放大、信号调理、幅度调整、基线调整等电路。输出可直接接到A/D 转换电路。因其价格便宜，精确度高，本次设计的信号采集与信号调理部分直接用起来代替，这样可大大降低电路的复杂程度，节约成本。其实物见图3-23，技术参数见表3-2所示。 管脚定义如下： 1 信号输出 2 幅度调整 3 空 4 正电源 21 烟台大学毕业论文（设计） 5 信号输入 6 基线调整 7 电源地 8 空 表3-2 HK-2000B+脉搏传感器技术参数 项目 工作电压 工作电流 输出幅度 工作温度 外形尺寸： 长 宽 高 15 10 mm mm 最小值 3 500 0.2 0 推荐值 3.3 25 最大值 1500 3 60 单位 VDC ｕA V ℃ mm HK-2000B+脉搏传感器应用电路见图3-25。 图 3-23 HK-2000B+ 脉搏传感器实物图 图 3-24 HK-2000B+脉搏传感器应用电路 22 烟台大学毕业论文（设计） 第四章 数据采集与传输电路的设计 4.1 单片机的选择 本设计中单片机及其外部电路部分主要完成信号的A/D转换及与上位机的串口通信，因此对单片机的要求比较低。STC89C52RC是一个高可靠、超低价、低功耗、无法解密高性能8位单片机。完全能满足脉搏信号采集系统的要求。 单片机是一种具有体积小、价格低廉、可靠性高和使用方便灵活特点的高集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把能够进行数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O口和中断系统、定时器/计时器（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）等功能电路集成到一块芯片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。其最典型的51系列的单片机内部结构如图4-1所示。 图 4-1 51系列的单片机内部结构 4.1.1 STC89C51RC/RD+ 系列单片机简介 STC89C51RC/RD+ 系列单片机是兼容8051 内核的单片机，是高速/ 低功耗的新一代8051 单片机，12时钟/ 机器周期和6 时钟/ 机器周期可反复设置，最新的D 23 烟台大学毕业论文（设计） 版本内部集成MAX810 专用复位电路。其特点如下： 1. 增强型6 时钟/ 机器周期，12 时钟/ 机器周期 8051 CPU。 2. 工作电压：5.5V ～ 3.4V（5V 单片机） / 3.8V～ 2.0V（3V 单片机）。 3. 工作频率范围：0 ～ 40 MHz，相当于普通8051 的 0～80MHz.实际工作频率可达48MHz。 4. 用户应用程序空间 4K / 8K / 15K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节。 5. 片上集成 512 字节 / 1280 字节 RAM。 6. 通用I/O 口（32/36 个），复位后为： P1/P2/P3/P4 是准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口），P0 口是开漏输出，用作总线扩展，不需要加上拉电阻，作为I/O 口用时应当添加上拉电阻。 7. I S P （在系统可编程）/ I A P （在应用可编程），可采用通用的编程器，通过串口（P3.0/P3.1）来下载用户程序。 8. EEPROM 功能。 9. 看门狗。 10. D 版本才有内部集成MA X 8 1 0 专用复位电路，外部晶体2 0 MHz 以下时，可不用外部复位电路。 11.共3 有个16 位定时器/ 计数器。 12. 2 路外部中断,下降沿中断和低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断或者低电平触发中断方式唤醒。 13. 通用异步串行口(UART)。 14.工作温度范围： 0 - 75℃ / -40 - +85℃。 15.封装： PDIP40，PLCC44,PQFP44。 管脚见图4-2,结构框图如图4-3所示。 