1、摘要脉象信号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。准确地测得人的脉象信号，及时反映脉象随时间的变化，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、功耗低的特点在仪器中应用广泛，我们本着实用、可靠、安全、简洁及经济等原则，设计开发了基于单片机AT89C51的脉象数据采集处理电路:对从脉象传感器获取的脉象信号进行调理，确保所获取的脉象信号质量及幅度;利用ADC0809设计了模数转换电路，利用单片机控制其对脉象信号进行模数转换，并将脉象信号数据其送入计算机进行实时显示、存储;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贾L电平，本文
2、设计了通用的RS232电平转换电路对其进行电平转换，可以实现两种不同电平间的数据传输，计算机与单片机之间采用串行通信异步传输;在上层计算机界面部分，我们利用vB6.0的MScoInm控件制作了人机交互界面，所设计的界面能对采集的脉象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、方便。本系统可实时、连续、长时间的采集人的脉象信号，具有实用价值。关键词:脉象信号:AT89C51;ADCO809;串行通信;异步传输;MSConun控件AbstraCtThePulseisanlIrlPortantParameterthatreflectsthehilmanbodyfonct1on，从五Ich
3、hasveryimPortantreferenceva】ueinthelifewardofthehunlanbody，wemeasureaccuratelythePerson，sPuIsesigna1andrefiectthePulsesignalwiththe呵etyoftime，whichhavethe1mPortaJ1tmeamngfortheclinicalmedicalscience.WiththedeveloPmentofelectronjcstechnique，MicroControllerUnitgenera1aPP1iestotheinstrU1nentfieldowingt
4、othesmal1volume，thestrollgfunction，thelowPowerconsuming，Accordlngtocurrenttec五niqueanddeve1OP刀lentdirection，wedesignedandresearchedtheProjectofPulsesigna1acquiringaPParatusbaseonAT89C5l:ItcanactoallywithdrawthePulsesignal，助dtheanologsi助alcanbeconvertedintodigitalsi郎alafteramPli尔ngandfiltenng，andt】1e
5、nthePulsesigna1issel1tintocomPuter.BecauseMCUoutPutTTLelectricity，weneedtodesigntheconversionclrcUitinthecon卫nunicationcourseofMCUandcomPuler.Theconversioncircultcantrans而tthed别LabetweentheRS232andTTLe1ectricity.ThecomPuter，sseriaiinterfaceisaccessedtotheMSCommco11troIinVB6刃，adoPtingtheas扣Ichlonousc
6、ommunicationwithMCU.Itcanex洲neandshowtheresPira1Orysi邵al，andsetcommamcationPorts1mP1ybyasking.Thisdesi助canactuallyrememberthePerson，sPulsesignalofhours，consecution，alld10飞time.Ithasrealisticmeaning.Keywords:Pulsesignal沪汀89C51;ADC0809;serialcon卫nunlcation;transmission;MSConuncontrol独创性声明 本人声明所呈交的学位论文
7、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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者狐，.海团扛日期: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
8、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)学位论文作者签名二许玉日期:亚导玉，指导教师签名:日期:2浮工之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脉象信号采集系统 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0一SV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
9、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挠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
10、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。数据采集系统在下面有更详细的叙述。信号提取流程如下图1.1所示:图1.1系统的信号流程图1.2基于单片机的数据采集系统1.2.1数据采集系统简单介绍 随着自动控制、监测及远程控制的发展，数据采集越来越
11、被广泛应用，如医疗、工业等方面，数据采集是指将温度，压力，流量，位移等模拟量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，可分为以下几种3，1.基于通用微型计算机的数据采集系统 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，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
12、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，易受外界千扰破坏。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
