【文章內(nèi)容簡介】 們所要達(dá)到的目標(biāo)。 單片機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)作為一個(gè)簡單脈搏測量儀，最后需給出脈搏波動(dòng)頻率。以單片機(jī)作為信息處理中心，通過對單片機(jī)進(jìn)行編程，完成信號輸入檢測、信息分析處理及信息顯示。（1）AVR 單片機(jī)AVR 單片機(jī) [15][16]是 ATMEL 公司生產(chǎn)的單片機(jī)。1997 年,由 ATMEL 公司挪威設(shè)計(jì)中心的 A 先生與 V 先生利用 ATMEL 公司的 Flash 新技術(shù), 共同研發(fā)出 RISC 精簡指令集的高速 8 位單片機(jī)，簡稱 AVR。相對于出現(xiàn)較早也較為成熟的 51 系列單片機(jī)，AVR 系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代 51 系列單片機(jī)。其特點(diǎn)是高速度(50ns)、低功耗,硬件應(yīng)用 Harward結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，而 MSC51 要 12 個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一條指令。AVR 單片機(jī)如 LPC2131 等。（2）凌陽單片機(jī)凌陽是臺灣凌陽公司推出的單片機(jī)，具有高速度、低價(jià)、可靠、實(shí)用、體積小、功耗低和簡單易學(xué)等特點(diǎn)，它的 CPU 內(nèi)核采用凌陽推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微機(jī)處理器芯片，以下簡稱 amp。micro。’nSP 。圍繞 micro?！痭SP 所形成的 16位 u’nSP 系列單片機(jī)，以下簡稱amp。micro?！痭SP 家族。采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以amp。micro?！痭SP 內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的 ROM PAM 和功能豐富的各種外設(shè)部件。amp。micro?！痭SP 內(nèi)核是一個(gè)通用的和結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)。以第 9 頁 共 47 頁及這種結(jié)構(gòu)可大可小可有可無，借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可成為各種系列的派生產(chǎn)品，以適合不同場合，這樣做無疑會使每種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。amp。micro?！痭SP 家族有有以下特點(diǎn)：體積小 ，集成度高，可靠性好易于擴(kuò)展。amp。micro?！痭SP 家族把各功能把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里。內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因?yàn)闇p少了各功能部件之間的連接，提高了其可靠性和抗干擾能力，另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系列的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。μ’nSPTM 家族的中斷系統(tǒng)支持 10 個(gè)中斷向量及 10 余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。高性能價(jià)格比：μ’nSPTM 家族片內(nèi)帶有高尋址能力的 ROM，靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O口，另外 μ’nSPTM 的指令系統(tǒng)提供出具有較高運(yùn)算速度的 16 位，16 位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用添加了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM 家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號處理方面既很便利又比專用的 DSP 芯片廉價(jià)。如 SPCE061 等。（3）51 單片機(jī)51 單片機(jī)是對目前所有兼容 Intel 8031 指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是 Intel 的 8031 單片機(jī)，后來隨著 Flash rom 技術(shù)的發(fā)展，8031 單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的 8 位單片機(jī)之一，其代表型號是 ATMEL 公司的AT89 系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有 51 系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51 單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。51 單片機(jī)是 INTEL 公司生產(chǎn)的。它具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，易于開發(fā)的特點(diǎn)。通用型，有總線擴(kuò)展，有較強(qiáng)的位處理功能，有全雙工異步串行通信口。但是其功能相對較少，訪問外部數(shù)據(jù)有瓶頸，作電壓范圍窄。本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)只需要對脈搏信號的波動(dòng)頻率進(jìn)行測量、計(jì)算和顯示，對單片機(jī)的要求不是很高。而對 51 單片機(jī)，本人比較熟悉，所以，本設(shè)計(jì)中選擇 51 單片機(jī)作為信息處理中心。在 51 系列單片機(jī)中，AT89 系列單片機(jī)是美國 ATMEL 公司推出的一種新型高性能低價(jià)位、低電壓低功耗的 8 位 CMOS 微型計(jì)算機(jī)。