24 烟台大学毕业论文（设计） 图 4-2 DIP40管脚 图 4-3 结构框图 4.1.2 STC89C52RC单片机最小系统 单片机最下系统主要由内部时钟电路和上电复位电路组成。单片机内部有一个用于构成振荡器的到增益反相放大器，引脚XTAL1为输入端，XTAL2为输出端。在两个引脚间跨接晶体振荡器与微调电容组成并联谐振回路，构成一个自己振荡器为内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器频率主要取决于晶振频率。本设计希望单片机产生的波特率为9600，所以选11.0592MHz的晶振作为单片机的晶振,电容C1、C2取30Pf。上电复位电路有电容C和电阻构成，上电后由于电容充电，使RST持续一段时间的高电平，完成复位操作通常C=10 ～ 30uF,R=100～1000Ω。 4.2 数据采集系统 本设计采用的数据采集时基于MAX1240模数转换器的数据转换模块，经过信号调理模块后的脉搏信号在经过MAX1240后将转换，将输入的模拟电压值转化成12位的数字值输入到单片机中，单片机再将此数据处理成2个字节，低字节为第8位数据。转换完成后，DOUT端输出高电平，通知单片机转换已完成，单片机再连续发送13个脉冲到SCLK，完成一个转换值的采集。 4.2.1 MAX1240 A/D转换器的原理与应用 MAX1240是MAXIM公司新近推出的一种串行 A/D转换器，具有低功耗、高精度、高速度、体积小、接口简单等优点。 MAX1240是一种单通道12位逐次逼近型串行A/D转换器．具有普通方式和待25 烟台大学毕业论文（设计） 机方式两种工作模式．为减少系统功耗提供了方便；参考电源既可使用片内+2.5 V参考电压，也可由外部管脚提供，其范围为1．0～VDD ；模拟输入信号为单极性输入，其范围为0～ VREF ；三线串行外设接口兼容于SPI、QSPI和MICROWIRETM，可与标准微处理器I/O口直接相连。 1 MAX1240功能特点 (1)2．7～3．6 V单电源供电； (2)12位分辨率； (3)内部提供2．5V参考电源； (4)8脚DIP/SO封装； (5)低功耗：37mW(73 KSPS)， 5uW(待机工作方式)； (6)内部提供采样/保持电路； (7)兼容于SPI/QSPI/MICROWIBE 串行三线外设接口； (8)内部提供转换时钟。 2 MAX1240工作过程 MAX1240引脚分布如图4-4所示，其功能如表4-1所示。 图4-4 MAX1240引脚分布 表 4-1 MAX1240引脚功能 管脚名 VDD AIN 管脚功能 电源输入（2.7～3.6V） 模拟信号输入（0～VREF） SHDN REF 工作方式控制 外部参考电压输入，SHDN=0时有效 26 管脚名 GND DOUT 管脚功能 数字和模拟地 串行数据输出端 CS SCLK 片选输入 串行时钟输入，其频率可达2.1MHz 烟台大学毕业论文（设计） 工作方式控制 (1)SHDN=0，MAX1240待机模式．仅需提供15uA 电流。 (2)SHDN= 1，MAXI240工作在普通工作方式，使用内部参考电源。 (3)SHDN悬空．MAXI240内部参考电源失效，允许在REF管脚接入外部参考电源．其允许输入电压范围为1.0～VDD。 图4-5所示是MAX1240最传统的外围配置电路。其中，1脚为电源输入端，输入电压为2.7～3.6V。2脚是为模拟信号输入端，输入电压范围是0V～VREF，可以在9 us内实现将输入的模拟信号转换成为数字信号。3脚是关断控制输入端，通过其可实现两种工作模式的切换，即3脚外接低电平，芯片工作于关断模式，输入电流可减少至10uA以下，处于节能状态；如果外接高电平，芯片工作于标准工作模式 ，可实现模/数转换。管脚4是内置基准电压，需外接4.7uF的电容，芯片具有内置基准电压，基准值是2.5V。5脚是接地端，根据前面介绍的的工作方式控制方法，让SHDN悬空，此时，即可在REF引脚输人参考电压，其范围为1．0～VDD。VREF引脚外接电解电容需要取合适的值，因为电容越大，MAX1240从待机工作模式转换到到正常工作模式需要的时间越长。管脚6是数据输出端，当其由0翻转为高电平时，表示数据转换已经完成，可以读数据了。7脚是片选端，低电平有效。