【文章內(nèi)容簡介】 提升，如圖 。本電路輸入信號 頻率 為 50Hz，基線為 0V，峰峰值 為 2V的正弦波。 改變滑動電阻 的位置，調(diào)整輸出電壓 ，仿真分析如圖 所示。 電壓 輸出的計算方法為： 12 5 7 3 6 7 3i SSDDo UVVURR R R R R R R??? ? ???? ? ? ??? (27) 圖 電平提升仿真電路 圖 時域 仿真分析 結果 第二章 系統(tǒng)設計與計算機仿真 7 模數(shù)轉換電路 模數(shù)轉換電路使用軟件 進行仿真。 生物信號經(jīng)過放大處理后，若要送入計算機進行存儲、顯示等操作，必 須 要進行數(shù)字化轉換，即將模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉換，轉換成數(shù)字信號。本電路 使用 ADC0832 作為模數(shù)轉換芯片。參考電壓 REF 為 5V，因此 ADC0832 的最小電壓分辨率為REF/255。當輸入電壓為 4V時，經(jīng)模數(shù)轉換后為 0xCC， 0xCC 的十進制為 204， 204* REF/255≈4V，轉換正確。當輸入電壓為 ，經(jīng)模數(shù)轉換后為 0x80， 0x80的十進制為 128， 128* REF/255≈，轉換正確。 轉換結果使用 8 個 LED 來顯示， LED發(fā)亮的為高電平，左邊為最高位。 如圖 。 圖 模數(shù)轉換 仿真 體溫采集與顯示 、報警 電路及 仿真 體溫信號采集使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來獲取體溫值。 Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20是世界上第一片支持 “一線總線 ”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。 DS18B20 測量溫度范圍為 55176。C~+125176。C，在 10~+85176。C 范圍內(nèi) ,精度為 177。176。C。 溫度值顯示方面是使用了 集成化的串行輸入 /輸出共陰極顯示驅動器 MAX7219，它連接微處理器與 8 位數(shù)字的 7 段數(shù)字 LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者 64 個獨立的 LED。其上包括一個片上的 B 型 BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅動器，而且還有一個 8*8 的靜態(tài) RAM 用來存儲每一個數(shù)據(jù)。只有一個外部寄存器用來設置各個 LED 的段電流。 體溫信號采集、顯示與過熱報警 電路使用軟件 進行仿真。 體溫測量電路使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20來獲取人體體溫信號。 DS18B20 只需用一根數(shù)據(jù)線與單片機連接就可以完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。 DS18B20正常工作時， LED 發(fā)光。系統(tǒng)上電復位完成后 ，可以設定報警溫度，也可以不 設定，不設定時，溫度預設定為 ℃ 。 當按下開始工作按鈕時，數(shù)碼管就會顯示預設報警溫度和當前人體溫度。 如圖 所示， DS18B20上顯示為 ℃ ，報警溫度設定為 ℃ ，獲取溫度大第二章 系統(tǒng)設計與計算機仿真 8 于報警溫度，危險警告燈 LED_D 發(fā)光。 圖 體溫信號采集、顯示與過熱報警仿真 無線模塊設計 數(shù)據(jù)的無線發(fā)送與無線接收是使用了無線射頻芯片 nRF401。 nRF401是一個為 433MHz ISM 頻段設計的真正單片 超高頻 無線收發(fā)芯片它采用 頻移鍵控 調(diào)制解調(diào)技術。 超高頻 (UHF Ultra High Frequency) 分米 波段 UHF波段是指頻率為 300~3000MHz的特高頻無線電波。 nRF401含有兩個頻道，分別是 和 。本設計采用 作為發(fā)送接收頻道 。頻移鍵控（ FSKFrequency shift keying）是用數(shù)字信號去調(diào)制載波的頻率。