【正文】 制器、 ADC 的微控制器 C8051F320；儀器軟件設(shè)計分 MCU 固件程序設(shè)計、 USB 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計及軟件濾波程序設(shè)計等四部分組成。儀器的硬件、軟件各部分配合良好，測試所得脈搏波形能夠正確反映人體脈搏的真實特征。 Filter circuit posed of secondorder active lowpass filter。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。 從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。 脈搏檢測儀研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢 脈搏傳感器檢測的信號要通過串行通訊的方式傳輸給微處理器。目前常用的串行總線接口標準主要有 RS23 RS42 RS42 RS485 和 USB 等。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學(xué)者在醫(yī)學(xué)研究、針灸研究中設(shè)計了一些脈象 客觀描記儀器或裝置。 雖然國內(nèi)外在提取脈搏圖像方面已經(jīng)開展了大量的工作，先后研制了不同種類的傳感器及測量設(shè)備獲得脈搏波形，但從研制情況看，大部分傳感器不能模擬中醫(yī)切脈診法來檢測脈搏信號，適用性不夠好。 設(shè)計研究的內(nèi)容 包括傳感器的選用，傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計、調(diào)理電 路的設(shè)計、光電隔離電路設(shè)計、單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、 USB 接口設(shè)計、人機接口的設(shè)計等。本系統(tǒng)設(shè)計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾 。 脈搏信號拾取電路 紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn) 0． 4V第一章 引言 3 電壓， 電流。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設(shè)計思路導(dǎo)致了檢測信號動態(tài)范圍縮小，在受到運動干擾時，將導(dǎo)致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組 成框圖如圖 21所示。 血液是一種高度不透明的液體。在檢測系統(tǒng)中將變化量與直流量相互分離，從而得到光電容積脈搏波。 R2 選 500Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。 +5VGND1KR1500R2C1D1IR333D2BPW8323 圖 22 光電式傳感器電路 光電式脈搏傳感器實驗測量和噪聲分析 在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境的干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計的技術(shù)角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、工頻干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合儀器軟硬件設(shè)計做進一步的分析。 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 7 放大濾波電路設(shè)計 由光電傳感器拾取的脈搏信號十分微弱，僅為 微伏量級或 毫伏量 級，所以首先要對信號進行放大，介于此系統(tǒng)的特點，我們使用了兩級放大電路，分別為初級放大和次級放大。低噪聲、低漂移。 — 177。通過 Q1A1R1 環(huán)路和 Q2A2R2 環(huán)路的反饋，保持了 Q1， Q2 集電極電流為常量，所以輸入電壓相當于加在外接電阻 R 的兩端，從輸入到 A1/A2 輸出的差分放大倍數(shù)為 G=（ R1+R2） /RG +1，由 A3 組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與 REF 管腳電位有關(guān)的單路輸出。信號初級放大電路原理圖如圖 25 所示。通常脈搏信號的頻率范圍在 － 20Hz 之間，因此通過低通濾波器可以有效濾除 50Hz 工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。是應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。用戶可以在任何時候斷開 USB 外設(shè)，而不管計算機是否正在運行，這都不會損壞 PC 機和 外設(shè)。 (3)共享式接口。 USB 能實現(xiàn)強大的功能，它比以前的接口更加復(fù)雜，但是它的組件和電纜并不貴，帶有 USB 接口的外設(shè)和具有同樣功能的老外設(shè)接口相比，所需費用差不多，有時會更少一些。 USB 電纜向外設(shè)提供了一根 +5V 的電源線，電流的大小取決于集線器，最小為 100mA，最大不會超過 500mA，用戶可以直接使用這個總線電源。 (1)USB系統(tǒng)的描述 一個 USB系統(tǒng)主要被定義為三個部分 :USB的互連； USB的設(shè)備 (device)；USB的主機 (host)。 (3)總線協(xié)議 USB總線是一種輪循方式的總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。集線器類指的是一種提供 USB連接點的設(shè)備， USB設(shè)備需要提供自檢和屬性設(shè)置的信息， USB設(shè)備必須在任何時刻執(zhí)行與所定義的 USB設(shè)備的狀態(tài)相一致的動作。通過此控制通道，所有的 USB設(shè)備都列入一個共同的準入機制，以獲得控制操作的信息。所有器件都有內(nèi)置的 FLASH存儲器和 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM,有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（ XRAM）。