管脚8是外部读数时钟脉冲输入端，最高频率可达2.1MHZ，当数据转换完成，输入外部读数时钟在每个度数时钟脉冲的上升沿读出一位数据，数据读出的顺序是由高位到低位，MAX1240是12位A/D转换器，所以要完整的读出转换数据，至少需要外部输出13个脉冲。 图 4-5 外围配置电路 MAX1240的工作过程 MAX1240内结构框图如图4-6所示．其工作时序如图4-7所示,结合图4-6与如图4-7，MAX1240的工作过程分下如下： 27 烟台大学毕业论文（设计） 图 4-6 MAX1240内结构 图4-7 MAX124工作时序 图 4-8 十三和十六数据存放格式 (1)保持SCLK为0，使CS=0。MAX1240的采样保持器开始工作，然后进行A/D转换操作；转换期间，必须保持SCLK=0)；在数据输出结束前，应保CS=0，否则，输出结果为无效数据。 (2)等待 TCONV 时间约7.5uS ，转换结束，输出端DOUT由低电平翻转为高电平；然后，通过SCLK输入的时序脉冲控制下将数据从D0UT端输出。 (3)通过DOUT 端口串行输出l2位数据，在12个SCLK时钟脉冲作用下，将l228 烟台大学毕业论文（设计） 位转换结果以高位在先低位在后的形式从DOUT 端输出，SCLK的最高频率可高达2.1 MHz。其中，在SCLK的下降沿到来时把数据输出到DOUT 端。在SCLK 的上升沿时把DOUT端的数据读人CPU（单片机内存中）。数据存储用移位的方式将串行数据按字节存放于CPU内部寄存器内，其中第l～8个SCLK的数据存放于高位字节MSB中，第9～l2或第9～16个SCLK的数据存放于低位字节LSB中。 (4)连续l3个(含转换期内1个及后续l2个移位SCLK脉冲)SCLK周期后，使CS=l，DOUT变为低电平，完成一个完整的数据转换与传输周期。假如l3个SCLK脉冲后。CS仍为低电平，SCLK仍在输入时钟脉冲，此时，DOUT 端输出为0，附在LSB之后，成为无效数据位；建议一个周期内，SCLK的个数不超过l7个，使转换结果存放在2个字节的存储器内．其数据格式如图4-8所示。 (5)两个操作周期间应保持一个最小的时间间隔TCS约为0.24uS ，以便让A/D转换器有足够的时间初始化。转换过程中，若因CS=1使转换进程被中止，则最少要等待一个采样时间 ，用以更新采样电压值，以保证采样电压的实时性与准确性。一个完整的采样周期所需要的时间大约是13.7uS。 4.2.2 MAX1240与单片机的连接 MAX1240与单片机的连接如图4-9所示，其中SCLK的脉冲由单片机P1.0口供给，片选输入端CS接单片机的P1.1口，数据输出口则接单片机P1.2数据采集通过硬件与软件共同来完成。 图 4-9 MAX1240与单片机的连接 29 烟台大学毕业论文（设计） 4.3 串行通信 随着信息技术的飞速发展和科技进步，在许多现代化集中管理的控制系统中，需要对现场数据进行统计、采集、分析等，同时又要对现场设备进行实时控制，完成各种操作。因为单片机具有体积小、价格低廉、适应性强的特点，所以单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用。一般在工业控制系统中，各种数据的采集和执行机构的控制都是由单片机来完成。但是单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。在功能比较复杂的自动控制系统中。因此工业控制中通常以工控机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对设备的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制。由此必然会出现单片机与上位机之间的数据传送问题，即我们所说的通信。 常用的通信方式有：并行通信、串行通信、以太网通信及现场总线通信等。由于串行通信具有结构简单、使用的信号线较少、成本低廉等优点，所以是是工业现场测控网络中最简单、使用最广泛的一种通信方式。 4.3.1 串行通信的简介 串行通信的线路简单，设计成本较低，在速度要求不高的近距离数据传送中应用比较广泛。串行通信可分为异步传送和同步传送两种基本形式。异步传送特点是数据在线路上传送不连续，但通信双方必须在事先约定好的字符格式和波特率。