13、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(PC机)与单片机通过标准总线(例如RS一232一标准)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
14、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。1.2.251系列单片机简介因 讹5一51系列单片机是INTEL公司在毗5一48系列的基础上，在80年代初又推出的高性能的8位单片机。它与48系列相比，在片内存储器容量、1/0口的功能以及指令系统功能等方面，都大大地得到加强。就5一51系列单片机特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测、控制领域中最理想的8位单片机。 从应用的角度看，McS一51
15、单片机具有如下的一些特点:1.集成度高。MCS一51单片机的典型代表产品为8031，8031芯片内部包含了128个字节的RAM，4个8位并行工/0口，1个全双工的串行口，2个16位的定时器/计数器，以及一个处理功能很强的中央处理器。毗5一51单片机的另一代表产品为8751，它在8031单片机的基础上，增加了4K字节的EPR服，在许多不复杂的应用场合，只用一片8751即可满足要求. 2.系统结构简单。耽5一51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品。 3.系统扩展方便。Mcsee51具有外扩至64K字节程序存储器和64K字节的外部RA幼和1/0口的能力。当
16、McS一51芯片内部R胡和芯片本身的1/0口线不够用时，即可进行系统的扩展。许多公司生产的工/0接口芯片和各大公司生产的通用存储器芯片都可以直接与袱5一51相连接，从而很方便地扩展系统功能。 4.可靠性高。MCS一51单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且MCS一51应用系统体积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作。枕5一51单片机有根据其抗干扰性能有军用、民用之分。用户可根据毗5-51单片机系统的应用环境，来选择合适档次的成5一51单片机。军用品的抗干扰性最强，可靠性最高。5.处理功能强、速度高。McS一51单片机指令系统中有加减乘除及各种逻辑运算和转移指
17、令，还具有位操作功能，这在检测、控制中特别有用。CPU时钟频率高达12阳2。指令系统中近50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。完成单字节乘法和单字节除法仅需4p:(时钟频率为12MHz)。6.容易产品化。毗5一51由于单片机具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点，因此很容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表、其控制装置中。McS一51系列单片机的三个基本产品为8031、8751、8051。它们的指令系统完全兼容，但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。8031内部包括一个8位的CPU128个字节的R人M、21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行工/0口、1个全双工的串行口、2个1
18、6位的定时器/计数器，但程序存储器需外扩EPROM芯片。80引是亦8031的基础上.片内又集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是制作芯片是代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机，所以8051应用在程序己定且批量大的单片机产品中。由于以上限制，目前在国内很少采用。 8751是在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4K的小系统，用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。其价格相对于8031较贵。 8031外扩一片4K砂ROM的就相当于8751，它的最大优点是价格低，目前在我国得到了广泛的应用. 单片
19、机是上位机和下位机进行数据传送的通讯枢纽，因此需要串行通讯端口。有3种方法供选择: (1)采用多串口的单片机;(2)采用通用异步串口扩展芯片: (3)采用普通1/0端口模拟实现串行通信。第3种方法最简单经济，并且可以实现高速率通信。另外，考虑到对硬件资源的充分利用，我们在本文选用了AT89C51，其特点及工作原理，下面将会详细介绍.1.2.3AT89c51单片机的特点及工作原理3 AT89C51完全兼容毗5一51系列单片机的所有功能，并且本身带有ZK的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的SO31CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单方便等优点
20、，具体如下:AT89c51单片机是最早期也最典型的产品，低功耗、高性能、采用C毗05工艺的8位单片机。它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与工ntel8OC3x单片机完全相同。在应用中可直接替换。在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便。AT89CSX系列可认为是Inte180C3X的内核与Atlne1FLASH技术的结合体。它为许多嵌入式控制系统提供了灵活、低成本的解决方案。1.主要性能.与讹5一51产品指令系统完全兼容;.片内集成4KB的FLASH存储器，可反复编程/擦除 1000次;
21、.数据保留时间:10年;.全静态设计，时钟频率范围为024阳2、33姗2:.三个程序存储器保密位;.128X8字节的内部以M:.32条可编程的1/0口线;.2个可工作于4种模式的16位定时/计数器:.5个中断源/2个中断优先级;.可编程串行通道;砧亡e两口州阅仁忆，价口那界之沪口七娜乍俏0卜向月弓月期;阳生例比冈净洲洲扣风尹日旧侧阳pp人L书蔽佑萄获丹产协，孙代奋户1御书巧岛协1匆万哈J性飞肠片认，幻阿夕协1.人，归日，陀月口日刀影史不才更币乳.能小盯如如勃附。闭阳郎附即即曰一誉兹红口改万1管脚封装图.具有4种工作模式的全双工串行口: .低功耗的待机工作模式和掉电工作模式;.片内振荡器和时钟电
