【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 提升，如圖 。本電路輸入信號(hào) 頻率 為 50Hz，基線為 0V，峰峰值 為 2V的正弦波。 改變滑動(dòng)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(jì)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(shí)域 仿真分析 結(jié)果 第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真 7 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用軟件 進(jìn)行仿真。 生物信號(hào)經(jīng)過放大處理后，若要送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等操作，必 須 要進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，即將模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本電路 使用 ADC0832 作為模數(shù)轉(zhuǎn)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(dāng)輸入電壓為 4V時(shí)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后為 0xCC， 0xCC 的十進(jìn)制為 204， 204* REF/255≈4V，轉(zhuǎn)換正確。當(dāng)輸入電壓為 ，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后為 0x80， 0x80的十進(jìn)制為 128， 128* REF/255≈，轉(zhuǎn)換正確。 轉(zhuǎn)換結(jié)果使用 8 個(gè) 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(zhuǎn)換 仿真 體溫采集與顯示 、報(bào)警 電路及 仿真 體溫信號(hào)采集使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來獲取體溫值。 Dallas 半導(dǎo)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(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。 DS18B20 測(cè)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(qū)動(dòng)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(gè)獨(dú)立的 LED。其上包括一個(gè)片上的 B 型 BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè) 8*8 的靜態(tài) RAM 用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只有一個(gè)外部寄存器用來設(shè)置各個(gè) LED 的段電流。 體溫信號(hào)采集、顯示與過熱報(bào)警 電路使用軟件 進(jìn)行仿真。 體溫測(cè)量電路使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20來獲取人體體溫信號(hào)。 DS18B20 只需用一根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接就可以完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。 DS18B20正常工作時(shí)， LED 發(fā)光。系統(tǒng)上電復(fù)位完成后 ，可以設(shè)定報(bào)警溫度，也可以不 設(shè)定，不設(shè)定時(shí)，溫度預(yù)設(shè)定為 ℃ 。 當(dāng)按下開始工作按鈕時(shí)，數(shù)碼管就會(huì)顯示預(yù)設(shè)報(bào)警溫度和當(dāng)前人體溫度。 如圖 所示， DS18B20上顯示為 ℃ ，報(bào)警溫度設(shè)定為 ℃ ，獲取溫度大第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真 8 于報(bào)警溫度，危險(xiǎn)警告燈 LED_D 發(fā)光。 圖 體溫信號(hào)采集、顯示與過熱報(bào)警仿真 無線模塊設(shè)計(jì) 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(gè)為 433MHz ISM 頻段設(shè)計(jì)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(shù)。 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(gè)頻道，分別是 和 。本設(shè)計(jì)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(hào)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(diǎn)是 : 實(shí)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(yīng)用。 nRF401 最高工作速率可以達(dá)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(shè)計(jì)為差分天線以便于使用低成本的 PCB天線 。 nRF401 還具有待機(jī)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(fù)位后， nRF401首先要進(jìn)行初始化，使 nRF401 進(jìn)入到發(fā)射模式。當(dāng)脈搏數(shù)據(jù)與體溫?cái)?shù)據(jù)獲取后，數(shù)據(jù)發(fā)送格式為（ 0xFF， 0xAA， 0x， 0x， 0x），前兩個(gè)字節(jié)是接收模塊確認(rèn)接收數(shù)據(jù)正確的標(biāo)識(shí)位。第三個(gè)字節(jié)是脈搏數(shù)據(jù)，第四個(gè)字節(jié)體溫?cái)?shù)據(jù)的高 8 位，第五個(gè)字節(jié)是體溫?cái)?shù)據(jù)的低 8 位。當(dāng)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(huì)繼續(xù)接收后面的三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，如果標(biāo)識(shí)碼錯(cuò)誤，程序就會(huì)結(jié)束當(dāng)前中斷，等待下一次的中斷。 第三 章 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 9 第三章 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 利用 LabView 設(shè)計(jì)串行通信程序 LabView 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái)（ Lab Virtual Instruments Engineering Workbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instruments）開發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，它的功能強(qiáng)大靈活，可以廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、工業(yè)過程自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)室仿真等各個(gè)領(lǐng)域。 LabView 使用圖形化編程語言，簡(jiǎn)單直觀，極大節(jié)省程序開發(fā)時(shí)間，同時(shí) 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(fù)雜編程任務(wù)。 本系統(tǒng) 程序使用 來編寫。此系統(tǒng) 在軟件上的設(shè)計(jì)具體有三 個(gè)模 塊，分別是：串行通信模塊、脈搏波形顯示模塊、體溫值計(jì)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(yīng)用與儀器編程的標(biāo)準(zhǔn) I/O 應(yīng)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(qū)動(dòng)器的高層 API。與串口通信有關(guān)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(shè)計(jì)上使用了 VISA 串口系列中的四個(gè)子 VI，分別是： VISA Configure Serial Port、 VISA 讀取、 VISA 清空 I/O 緩沖區(qū)、 VISA 關(guān)閉。在 LabView 中操作串口時(shí)，首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port 完成串口的參數(shù)設(shè)置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控制。