同步传送的速度明显高于异步传送，但硬件比较复杂，而且对同步时钟信号的相位一致性要求非常严格。本设计运用的是异步通信中。 异步方式通信ASYNC（Asynchronous Data Communication）,又称起止式异步通信，是计算机通信中最常用的数据信息传输方式。它是以字符为单位进行传输的，字符之间没有固定的时间间隔要求，而每个字符中的各位则以固定的时间传送。接收、发送双方取得同步的方法是采用在字符格式中设置起始位和停止位。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。在异步通信中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。 异步串行通信时的字符帧格式见图4-10。 图 4-10 异步串行通信字符帧格式 对异步串行通信时的字符帧格式的说明： 30 烟台大学毕业论文（设计） (1) 起始位：开始一个字符传送标志位。逻辑低电平有效，其持续时间以系统设置不同而不同。 (2) 数据位：起始为之后的传送数据信号位。在数据中，低位在前，高位在后。 (3) 奇偶位：奇偶校验位仅占一位，用于对字符串送作正确性检查啊，有三种可能，即奇校验、偶校验和无校验。 (4) 停止位：标志着传送一个字符的结束，逻辑高电平有效，可以是1、1.5或2位数据宽度。 (5) 空闲位：空闲位表示线路处于空闲状态，此时线路上为逻辑高电平。空闲位可以没有，此时异步传送的效率为最高。 串行通信的数据传输率 数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用比特率和波特率来表示。 (1) 数据传输率：数据传输率是指每秒传输的二进制位数，用bps（bit/s)表示。 (2) 波特率：波特率是指单位传时间内线路的变换次数，基波传输时数据传输率等于波特率。数字电路中，一个符号的含义为高低电平，它们分别代表逻辑“1”和逻辑“0”，所以每个符号所含的信息量恰好为1比特，因此在计算机通信中，常将比特率称为波特率，即：1波特（B）= 1比特（bit）= 1位/秒（1bps）计算机中常用的波特率是：110、300、600、1200、2400、4800、9600、19200、28800、33600，目前最高可达56Kbps (3) 位时间Td 位时间是指传送一个二进制位所需时间，用Td 表示。Td = 1/波特率 = 1/B 例如：B=110波特/秒 ， 则Td = 1/110 ≈ 0.0091ms。 异步串行通信的信号形式 单片机的异步串行通信根据通信RS-422A距离、抗干要性能的要求，信号的形式可选择TTL电平传输、RS-232电平传输、RS-485差分传输等形式进行串行数据的传输。本设计的数据传输采用RS 232C 标准。 4.3.2 RS 232C标准 RS 232C标准(协议)的全称是EIA—RS一232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS(Recommeded Standard)代表推荐标准，232是标识号，C代表RS 232的最新一次修改。在这之前，有RS 232B，RS 232A，它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。 RS 232C没有规定连接器的物理特性，因此，出现了DB25，DB15和DB9等类型的连接器。不同的连接器其引脚定义也各不相同 。DB9的引脚功能见表4-2。常用的连接器接口图见图4-11。 31 烟台大学毕业论文（设计） 图 4-11 DB9 引脚图 表 4-2 DB9的引脚功能 旧制JIS名称 FG TXD RXD RTS 新制JIS名称 SG SD RD RS 说明 连接到机器的接地线 数据输入线 数据输出线 要求发送数据，回应对方发送的RST CTS CS 发送许可，告诉对方可以发送 DSR DTR CD DR ER CD 告知本机在待命状态 告知数据终端处于待命状态 载波检出，用于检测是否收到Modem的载波 SG SG 信号的接地线（信号的零标准线） RS232-C标准对两个方面做了规定，即信号电平标准和控制信号线的定义。 