是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式 ,它的主要優(yōu)點是 : 實現(xiàn)起來較容易 ,抗噪聲與抗衰減的性能較好。在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應用。 nRF401 最高工作速率可以達到 20kbit/s，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是 +10dBm。天線接口設計為差分天線以便于使用低成本的 PCB天線 。 nRF401 還具有待機模式，這樣可以更省電和高效。 nRF401 的工作電壓范圍可以從 ~5V。 nRF401的發(fā)送與接收處理： 在系統(tǒng)上電復位后， nRF401首先要進行初始化，使 nRF401 進入到發(fā)射模式。當脈搏數(shù)據(jù)與體溫數(shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)發(fā)送格式為（ 0xFF， 0xAA， 0x， 0x， 0x），前兩個字節(jié)是接收模塊確認接收數(shù)據(jù)正確的標識位。第三個字節(jié)是脈搏數(shù)據(jù)，第四個字節(jié)體溫數(shù)據(jù)的高 8 位，第五個字節(jié)是體溫數(shù)據(jù)的低 8 位。當發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，接收模塊是以串行中斷的方式來接收數(shù)據(jù)的。如果連續(xù)接收到的數(shù)據(jù)為 0xFF、 0xAA，程序就會繼續(xù)接收后面的三個字節(jié)數(shù)據(jù)，如果標識碼錯誤，程序就會結束當前中斷，等待下一次的中斷。 第三 章 上位機軟件設計 9 第三章 上位機軟件設計 利用 LabView 設計串行通信程序 LabView 是實驗室虛擬儀器工程工作臺（ Lab Virtual Instruments Engineering Workbench）的簡稱，是美國國家儀器公司（ National Instruments）開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，它的功能強大靈活，可以廣泛應用于自動測量系統(tǒng)、工業(yè)過程自動化、實驗室仿真等各個領域。 LabView 使用圖形化編程語言，簡單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時間，同時 LabView 可提供豐富的庫函數(shù)和功能模塊，可完成各種各樣的復雜編程任務。 本系統(tǒng) 程序使用 來編寫。此系統(tǒng) 在軟件上的設計具體有三 個模 塊，分別是：串行通信模塊、脈搏波形顯示模塊、體溫值計算與 顯示模塊。 串行通信 模塊 程序使用 LabView 中的 VISA串口系列的子 VI 來編寫。 VISA 是應用與儀器編程的標準 I/O 應用程序接口（ API）， VISA 本身并不具有儀器編程能力， VISA 是調(diào)用底層驅動器的高層 API。與串口通信有關的 VISA的子 VI 如圖 所示。 圖 VISA串口系列子 VI 串行通信模塊在設計上使用了 VISA 串口系列中的四個子 VI，分別是： VISA Configure Serial Port、 VISA 讀取、 VISA 清空 I/O 緩沖區(qū)、 VISA 關閉。在 LabView 中操作串口時，首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port 完成串口的參數(shù)設置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控制。本模塊中，串口資源名稱會自動檢測可用的 IO串口，波特率使用了枚舉變量來提供選擇，以滿足不同傳輸速度的要求。由于 nRF401射頻芯片的最大發(fā)射速度為 20kb/s，所以此模塊將波特率為 19200 作為默認選項。而數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控制不作處理。以上設置如圖 所示。 