22、路; 2.管脚说明Vcc:供电电压。 GND:接地。PO口:PO口为一个8位漏级开路双向1/0口，每脚可吸收8竹L门电流。当PI口的管脚第一次写，tl”时，被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，PO口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高.PI口:Pl口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1/0口，PI口缓冲器能接收输出4TTL门电流。PI口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，.Pl口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，PI口作为第八位地址接
23、收。PZ口:PZ口为一个内部上拉电阻的8位双向1/0口，PZ口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当PZ口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，PZ口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。PZ口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，PZ口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，PZ口输出其特殊功能寄存器的内容。PZ口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号. P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向工/0口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入勺”后，
24、它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能: P3.ORXD(串行输入口);P3.ITXD(串行输出口):P3.2丽而(外部中断。);P3.3丽于1(外部中断1);P3.4T0(计时器0外部输入):P3.STI(计时器1外部输入);P3.6丽正(外部数据存储器写选通);P3.7反石(外部数据存储器读选通);P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位时，要保持RsT脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/奋互6石:当访问外部存储
25、器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFRSEH地址上置0。此时，ALE只有在执行朋Vx，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。歹百百两:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次丽丽有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PsE
26、N信号将不出现。 厄入/VPP:当丽保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(00o0H一FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，丽将内部锁定为REsET:当厄又端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源(VPP)。 XTALI:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTALZ:来自反向振荡器的输出。 3.振荡器特性XTALI和XTALZ分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTALZ应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外
27、部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4.芯片擦除 整个EPR伽阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写，1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。5.编程算法 (1)地址线上输入欲编程的存储单元地址;(2)在数据线上输入编程数据; (3)加正确的控制信号组合:(4)在“高压”模式下使VPP为12v; (5)在ALE引脚上加一次负脉冲，可对FLASH存储器的一个字节或保密位进行编程。编程一个字节的周期是内部自定时的，地址和编程数据重复步骤(1)一(5)，典型时间不会超过
28、1.sms。改变编程的存储单元 直到编程文件最后。6此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但R胡、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存R力H的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。1.2.4ADCO809芯片简单介绍 ADC0809是带有8位户以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，它的模数转换原理采用逐次逼近型，芯片由单个+SV电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行AD转换，典型的AD转换时间为loops左右。在同类型产品中，ADc0
29、809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。可以和单片机直接接口。内部逻辑结构，如图1.2所示。图1.2ADC0809内部结构，呵姗皿。，。，。，.湘盯汤25洲23泛21印均18171615123456780lDlll21314州州月门习州州习司，钾，.骂朴:ADCO809引脚功能说明: D7DO:8位A/D转换结果输出口;INOIN7:8路模拟电压量输入，0一SV或者一SV+SV或者一10V+10V，用于输入需转换的模拟电压; VREF(+)、VREF卜):参考电压输入线，VREF(+)常和VCC相连，VREF卜)常接地或负电源电压;砂ALE:地址锁存允许输入线，高电平有效; S