RS232-C采用负逻辑规定逻辑电平，信号电平与通常的TTL电平也不兼容， RS232-C标准采用EIA电平，其中高电平为+3～+15V，低电平为-3V～-15V，标准TTL电平中高电平为+2.4V～+5，低电平为0～0.4V。实现两种电平的相互转换，需要专门的电平转换芯片。目前比较常用的电平转换芯片为MAX3232。 4.4 MAX3232简介 MAX232芯片是由美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。该产品是由德州仪器(TI)推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10 V～+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL32 烟台大学毕业论文（设计） 电平+5V，MAX232就是用来进行电平转换的，该器件汗两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232-F电平。 主要特点： 1 单5V电源工作； 2 LimBiCMOSTM工艺艺术； 3 两个驱动器及两个接收器 ； 4 ±30V输入电平； 5 低电源电流；典型值是8mA; 6 符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA232-E及ITU推荐标准V.28； 7 ESD保护大于MIL-STD-883方法3015)标准2000V。 MAX232芯片的内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由1，2，3，4，5，6脚和4只电容构成。功能是产生+12 V 和-12 V两个电源，提供给RS 232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7，8，9，10，11，12，13，14脚构成两个数据通道。其中13脚(RlIN)、12脚(RlOUT)、11脚(TlIN)、14脚(TlOUT)为第一数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/COMS数据从TlIN，T2IN输入转换成RS 232数据从TlOUT，T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS 232数据从RlIN，R2IN输入转换成TTL/COMS数据后从RlOUT，R2OUT输出。 第三部分是供电。15 脚GND、16 脚VCC(+ 5 V)。 MAX232芯片的内外部电路见图4-12，MX232双串口的连接见图4-13。 4.5 MAX232与单片机的连接 MCS-51单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通信只需要一根输出线(TXD)和一根输出线(RXD)，即可同时发送和接受数据。串行通信中主要技术问题有两个：一个是数据传输，数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。另一个是数据转换，数据转换是指数据的串并行转换。MCS-51单片机的串口编程涉及的几个主要特殊功能寄存器分别为串口数据缓冲器SBUF、串行口控制器SCON、特殊功能寄存器PCON和中断允许寄存器IE。 如图4-14所示，单片机将从MAX1240采集到的12位数据经处理分成两个字节的数据后，在经过串口通信电路将其发到COM端，在发送到上位机。 其中，MAX232主要起电平转化功能，单片机串口输出的逻辑电平需要转化为用于传输的常规的RS232电平, RS 232串口通信是PC机和单片机之间信息传递的枢纽，一切数据和指令的传输必须由RS 232串口来完成。 33 烟台大学毕业论文（设计） 图4-12 MAX232芯片的内外部电路 图4-13 MX232C双串口的连接 4.6 数据采集与传输的整体模块 数据采集与传输的整体模块见图4-15，A/D转化器的供电电压为3.3V，并采用外部参考电电源的方式。MAX1240的SPI时序通过单片机软件编程来模实现。因为MAX1240的采样率远大于串口的传输速率，因此整个硬件采集系统的采样率最终由串口的传输率即波特率决定。 