本模塊中，串口資源名稱會(huì)自動(dòng)檢測(cè)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(rèn)選項(xiàng)。而數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位和流控制不作處理。以上設(shè)置如圖 所示。 圖 VISA Configure Serial Port 串口的參數(shù)設(shè)置 第三 章 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 10 當(dāng)設(shè)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因?yàn)闊o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(shí)別碼。無線接收模塊使用串行中斷來接收數(shù)據(jù)，當(dāng)確認(rèn)識(shí)別碼正確的時(shí)候，處理器就認(rèn)為本次串行中斷有效，開始接收識(shí)別碼后面的三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，第一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為脈搏數(shù)據(jù)，第二個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為體溫?cái)?shù)據(jù)的高 8 位，第三個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)為體溫?cái)?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?dāng)?shù)據(jù)，所以要通過字符串至字節(jié)數(shù)組和無符號(hào)單字節(jié)整型的轉(zhuǎn)換。三個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后就存放到索引 數(shù)組里面，等待下一級(jí)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(huì)將接收緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清空，這樣就能夠顯示動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。當(dāng)清空緩沖區(qū)操作結(jié)束后， VISA 關(guān)閉 VI 就會(huì)結(jié)束本次通信會(huì)話。 以上說明如圖 所示。 圖 讀取數(shù)據(jù)及后續(xù)相關(guān)操作 脈搏波形顯示模塊 為了能夠顯示脈搏波形，必需對(duì)經(jīng)過串行通信模塊所傳輸過來的數(shù)據(jù)作進(jìn)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(hào)單字節(jié)整型數(shù)據(jù)范圍為 0~255， 因 此要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換相對(duì)應(yīng)的電壓值以作進(jìn)一步的處理。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)電壓數(shù)值的步驟如下：首先讀取一個(gè)數(shù)據(jù)（例如所讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)為 0xCC，無符號(hào)單字節(jié)整型值為 204）， ADC0832 是一個(gè) 8 位逐次逼近式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)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(gè)數(shù) K，然后使用一個(gè) for 循環(huán)結(jié)構(gòu)選擇所需要的數(shù)據(jù)個(gè)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(gè)數(shù)組子集，將移位寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一維數(shù)組，數(shù)組長(zhǎng)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(jī)軟件設(shè)計(jì) 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(diǎn)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(jì)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(zhuǎn)換成無符號(hào)雙字節(jié)整型。體溫?cái)?shù)據(jù)是由兩個(gè)字節(jié)組成的，索引值為 1 的元素是體溫?cái)?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(gè)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(qiáng)制轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)）。之后再 將溫度值的十位、個(gè)位、分位分別計(jì)算出來，最后分別與已經(jīng)設(shè)計(jì)好的數(shù)碼管 顯示器 （數(shù)碼管顯示器總共有 10 個(gè)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(jī)軟件設(shè)計(jì) 12 圖 體溫值計(jì)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(hào)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(dǎo)式、接觸傳導(dǎo)式、光傳導(dǎo)式。我們經(jīng)常使用的是接觸式和光導(dǎo)式。 光導(dǎo)式脈搏傳感器是采用光電傳感器測(cè) 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(hào)采集多用投射型光電傳感器。透射測(cè)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(cè)量組織相對(duì)的兩側(cè)，入射光穿過皮膚進(jìn)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(cè)量?jī)擅婢嚯x比較短的組織，如耳垂、手指、腳趾等。本設(shè)計(jì)所使用的脈搏波傳感器為光導(dǎo)式傳感器，如圖 右圖所示。 圖 脈搏波透射式測(cè)量方法與光導(dǎo)式脈搏傳感器 主放大電路 調(diào)試 使用數(shù)字信號(hào)波形發(fā)生器產(chǎn)生 一個(gè)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(hào)， CH2 為輸出信號(hào)。輸入信號(hào) 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(jì)算所得出的理論結(jié)果與實(shí)際結(jié)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(dòng)變阻器以根據(jù)實(shí)際需要來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 調(diào)試結(jié)果如圖 所示。 圖 主放大電路實(shí)際調(diào)試結(jié)果 圖 50Hz 陷波器電路實(shí)際調(diào)試結(jié)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(hào)波形發(fā)生器 產(chǎn)生一個(gè)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(hào)， CH2 為輸出信號(hào)。輸入信號(hào) CH1 經(jīng)過 50Hz 陷波器后，輸出信號(hào) CH2 輸出波形衰減倍數(shù)為 VPP（ 1） /VPP（ 2） ≈5。 實(shí)際電路調(diào)試的結(jié)果與理論仿真結(jié)果相符，滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試結(jié)果如 圖 所示。 電平提升電路 調(diào)試 使用數(shù)字信號(hào)波形發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)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(hào)， CH2 為輸出信號(hào)。調(diào)節(jié)反向輸出端的滑動(dòng)變阻器，使輸出信號(hào) 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(zhuǎn)換的要求。此電路的實(shí)際調(diào)試結(jié)果與理論仿真結(jié)果相符合，滿足電路設(shè)計(jì)需要。調(diào)試結(jié)果如圖 所示 ， 圖中 CH1輸入信號(hào)與 CH2 輸出信號(hào)的基線標(biāo)識(shí)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