圖 VISA Configure Serial Port 串口的參數(shù)設置 第三 章 上位機軟件設計 10 當設置好串口參數(shù)后就可以讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi) 的數(shù)據(jù)。 VISA 讀取 VI 每次讀取三個字節(jié)的數(shù)據(jù)，因為無線發(fā)送模塊每次發(fā)送字節(jié)流為 0x55， 0xFF， 0x， 0x， 0x， 0x55 和 0xFF 為識別碼。無線接收模塊使用串行中斷來接收數(shù)據(jù)，當確認識別碼正確的時候，處理器就認為本次串行中斷有效，開始接收識別碼后面的三個字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為脈搏數(shù)據(jù)，第二個字節(jié)數(shù)據(jù)為體溫數(shù)據(jù)的高 8 位，第三個字節(jié)數(shù)據(jù)為體溫數(shù)據(jù)的低 8 位。 經(jīng)過 VISA 讀取 VI 讀取出來的數(shù)據(jù)為字符串數(shù)據(jù)，所以要通過字符串至字節(jié)數(shù)組和無符號單字節(jié)整型的轉換。三個數(shù)據(jù)經(jīng)過轉換后就存放到索引 數(shù)組里面，等待下一級的處理。 VISA 讀取 VI 每經(jīng)過一次讀取操作后， VISA 清空 I/O 緩沖區(qū)子 VI 都會將接收緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清空，這樣就能夠顯示動態(tài)的數(shù)據(jù)。當清空緩沖區(qū)操作結束后， VISA 關閉 VI 就會結束本次通信會話。 以上說明如圖 所示。 圖 讀取數(shù)據(jù)及后續(xù)相關操作 脈搏波形顯示模塊 為了能夠顯示脈搏波形，必需對經(jīng)過串行通信模塊所傳輸過來的數(shù)據(jù)作進一步的處理。根據(jù)上一步的處理，已經(jīng)將所需要的數(shù)據(jù)存放到了索引數(shù)組里面。從索引數(shù)組里讀出索引值為 0 的元素。無符號單字節(jié)整型數(shù)據(jù)范圍為 0~255， 因 此要將數(shù)據(jù)轉換相對應的電壓值以作進一步的處理。 數(shù)據(jù)轉換成相對應電壓數(shù)值的步驟如下：首先讀取一個數(shù)據(jù)（例如所讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)為 0xCC，無符號單字節(jié)整型值為 204）， ADC0832 是一個 8 位逐次逼近式的模數(shù)轉換器件，轉換后能表示的數(shù)值最大為 255。 ADC0832 的參考電壓為 5V，電壓值的最少分辨率為 5V/255≈，所以 0xCC所表示的電壓值為： 204*5/255=4V， 經(jīng)轉換后的數(shù)值存放到移位寄存器中。 在 LabView 中使用 XY 圖來顯示波形數(shù)據(jù)。實現(xiàn)波形顯示的方法如下：首先讀取移位寄存器中的數(shù) 據(jù)個數(shù) K，然后使用一個 for 循環(huán)結構選擇所需要的數(shù)據(jù)個數(shù) N， KN1 得出將要顯示的數(shù)據(jù)的開始索引值。例如現(xiàn)在的移位寄存器中有數(shù)據(jù)（ 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7）， for 循環(huán)的值為 2， KN1=4，所以得出索引值為 4。接著使用一個數(shù)組子集，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)轉換成一維數(shù)組，數(shù)組長度為 for 循環(huán) N 的引出值，數(shù)組索引為 KN1 的值，然后將數(shù)組子集的輸出端接至貝塞爾數(shù)字濾波器第三 章 上位機軟件設計 11 的輸入端，貝塞爾數(shù)字濾波器輸出端與 for 循環(huán)的 i 的輸出端捆綁起來至 XY 圖的輸入端， XY 圖引出屬性節(jié)點來調(diào)節(jié)電壓值。這樣波形就可以顯示出來 了。 程序框圖如圖 所示。 