34 烟台大学毕业论文（设计） 图 4-14 MAX232与单片机的连接 图 4-15 数据采集与传输整体电路图 由于脉搏波的频率在100HZ以内，根据采集定理，硬件电路的采样频率应大于200HZ。当选择串口的波特率为9600Hz时，因波特率定义为传输一个二进制的速率，A/D采样厚的数据是分两个字节发送，因此传输一个数据的频率为600HZ，在考虑软件的延时，最终硬件的数据采样率为400HZ，满足采样定理的要求，又不会产生大量冗余数据。 通信双方波特率完全匹配是保证串行通信正常进行的必要保证。本文的串口选择工作方式1，波特率B由定时器T1的溢出率S来决定，并可用式4-1和式4-2表示： 2SMODS32B=( 4-S=1) ƒ012(2n−X) (4-2) 35 烟台大学毕业论文（设计） 式中，X为定时器T1的初值，n为定时器T1位数，ƒ0为单片机的时钟频率 定时器T1的位数（定时器选择工作方式2时，N=8），串行波特率倍增SMOD取值为0。 为单片机选择合适的大小的晶振，是系统所产生的波特率与上位机设定的波特率相同。本文希望单片机产生的波特率等于9600MHz，所以选择11.0592MHz的晶振作为单片机的晶振。 单片机电路的程序收割机串口工作选择查询方式，将A/D采样后的数据分为2个字节发送，高位在前，低位在后。 4.7 电源模块的设计 本设计中所采用的HK-2000B+ 脉搏传感器需要的是+3.3V模拟电压，A/D转换器需要的是+3.3V的数字电压，单片机需要的是+5V的数字电压。 +5V的数字电压将通过电脑共给，+3.3V的模拟电源与数字电源将通过RT9163系列的稳压器进行设计。该芯片的主要特性如下： 1) 低压差：500mA时最大1.4V； 2) 瞬时响应快； 3) ±2%总输出调整率； 4) 0.1%线性调整率； 5) 0.1%负载调整率； 6) 输出电流：0.5A 典型应用见图4-16。 图4-16 RT9163的典型应用 +3.3V的数字与模拟电源电路图如图4-17所示，+5V的电后，源经过RT9163-33的输入端后，在输出端将会得到+3.3V的数字电压，+3.3V的数字电压经过一个电感36 烟台大学毕业论文（设计） 后将会得到+3.3V的模拟电压，电感L3与E10构成LC振荡电路，截止频率为： ʄ0= 12π√L3E18 (4-3) 图 4-17 +3.3V数字和模拟电源 4.8 软件设计 本次设计的元件设计主要有A/D转换器与单片机之间的数据采集和单片机与上位机之间的数据传递两部分组成 4.8.1 编译环境 本次设计选用的单片机STC89C52RC的编译环境是有Keil Software推出的基于Windows的软件uVision3该软件将编辑器、编译器、调试器及辅助工具集成在一起，为51系列单片机应用程序的开发和调试提供了完整的解决方案。由于该软件性能优异、易学易用、所以国内51系列的单片机的开发基本都是用uVsion2软件开发平台。uVsion3是2003年Keil Software公司在uVsion2版本的基础上进行更新了集成软件的工具 使用uVsion3 进行单片机开发时，其基本过程如下： (1)创建一个项目，从器件中选择目标器件，配置工具设置。 (2)用编辑器创建C51程序或汇编语言程序。 (3)编译生成目标。 (4)修改源程序错误。 (5)测试，连接应用。 (6)仿真调试目标程序。 37 烟台大学毕业论文（设计） 4.8.2 程序设计的思想 程序设计主要包括两部分，即单片机与MAX1240A/D转换器之间的数据采集和单片机与上位机之间的数据通信 在A/D转换器完成后，由单片机查询DOUT端，变为高电平后，控制单片机通过P1.0端口输出13个脉冲进行数据传递。数据采集完成后，控制单片机采用进行数据传送。程序设计流程图见图4-18，4-19。 开始串口初始化波特率设定启动A/D转换N转换是否完成Y数据采集取出低八位取出高四位发送低八位发送高四位图 4-18 主程序流程图 38 烟台大学毕业论文（设计） i=0i=i+1Ni=12？N数据暂存dat左移一位NCLK拉低延时CLK拉高读入为1？