AT89S51 就是其中一款，它可以完全滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，而且，AT89S51 的價(jià)格較低。 信號調(diào)理電路的選擇信號調(diào)理電路包括對信號的放大和濾波兩個(gè)部分 [17][18]。由于傳感器輸出的電壓比第 10 頁 共 47 頁較小，在幾毫伏左右，且頻率較低，需要低噪聲，低漂移，高輸入阻抗的放大器，所以選擇使用儀表放大器。肌電干擾可能會導(dǎo)致放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏移，甚至使放大器達(dá)到飽和，所以第一級放大器的放大倍數(shù)不能太高。因此還需要另一個(gè)放大器。此外，為了濾去高頻信號和市電的干擾，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器。這部分電路的框圖如圖 所示。圖 信號調(diào)理單元框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 脈搏波動(dòng)頻率測量方案的選擇脈沖信號的頻率是指在單位時(shí)間內(nèi)由信號所產(chǎn)生的交變次數(shù)或脈沖個(gè)數(shù)，即?？梢钥闯鰷y量 fx 必須將 N 或 t 兩個(gè)量之一作為閘門或基準(zhǔn)，對另一個(gè)量進(jìn)/fxNt?行測量。對于不同的頻率范圍，有三種不同的測量方法。（1）周期測量法：適用于低頻信號。采用單片機(jī)內(nèi)的一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器周期作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號 Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關(guān)對時(shí)基進(jìn)行計(jì)數(shù)得 nx，因此被測信號周期為 ，每分鐘脈搏跳動(dòng)次數(shù)為Txns??。60/NTx?（2）多周期同步法：適用于中頻信號。其特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號不是用來填充待測信號的周期，而是與待測信號分別輸入到兩個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步計(jì)數(shù)。（3）頻率測量法：適用于高頻信號。充分利用單片機(jī)內(nèi)的兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)作為定時(shí)器，給出標(biāo)準(zhǔn)閘門信號，另一個(gè)作為計(jì)數(shù)器。人體脈搏波動(dòng)頻率一般為 60～80 次/min，其頻率成分主要分布在 0～20Hz 之間，屬于次聲，最高頻率不超過 40Hz，一般情況下為 1Hz 左右，屬于低頻信號。所以，本設(shè)計(jì)中選擇周期測量法。 單片機(jī)工作方式的選擇單片機(jī)數(shù)據(jù)傳送方式 [19]一般有以下幾種：（1）查詢方式：由于 CPU 與外設(shè)之間存在時(shí)序、速度等差異，在數(shù)據(jù)傳送前必須檢測接口狀態(tài)，探查外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。查詢方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，硬件開銷小；缺點(diǎn)是 CPU 在整個(gè)傳送過程中需要不斷檢測外設(shè)狀態(tài)，由于 CPU 的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高第 11 頁 共 47 頁于外設(shè)，因此通常處于等待狀態(tài)，工作效率很低。（2）中斷方式：CPU 無需檢測外設(shè)是否數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，不占據(jù) CPU 時(shí)間，因此CPU 與外 設(shè)并行工作，提高了 CPU 的工作效率，還滿足了外設(shè)的實(shí)時(shí)要求。本設(shè)計(jì)中，選擇中斷方式。 顯示電路方案的選擇脈搏信號經(jīng)過單片機(jī)處理，得到脈搏波動(dòng)頻率之后，需要在顯示電路中直觀地顯示出來。所以，需要選用合適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。人體脈搏信號從時(shí)域上看，是一個(gè)周期性較強(qiáng)的準(zhǔn)周期信號。脈搏波動(dòng)頻率一般為 60～80 次/min。本設(shè)計(jì)中，顯示位數(shù)較多。可以選擇 LCD 字符液晶屏來對脈搏波動(dòng)頻率信息進(jìn)行顯示。它具有：電參數(shù)(VDD= 10%,VSS=0V,Ta=25 )顯示內(nèi)容：16 字符 x 2 行字符點(diǎn)陣：5 x 8 點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式：1/16D可供型號：TN STN(黃綠模灰模黑白模)反射型帶 EL 或 LCD 背光源LCD 常用顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。（1）靜態(tài)顯示：所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口用于筆劃段字形顯示。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小，較小的電流能得到較高的亮度且字符不閃爍。靜態(tài)顯示適用于顯示器位數(shù)較少時(shí)。（2）動(dòng)態(tài)掃描顯示：所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃描） ，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。利用人的視覺暫留功能可以看到整個(gè)顯示，但必需保證掃描速度足夠快，字符才不閃爍。當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)，用靜態(tài)顯示所需的 I/O 太多，一般采用動(dòng)態(tài)顯示的方法。本設(shè)計(jì)中，顯示的脈搏波動(dòng)頻率，同時(shí)顯示脈搏次數(shù)和測試時(shí)間，選用動(dòng)態(tài)顯示。