圖 脈搏波形顯示模塊程序框圖 體溫值計算與顯示模塊 從串行通信模塊中的索引數(shù)組中讀取索引值為 1 和 2 的元素，索引值為 1 和 2 的元素再轉換成無符號雙字節(jié)整型。體溫數(shù)據(jù)是由兩個字節(jié)組成的，索引值為 1 的元素是體溫數(shù)據(jù)的高 8 位，索引值為 2 的元素為低 8 位。所以要將索引值為 1 的元素左移 8 位，然后與低 8 位相加，變成一個雙字節(jié)數(shù)據(jù) L。數(shù)字溫度傳感器 DS18B20的最小溫度分辨率為 ，所以溫度值 Value = L*（雙字節(jié)數(shù)據(jù)被強制轉換成雙精度浮點型數(shù)據(jù)）。之后再 將溫度值的十位、個位、分位分別計算出來，最后分別與已經(jīng)設計好的數(shù)碼管 顯示器 （數(shù)碼管顯示器總共有 10 個顯示數(shù)字，范圍為 0~9，程序框圖及外觀 如圖 所示） 連接 ， 這樣溫度值就可以顯示出來了。 模塊程序框圖如圖 所示。 圖 數(shù)碼管顯示器程序框圖 及 外觀 第三 章 上位機軟件設計 12 圖 體溫值計算與顯示模塊程序框圖 第四 章 系統(tǒng)模塊電路調(diào)試 13 第四章 系統(tǒng)模塊電路調(diào)試 脈搏信號采集 與 模塊電路 調(diào)試 脈搏波傳感器的種類很多，就其基本原理來分，大體有三種：液體傳導式、接觸傳導式、光傳導式。我們經(jīng)常使用的是接觸式和光導式。 光導式脈搏傳感器是采用光電傳感器測 量指端容積脈搏波，可分為透射式和反射式兩種，容積脈搏波信號采集多用投射型光電傳感器。透射測量方式如圖 左圖所示，傳感器的發(fā)光管和光敏接收器件置于所測量組織相對的兩側，入射光穿過皮膚進入深層組織，除被皮膚、肌肉、血液等吸收外，有一部分由于血液的漫反射回去，剩余部分則投射出來被光敏傳感器件接收，它適合于測量兩面距離比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等。本設計所使用的脈搏波傳感器為光導式傳感器，如圖 右圖所示。 圖 脈搏波透射式測量方法與光導式脈搏傳感器 主放大電路 調(diào)試 使用數(shù)字信號波形發(fā)生器產(chǎn)生 一個頻率為 20Hz，基線為 0V，峰峰值為 2V的正弦波。 在示波器中， CH1 為輸入信號， CH2 為輸出信號。輸入信號 CH1 經(jīng)過主放大電路后，電壓放大倍數(shù)為 VPP（ 1） /VPP（ 2） ≈3。根據(jù)反相比例放大電路的電壓放大倍數(shù)公式計算所得出的理論結果與實際結果相接近，為了能夠更靈活地調(diào)節(jié)電壓 的輸出，反饋電阻使用了滑動變阻器以根據(jù)實際需要來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 調(diào)試結果如圖 所示。 圖 主放大電路實際調(diào)試結果 圖 50Hz 陷波器電路實際調(diào)試結果 第四 章 系統(tǒng)模塊電路調(diào)試 14 50Hz 陷波器電路調(diào)試 使用數(shù)字信號波形發(fā)生器 產(chǎn)生一個頻率為 50Hz，基線為 0V，峰峰值為 2V的正弦波。在示波器中， CH1 為輸入信號， CH2 為輸出信號。輸入信號 CH1 經(jīng)過 50Hz 陷波器后，輸出信號 CH2 輸出波形衰減倍數(shù)為 VPP（ 1） /VPP（ 2） ≈5。 實際電路調(diào)試的結果與理論仿真結果相符，滿足設計要求。調(diào)試結果如 圖 所示。 電平提升電路 調(diào)試 使用數(shù)字信號波形發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為 50Hz，基線為 0V，峰峰值為 2V的正弦波。在示波器中， CH1 為輸入信號， CH2 為輸出信號。調(diào)節(jié)反向輸出端的滑動變阻器，使輸出信號 CH2 的波形基線往上移，波形的輸出成分全為正 電壓，以滿足 AD 轉換的要求。此電路的實際調(diào)試結果與理論仿真結果相符合，滿足電路設計需要。調(diào)試結果如圖 所示 ， 圖中 CH1輸入信號與 CH2 輸出信號的基線標識相互重疊 。 脈搏波形顯示 經(jīng)過帶通濾波器電路、主放大電路、 50Hz 陷波器電路、電平提升