Ydat最低位置位返回图 4-19 数据采集流程图 4.9 系统调试 4.9.1 输入电压与MAX1240的数据传输的调试 39 烟台大学毕业论文（设计） 当待采集的模拟电压值为2.5V时，根据模/数转化啊的量化方程可知量化间隔为： ∆=(Vmax2n−1=3.34095≈0.0858mV-4 ) 4所以实际模拟电压的量化值为： VAD=V∆=2500mV0.8058mV≈3102.5 （4-5） 将该计算结果转换成十六进制数码为C1E；由图中MAX1240的数据方波图形可知读完一个数据转换结果需要13个时钟脉冲，有U4可以对应的时钟信号读出此时的数据值为110000011110。如图4-20所示。 4.9.2 单片机输出数据调试 由于电路采集数据以后最终使用串口输出，与其他的设备进行通信，所以我们用Proteus提供的串行虚拟终端进行输出信号的仿真。 如图4-21所示为仿真终端输出的十六进制数，可以看到分为两个字节，高字节为0C,低字节为1E，也就是说单片机输出的串行数据为C1E，这个结果与待转换模拟电压值得量化结果是一样的。 40 烟台大学毕业论文（设计） 第五章 总结 本课题通过在桡动脉处获取的脉搏波，通过设计信号采集系统对脉搏信号进行处理,最后送达上位机,完成对脉搏信号的提取电路的设计。因为脉搏信号是临床医学上重要的信息，所以此课题的研究具有很强的实用性。本设计完成的主要工作有： (1) 建立了基于华科电子研究所生产的HK-2000B+ 脉搏传感器的信号采集与调理系统。 (2) 完成了基于德州仪器生产的MAX1240模数转换器和单片机为核心的A/D转换系统。 (3) 完成了单片机与上位机通信系统的设计。 (4) 完成了PCB的设计和电路板的制作、调试。 虽然本课题研究完成了一定的工作，但是还是存在不足之处，有待完善和进一步研究： (1)人体脉搏系统和脉搏信息是一个横跨人体生理学、流体力学、临床医学、振动与声学、电路与系统、信号采集与信息处理、生物系统论、生物信息论等诸多学科的交叉性课题。本设计只是完成其中电路与系统，信号采集与处理的一小部分工作，只具有最基本的功能，系统各方面还有待完善。 (2)在硬件方面，A/D转换器采用的是十二位的，如果想得到更加精确数据可以采用十六位的A/D转换器，这样将会得到更加精确的脉搏信号数据。 (3)在信号采集方面，如果费用允许，可以采用华科电子研究所生产的更高级别传感器，如HK2000C、HK2000G、HK2000H。 本设计存在的问题肯定不止以上几个，这个脉搏信号采集系统只一个初级系统，远不能达到真正的医疗器械的精确程度，还望各位老师不吝指正批评，让这套系统具有更强的实用性。 41 烟台大学毕业论文（设计） 致谢 在即将毕业之际，思绪万千，心情久久不能平静。回首三四年来本科生阶段的求学之旅，生活和学习上多有挫折和苦恼，但都顺利克服，这不得不感谢周围的同学和老师通。过本次毕业设计，我学到了许多东西，懂得了以前自己不懂得的知识，自身的学术和实践能力都得到了很大的提高。本论文是在我的指导老师王卫忠老师的悉心指导下完成的。老师严谨的工作作风，求是的工作态度让我受益匪浅。，毕业课题能够顺利完成，离不开他全力支持，为实验数据的采集提供了巨大的帮助，每当遇到困难，他总能为我排忧解难。王老师积极的支持我做实物，使我的实践能力有了大的提高。在此我要向他表达我衷心的感谢和诚挚敬意。 在此同时我还要感谢同学，他们在我做毕业设计的时候给与了我各方面的帮助和支持，没有他们的帮助和支持，我的设计不可能这么顺利的完成，在此送上我忠心的感谢，希望他们都能找到好的工作，前途一片光明。 与此同时，我还要特别感谢在PCB设计中给与我极大帮助的王东兴老师，没有他的帮助我不可能轻松地做出实物。 在烟台大学度过的四年学习生活是多姿多彩。烟台大学是莘莘学子展翅高飞，放飞梦想的地方。当然在这里我实现了我的梦想。不仅让我获得了丰富的知识，也让我学会了做人的人生哲学。这是人生当中不可多得的经历，将是我人生中最为宝贵的一页。感谢母校的栽培，感谢给予我帮助的每一个人，千言万语也道不尽我对他们的感激之情，唯有铭记！ 最后，感谢所有教育和帮助过我的老师们，你们的教会是我一生的财富，谢谢你们辛勤的付出。 