30、TART:启动A/D转换控制输入，高电平有效;cLocK:时钟输入线，用于输入ADC0809逐次比较所需的640KHz的时钟序列，不能超出这个频率;ADDA、ADDB、ADoc:3位地址输入线，其8个地址值分别选中8路输入模拟量INO一之一进行模数转换。ADoc是高位地址，ADDA是最低位地址;选择结果如表1.3所被选模拟电压路数ADDCADDBADDAIN0000IN100lIN20l0IN30ll州4l00IN5l0lIN6ll0IN7lll 表1.3被选模拟量路数和地址的关系OE:转换结果输出允许线;Eoc:转换结束输出线，高电平有效，EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控VCC:+S
31、V电源输入线:GND:芯片接地端。系统总体设计要求由于脉象信号取自人体表面，信号源内阻较大、信号微弱，而且背景噪声强。因此;口U制t要求系统硬件电路部分具有以下特性: 1.高输入阻抗，以便拾取微弱信号;2.高共模抑制比，以消除工频及电极极化电位的干扰; 3.适当的增益且可调节，以便处理脉象信号幅度因人变化较大的情况;4.低噪声，使之不能淹没极其微弱且信噪比低的脉象信号: 5.低漂移，以减小基线漂移并避免前置放大器饱和;6.低功耗，能长时间采集和存储脉象信号; 7.合适的带宽，以便有效的抑制噪声;8.能实时显示脉象波形; 9.高安全性，确保人体的绝对安全。对于软件的设计要达到以下要求: 1.显示
32、直观方便，便于观察:2.能快速显示脉象回放波形，以便观察分析、提高效率;3.回放速度可调，以适应对不同幅度的脉象信号进行处理;4.脉象数据存储功能、脉象图打印功能;5.其它功能。1.4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，设计开发了基于单片机AT89c51的脉象数据采集系统。所做的工作主要包括: 1.利用脉象传感器提取出人体的六路脉象信号，设计信号调理电路对从脉象传感器获取的脉象信号进行调理，确保所获取的脉象信号质量及幅度; 2制作一个基于AT89C51单片机的数据采集系统，对提取并调理的六路脉象信号进行模数转换，并将脉象信息数据传送给计算机，利用计算机对其进
33、行实时显示、存储，以便进行数据分析;3.使用visualBasic6.0作为程序开发工具来设计便于人机交互的用户界面，利用VB6.0的脂C。皿1控件实现单片机与PC机的通信功能。第二章脉象信号的提取及调理2.1脉象信号特点及提取D司2.1.1脉象信号的特点 人的脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率为60一80次/min，其频率成分主要分布在020Hz之间，属于次声，最高频率不超过4OHzts，属微弱低频信号。2.1.2脉象传感器及脉象信号的提取 下面介绍一下脉象传感器:由于脉象探头式样很多，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
34、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。我们选用阳一1型的脉搏波传感器，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.scm/9; (2)自然频率500Hz:(3)电源电压6一gV(DC); (4)外形尺寸中22xlZnun。管脚如图2.1所示:图2.1阳一1型传感器管脚图传感器与放大电路有两种连接方式，如图2.2所
35、示:方式15佑感盛5图2.2传感器与调理电路放大器连接方式2.2脉象信号放大器设计要求 脉象信号的特点是微弱与低频阁。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.高增益一前置放大器放大倍数一般应在SOdB一
36、12OdB之间; 2.高共摸抑制比一放大器必须要具有好的抗干扰能力，一般要有6OdB以上的CMRR;3.高输入阻抗一一般不小于ZMO，有的可达looMO，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.低噪声一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pV数量级; 5.低漂移一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; 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:1.高共模抑制比 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
37、制比是120dB，则输入信号中共模信号的影响将减弱100万倍，IV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一80dB，高性能放大器的CMRR达10OdB，这说明对于100n1V的共模千扰和0.lpV的差模信号具有相同的输出。2.高输入阻抗 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KQ，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1
38、0MQ，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。 3.低噪声、低漂移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
39、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刚101。2.3信号调理电路的设计卜1.2.3.1器件的选择 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。经比较，AD620的主要技术指标最理想。AD62O是单片的低功耗、高精度仪用放大器。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
40、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11，o AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、脉象信号采集、精密电压电流转换等应用场合。凡UTP盯R俐洲袄图2.3AD620引脚分布图图2.4AD62o简化结构图1，31 其封装引脚分布图如图2.3，图2.4给出了AD620简化的结构图，输入三极管QI和QZ提供了高精度差分双极性输入，通过QI一AI一Rl和QZ一彻一回路的反馈电路使输入晶体管QI和QZ维持了恒定的集电极电流，从而加进了外部增益控制电阻丸两端的输入电压。A3消去了所有的共模