第 12 頁 共 47 頁3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，脈搏波動(dòng)頻率測量的實(shí)現(xiàn)是通過脈搏傳感器采集脈搏信息輸出電壓信號，經(jīng)信號放大電路對其進(jìn)行放大。然后，將放大后的脈搏信號經(jīng)過整形電路將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。通過對單片機(jī)進(jìn)行編程來實(shí)現(xiàn)對脈搏波動(dòng)頻率的測量和計(jì)算，并在顯示電路中直觀的顯示出來。本章對各部分電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述與分析。 一級放大電路的設(shè)計(jì)一級放大電路 [20]是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),脈搏測量儀要求在脈搏信號頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號,這要求所用的放大器必須具有低噪聲,低漂移,低失調(diào)參數(shù),高共模抑制比,高輸入阻抗,線形度小等特點(diǎn)。為了達(dá)到上述要求,并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路 [21]能滿足其要求 圖 并聯(lián)型雙運(yùn)放放大電路前兩個(gè)運(yùn)放為同向比例放大器,輸入阻抗很高,它對共模信號有很高的抑制比。由于Rx 連接于這兩個(gè)放大器的求和點(diǎn)之間,當(dāng)一個(gè)差分電壓加到醫(yī)用放大器的輸入端時(shí),整個(gè)輸入的電壓都呈現(xiàn)在 Rx 兩端。由于 Rx 兩端的電壓等于 V2V1,所以流過 Rx 的電流等于(V2V1)/Rx, 因此輸入信號將通過放大器獲得增益并且得到放大。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于：a,高共模抑制比；b,通常只需改變電阻 Rx 大小可改變增益。以上電路需要三個(gè)運(yùn)放，在調(diào)試的時(shí)候會比較復(fù)雜?，F(xiàn)在的很多儀表放大器的內(nèi)部電路與這個(gè)電路相同，而且儀表放大器都有成品可以買到,只需調(diào)整外界電阻就可以第 13 頁 共 47 頁調(diào)整放大器的放大倍數(shù)，準(zhǔn)確而且方便。以下是幾種常用的集成儀表放大器 [22][23],其主要參數(shù)如表 31表 31 三種集成醫(yī)用放大器參數(shù)器件 輸入失調(diào)電壓 輸入偏置電流 輸入失調(diào)電流 輸入噪聲AD620 50uV 13INA128 125nV 10OPA131 1mV 50pA 50pA 21脈搏信號是在強(qiáng)噪聲下的微弱信號，它對前置放大器的共模抑制比，輸入阻抗，輸入噪聲，輸入失調(diào)電壓有較嚴(yán)格的要求，由表 31 知 AD620 是最為理想的。 AD620參數(shù)如表 32 所示。表 32 AD620 參數(shù)表項(xiàng)目 規(guī)格 備注增益范圍 1～1000 只需一個(gè)電阻 就可以設(shè)定電源供應(yīng)范圍 ~ 18V低耗電量 最大供應(yīng)電流 = 可 用 電 池 供 電 ， 方 便運(yùn) 用 于 便 攜 式 器 材精確度高40ppm 的最大非線性度；最 大 偏 置 電 壓 為 50181。V ；最 大 漂 移 電 壓 ℃低訊號 1khz 時(shí) 低 輸 入 噪 聲 9nV/Hz使用場合 ECG 量 測 量 與 用 以 器 材 、 壓 力 測 量 ,V/I 轉(zhuǎn) 換資 料 拾 取 系 統(tǒng) 等AD620 的芯片引腳如圖 所示第 14 頁 共 47 頁??KG 圖 AD620 芯片引腳圖其中增益為 （31）由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮兩級放大,第一級采用 AD620,外接一個(gè) 的電阻,放大倍數(shù)由公式大約放大十倍左右。實(shí)際的一級放大電路原理圖如圖 所示。圖 一級放大電路 二階濾波器電路的設(shè)計(jì)由于脈搏信號的頻率在 左右，正常情況下不會出現(xiàn)高于 2HZ 的信號，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，用來濾去高頻信號。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的 50HZ 干擾信號，考慮到有些病人在患病時(shí)可能會出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)第 15 頁 共 47 頁計(jì)濾波器的截止頻率在 4HZ 左右，這樣不但能保證不濾去脈搏信號，而且能很好的將干擾濾去。（1）方案選擇：方案一：無源濾波器采用 RC 低通濾波器。其電路如圖 所示，特點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減太慢，選擇性較差。其幅頻特性如圖 所示。 圖 一階無源濾波圖 一階無源濾波器幅頻特性方案二：二階低通濾波器采用二階有源濾波器，通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且二階也可以達(dá)到較陡的衰減的特性。由于主要的干擾出現(xiàn)在 50HZ 左右，所以在截止頻率較低時(shí)，采用二階濾波器即可達(dá)到很好的濾波效果。二階有源濾波器的電路圖如圖 所示。其幅頻特性如圖 所示。第 16 頁 共 47 頁RCFπ21?圖 二階有源濾波器 圖 有源濾波器幅頻特性（2）參數(shù)確定電容 C 的容量宜在微法數(shù)量級以下,電阻器的阻值一般應(yīng)在幾百千歐以內(nèi)。我們現(xiàn)在設(shè)定 C1=C2=，R1=R2=100K。根據(jù) （32）可以計(jì)算出，該濾波器的截止頻率為 。符合所要達(dá)到的指標(biāo)。同時(shí)，為了更好的實(shí)現(xiàn)效果，也可以使用一些稍大的電阻，如 110K 等。（3）方案確定由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。其電路原理圖如圖 所示。第 17 頁 共 47 頁圖 二階濾波器 第二級放大電路的設(shè)計(jì)第二級放大采用同相放大器 [24],其電路圖為圖 同相放大器電路其閉環(huán)電壓增益AVF=1+