42 烟台大学毕业论文（设计） 参考文献 [1] 邱关源，罗先觉，电路，北京：高等教育出版社，2006 [2] 汪贵平，李登峰，龚贤武，雷旭，新编单片机原理及应用，北京：机械工业出版社，2009 [3] 周润景，徐宏伟，丁莉，单片机电路设计、分析与制作，北京：机械工业出版社，2010 [4] 康光华，陈大钦，张琳，电子技术基础模拟部分（第五版），北京：高等教育出版社，2006 [5] 阎石，数字电子技术基础（第五版），北京：高等教育出版社，2006 [6] 王雅芳，Protel 99SE电路设计与制版从入门到提高，北京：机械工业出版社，2011 [7] 张国雄，李醒飞，测控电路，北京：高等教育出版社，2011 [8] 何巍，MAX1240串行A/D转换器原理及应用，四川师范大学学报(自然科学版)，2000，No.1：90-93 [9] 张凌飞，刘承桥，王岩，简易人体脉搏信号调理电路的设计，科技信息，2011，No.10:103,109 [10] 任亚莉，张爱华，孔令杰，脉搏信号和主成分分析在亚健康状态识别中的应用，计算机应用与软件，2013，No.3：201-202 [11] 张金榜，刘军，齐华，脉搏信号调理电路设计，电子技术应用，2012，No.9：46-49 [12] 童英华，陈学煌，冯忠岭，心音和脉搏信号采集系统的设计，2011，No.2：63-64 [13] 李可礼，基于心电信号和脉搏波信号的连续血压测量研究，重庆理工大学，硕士论文，2011.04 [14] 史骏，彭静玉，基于双T网络的50Hz陷波电路的设计，科技信息，2011，No.21：121-122 [15] 刘继光，人体脉搏信号的采集装置，沈阳工业大学，硕士论文，2006.03 [16] John . H . Laub. A new non-invasive Pulse Wave recording instrument for acupuncture clinic.American Journal of Acupuncture,1983,No.3:45-48 43 烟台大学毕业论文（设计） 附录一 信号调理电路原理图 44 烟台大学毕业论文（设计） 附录二 汇编语言程序 程序开始 ORG 0000H LJMP MAIN；转到初始化程序 ORG 0030H MAIN: CLR C MOV SP,#60H MOV SCON,#50H；设置串口工作方式为方式1，接受允许 MOV PCON,#80H MOV TCON,#00H；中断控制初始化 MOV TMOD,#26H；定时器T1为方式2 MOV TL1,#0FAH；设置定时器的初值，波特率为9600 MOV TH1,#0FAH；设置定时器的重新装载值 SETB TR1；启动定时器，串口控制开始工作 SETB EA； SETB ES CLR TI；发送中断初始化 MAX1240:MOV A,#00H；初始化累加器A MOV R7,#08H CLR P1.0；CLK初始化为低 CLR P1.1；片选信号有效 NOP JNB P1.2,$；等待A/D转化结束 NOP；以下为l／O口软件合成SPI SETB P1.0； MSB: CLR P1.0；CLK下降沿时数据从DOUT移出 NOP SETB P1.0；CLK上升沿时将DOUT数据读入CPU MOV C,P1.2 RLC A DJNZ R7,MSB MOV R3,A MOV R7,#08H；转换结果的高8位送R3保存 45 烟台大学毕业论文（设计） MOV A,#00H LSB: CLR P1.0 NOP SETB P1.0 MOV C,P1.2 RLC A DJNZ R7,LSB MOV R2,A；转换结果的低8位送R2保存，高4位为，低4位为无 NOP；效零 SETB P1.1；MAX12AO片选信号无效 MOV 41H,R3 MOV 40H,R2 LOOP: MOV A,41H；发送第八位数据 MOV SBUF,A ACALL WAIT ACALL Delay MOV A,40H；发送高四位数据 MOV SBUF,A ACALL WAIT AJMP MAX1240 WAIT: JNB TI,$ CLR TI RET ；延时程序 Delay:MOV R4,#02H LOOP1:MOV R1,#0FFH LOOP2:DJNZ R1,LOOP2 DJNZ R4,LOOP1 RET END 46 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/257508d9920ef12d2af90242a8956bec0875a54e.html