41、信号，从而得到相对于REF弓1脚电压的单端输出。内部的增益电阻R:和凡都校准到绝对值247K。，这样使AD620只需一个外部电阻就可准确设置1l00()的增益公式为:0=二丑己丑2十1=兰些卫+1RoR。(2一1)对于所需要的增益，R，=丝兰规“G一1则外部增益控制电阻值为(2一2)其主要特性为: .仅需一个外接电阻即可获得1一1000内的增益，使用方便;.工作电源电压范围极宽，士2.3V一士18V; .低功耗，最大电源电流仅1.3mV;.最大输入失调电压125协v; .最大输入失调温漂lpV/C。;.最小共模抑制比为93dB(G=l0); .低噪声，输入电压噪声gnV。2.3.2电路系统结构
42、及原理lN 调理电路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pv/C。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，电路必须具有很高的共模抑制比且应具有高输入阻抗、低输出阻抗、低噪声、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.电路系统共分为三部分: 1.前置输入放大电路。前置级主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比三项的影响，这里设计的电路，由三部分组成:输入缓冲、高频滤波和仪用放大器，电路结构如图2.5所示，电路系统中RI、RZ、cl
43、、c22组成的低通滤波器可有效去除高频噪声的影响。图2.5脉搏信号前置放大电路电路差模截止频率胖DJrr和共模信号截止频率B肠如式(2一3)和(2一4)所示， BW。，萨1/2兀R(2C2+C1)(2一3)B叨“二1/2笼RICZ”一(2一4)l4其中RI、RZ、C22和CI必须精确相等，且CI10CZ。 此电路由于其经典的三运放结构而具有较高的输入阻抗和共模抑制比，并且只需外接一个电阻即可设定增益，在生物信号处理领域被广泛地应用。为了避免电路的饱和，前置输入放大电路增益必须在数十倍之内，不能过大。2.中间级处理电路。 中间级处理电路分为带通选频网络，二级放大、增益调节及限幅电路、50Hz陷波
44、、等。 带通选频网络由RC无源网络组成，简单可靠。带通的最大范围设定为0.05Hz10KHZ. 二级放大电路在结构上和增益调节电路类似，都是由运放组成的电压负反馈的形式。前者进行信号的放大，后者控制整体电路的增益，最大可达12OdB，另外由于后面Aoc0809对于输入的模拟信号幅值有一定的要求(0sv)，需要对经信号调理后的电压信号进行限幅，电路结构如图2.6。图2.6二级放大、增益调节及限幅电路 此电路具有以下优点:(l)输入等效阻抗大:拓二(1+AF)rid; 输出等效阻抗小:Ro二ro/(1十AF)。其中rid为运放的输入阻抗，ro为输出阻抗，不仅完成了信号的放大作用，而且还起到了缓冲器
45、的作用，有效地隔离了前后级的模块。(2)电容C的作用使整个模块有了低通的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰，还由于其超前的补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。50Hz工频陷波器采用有源双T陷波网络的方案，取Q二2.5，可有效去除信号中的工频干扰，其结构图如图2.7所示。图2.750Hz陷波电路2.4本章小结 本章内容主要介绍了:脉象信号的低频且背景噪声大的特点:信号调理电路器件的选择;以及对电路的要求:高输入阻抗高共模抑制比、适当的增益、低噪声、低漂移、低功耗等;介绍了信号调理电路的原理、流程，完成了电路的信号调理功能。第三章数据采集系统软硬件设计12叼013.1通信简介 计算机与
46、外界所进行的信息交换经常被人们称为通信，其基本方式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、16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。 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nT，实际工程中往往总是大于nT，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
47、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:异步方式。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。卜一.一一一第n个字符.一呻第n+，个字符011心1/d1心1心1/口1心1心1心1朋111】0起始位空闲停止位奇偶校验位，JDD0起始位数据流向下降沿指出下一个字符的开始图3.1异步通信字符传输帧格式f19 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5一8可选)外，还有若干个附加位:起始
48、位(一位，值恒为0)，奇偶位(可选有无)，停止位(长度1、1.5和2可选，值恒为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。同步方式。在数据开始传输时，发送方先发送一个或两个特殊字符(称同步字符)，当发送方和接收方达到同步后，就可以一个字符接一个字符地发送一大块数据，而不再17需要用起始位和停止位了。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，因此异步通信一般用在数据速率较慢的场合(如小于10.ZKB/5)。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间的近距离通信中，同步通信方式得到了广泛的应用(例如SPI、工t等，均属于同步
49、通信方式)。由以上讨论可知，异步通信是指通信中两个字符间的时间间隔是不固定的，而在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间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9600B/s)，则通常采用设备简单、控制容易的异步传输为好。3.251单片机串口通信接口结构、设置及程序设计3.2.151单片机串口结构 1.单片机中串行接口的结构、工作原理、工作方式51单片机中的串行接口是一个全双工通信接口，即能同时进行发送和接收。它可以作UART(通用异步接收和发送器)用，也可以作同步移位