內(nèi)部淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 晶振的精度為 ，支持所有 USB 和 UART 模式；外部晶振器：晶體、 RC、 C或外部時鐘；內(nèi)置一個針對與 USB 控制器的片上時鐘乘法器。這種固定方式既占用較多引腳，配置又不夠靈活。 (3)引腳及封裝 C8051F320 引腳圖如圖 26 所示。 USB 寄存器訪問 USB0 控制器寄存器的訪問是通過兩個特殊功能寄存器來實現(xiàn)的，這兩個特殊功能寄存器是： USB0 地址寄存器（ USB0ADR）和 USB0 數(shù)據(jù)寄存（ USB0DAT）。 USB 時鐘配置 USB0 具有全速和低速 USB 通信功能。 時鐘恢復(fù)電路用輸入 USB 數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)內(nèi)部振蕩器，這使內(nèi)部振蕩器（和4倍時鐘乘法器）能滿足 USB 時鐘的精度要求。 由于脈搏信號為交流信號，這就要求對輸入信號進行波形變換， CD4052輸出的模擬信號由 LT111 R1 R1 R1 R18 組成的電路波形變換，然后經(jīng)過單片機 P10 引腳輸入，進行時鐘計數(shù)處理。 5V 電源電壓的電路，其電路連接圖如圖 所示，其中輸出的 +5V 電壓通過USB 電纜中的 VBUS 電壓信號源與單片機相連接， C8051F320 中集成了穩(wěn)壓器，可以將 VBUS 引腳檢測到的 +5V 電源穩(wěn)壓至單片機正常工作的的 + 電源電壓。 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 17 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 MCU 固件程序設(shè)計 本儀器架構(gòu)的 MCU 配合硬件電路完成控制傳送、程控放 大等任務(wù)，大大減小了硬件設(shè)計的復(fù)雜度和成本。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化模 擬 通 道 參 數(shù) 設(shè) 定 ？進 量 程 轉(zhuǎn) 換 子 程 序信 號 采 集 子 程 序處 理 數(shù) 據(jù)顯 示 結(jié) 果YN 圖 31 整體固件流程 MCU 除了要處理 USB 的控制指令，還要完成脈搏的程控放大功能，當主機發(fā)出擴大或縮小量程的指令 給設(shè)備時， MCU 首先對接收到的指令進行解析，得知是轉(zhuǎn)換量程的指令后，程序跳轉(zhuǎn)到量程轉(zhuǎn)換子程序，控制模擬開關(guān) 各通道的轉(zhuǎn)換。每來一個周期的脈搏脈沖，便啟動計數(shù)中斷，從而測量并計算脈搏跳動的頻率與次數(shù)。 信號采集子程序流程圖如圖33 所示。其良好的擴展性主要表現(xiàn)在： VB 除了可以直接使用自定義控件和第三方提供的控件，還可以在其他語言環(huán)境（如Borland C++， Visual ++）中根據(jù)需要制作自己的控件。 信 號 采 集子 程 序 入 口初 始 化設(shè) 置 2MHz時 鐘 信 號開 定 時 器 0計 數(shù) 器 1是 否 處 于 檢 測 ？關(guān) 定 時 器 0， 計 數(shù)器 1返 回定 時 60sNY上 升 沿 觸 發(fā)計 數(shù) 器 +1 圖 33信號采集子程序流程圖 圖 34 頻率測量 來自信號處理電路的脈沖電平輸入單片機 C8051F320 的 引腳，單片機設(shè)為正跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖上升沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷T 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 并進行計時， 來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一 ；定時器中斷 主要完成一分鐘的定時功能。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采 集程序用 VB 語言編寫，完成數(shù)據(jù)傳輸、脈搏顯示、數(shù)據(jù)管理等功能。軟件的設(shè)計包括MCU 固件程序、 USB 設(shè)備驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)管理程序及軟件濾波程序。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 22 第 四 章 實驗結(jié)果與分析 23 第四章 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 儀器經(jīng)調(diào)試后，先后測量了三十人的脈搏，由于篇幅所限，現(xiàn)僅給出如下五人的脈搏波圖， 如圖 4 4 4 4 45所示 。 (3）各脈搏波的主波峰高和波形均各有特點，它反映了不同人所具有不同的心血管及血流特征。數(shù)據(jù)采集界面采用 VB編寫， 完成數(shù)據(jù)傳輸、脈搏顯示、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)管理等功能。對儀器的改進思想概括如下： (1)目前的硬件電路多采用低集成度器件的設(shè)計 ， 今后可以開發(fā)高集成度新技術(shù)的系統(tǒng)以進一步縮小體積、簡化設(shè)計、提高穩(wěn)定性和處 理速度 。再一次向她表示衷心的感謝，感謝她為學(xué)生營造的濃郁學(xué)術(shù)氛圍，以及學(xué)習(xí)、生活上的無私幫助 ! 值此論文完成之際，謹向楊老師致以最崇高的謝意 ! 在學(xué)校的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，回顧兩年多來的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，面對現(xiàn)在的收獲，我感到無限欣慰。 (3) 目前對脈 搏波的分析工作僅僅是簡單的借用了第三方的脈搏分析軟件，作者對脈搏分析的理論研究還不夠透徹。 整個硬件電路密封在指夾內(nèi)，儀器具有體積小、使用攜帶方便，性價比高等優(yōu)點