【文章內(nèi)容簡介】 圖36 設(shè)計中采用二階VCVS低通濾波器幅頻特性曲線如圖圖37所示。圖37 為幅頻特性曲線 帶通濾波器設(shè)計一般認為，～，這個范圍基本能夠涵蓋正常和異常情況下的脈搏波信號及其個體差異。為此我們將設(shè)計一個帶通濾波器來實現(xiàn)對這段頻帶范圍內(nèi)信號的采集。帶通濾波器的作用是允許某一段頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而將此頻帶以外的信號阻斷。從原理上說，將一個通帶頻率為f2的低通濾波器與一個通帶頻率為f1的高通濾波器串聯(lián)起來，當滿足條件f2f1時，即可構(gòu)成帶通濾波器，其原理示意圖如圖38所示。為此。20㏒10︱Au︱ 低通 f2 20㏒10︱Au︱ 高通 f120㏒10︱Au︱ 帶通 f1 f2圖38 帶通濾波器原理示意圖切比雪夫濾波器頻率選擇性較好，但在同樣參數(shù)要求下，其傳遞函數(shù)極點分布于橢圓上，較分布于圓周上的巴特沃斯濾波器傳遞函數(shù)極點更接近單位。選用二階巴特沃斯濾波器，濾波性能和穩(wěn)定性較好，而且涵蓋能夠正常和異常情況下的血壓信號及其個體差異。巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器輸出的脈動壓力波如圖39和圖310所示[7]。圖39 切比雪夫濾波器輸出脈動波 圖310 巴特沃思濾波器輸出脈動波從圖中可以看出切比雪夫濾波器輸出的脈動波時域包絡(luò)并不明顯，無法計算出血壓，而巴特沃思濾波器則能夠清晰的得到拋物線狀包絡(luò)。所以我們采用巴特沃思濾波器來設(shè)計帶通濾波器。（1）高通濾波器設(shè)計本設(shè)計采用巴特沃斯二階壓控電壓源高通濾波器來濾除信號中的低頻分量和直流分量，電路結(jié)構(gòu)圖如圖311所示。圖311 高通濾波器該濾波器的傳遞函數(shù)為： (311)。選定歸一化系數(shù)B=，C=1，令電路增益Avp=10，電容C3可任意取值，取C3=22181。F，由此可確定電路中各電阻電容值如下：(312) 取R5=，R6=30K，R3=，R4=，高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線如圖312所示。圖312 高通濾波器仿真所得的幅頻特性曲線（2）低通濾波器設(shè)計從高通濾波器輸出的信號還包含了大量的工頻和高頻干擾，采用低通濾波器來濾除。此處低通濾波器的設(shè)計也采用了巴特沃斯型的二階壓控電壓源濾波器。濾波器的傳遞函數(shù)和各參數(shù)之間的計算關(guān)系我們在前面已經(jīng)給出，這里不再贅述。低通濾波器電路如圖313所示。圖313低通濾波器電路，可知R7=，R8=，R9=10K，R10=150K，C6=2u，C7=22u。[8]。為以下模擬信號數(shù)字化，數(shù)字信號的處理做好了充分的準備，為設(shè)計能夠順利進行做好了基礎(chǔ)。4 單片機系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)的CPU是由單片機來實現(xiàn)的。在本系統(tǒng)中，單片機需要完成A/D轉(zhuǎn)換的控制、數(shù)據(jù)傳送的控制以及數(shù)據(jù)的運算處理等諸多功能，從性能、功耗、兼容性等各方面綜合考慮，我們選用了AT89C51單片機。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4Kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8為中央處理器和Flash存儲單元。AT89C51高性價比，能適用于各種控制領(lǐng)域。本設(shè)計采用的40引腳雙列直插封裝(DIP)的AT89C51單片機引腳分配如圖41所示。圖41 80C51單片機引腳各引腳功能如下：Vss(20)：接地。 Vcc(40)：接+5V電源。XTAL1(19)和XTAL2(18)：在使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時鐘時，則用來輸入時鐘脈沖。RST/VPD(9)：RST是復位信號輸入端。當此輸入端保持兩個機器周期(24個振蕩周期)的高電平，就可以完成復位操作。第二功能是VPD，即備用電源輸入端，當主電源發(fā)生故障，降低到規(guī)定的低電平以下時，VPD將為片內(nèi)RAM提供備用電源，以保證存貯在RAM中的信息不丟失。ALE/(30)：ALE是地址鎖存允許信號，在訪問外部存儲器時，用來鎖存由P0口送出的低8位地址信號。在不訪問外部存儲器時，ALE以振蕩頻率1/6的固定速率輸出脈沖信號。因此它可用作對外輸出的時鐘。但要注意，只要外接有存儲器，則ALE端輸出的就不再是連續(xù)的周期脈沖信號了。第二功能是用于對8751片內(nèi)EPROM編程的脈沖輸入端。 (29)：它是外部程序存儲器ROM的讀選通信號。在執(zhí)行訪問外部ROM指令的時候，會自動產(chǎn)生信號，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器RAM或訪問內(nèi)部ROM時，不產(chǎn)生信號。 EA/ VPP (31)：訪問外部存儲器的控制信號。當EA為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但當程序計數(shù)器PC的值超過0FFFH(對8051/80C51/8751)或1FFFH(對(8052)時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。第二功能VPP為對8751片內(nèi)EPROM的21伏編程電源輸入。 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口，作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門，對端口寫“1”可作為高阻輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8為雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平。此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8為雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平。此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如MOVX @DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI指令）時，P2口線上的內(nèi)容，即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容，在整個訪問期間不改變。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位I/O口。P3口能驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個LS型TTL負載。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途呈現(xiàn)的第二功能，如表41所示[8]。表41 P3口引腳第二功能端口接引第二功能RXDTXD.INT0(外部中斷 0）(外部中斷 1）T0（定時/計數(shù) 0）T1(定時/計數(shù) 1）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 時鐘及復位電路設(shè)計AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷晶體諧振器一起構(gòu)成自激振蕩，電路示意圖如圖42所示。 石英晶體時：C1，C2=40PF+10pF 陶瓷諧振器：C1，C2=40pF+10pF圖42 內(nèi)部振蕩電路示意圖 電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。對外接電容的值雖沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。~12MHz之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，晶振和電容應(yīng)可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的電容。本系統(tǒng)的時鐘電路采用內(nèi)部振蕩電路如圖43所示。C11和C12為30pF。 圖43 時鐘電路及復位電路電路圖單片機復位通過外部的復位電路實現(xiàn)。復位引腳RST通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器輸出電平有復位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復位操作所需要的信號。復位電路通常采用上電復位和按鍵復位兩種方式。本設(shè)計采用上電復位，上圖中C3為22uF，R3取1KΩ。當電源接通時只要VCC的上升時間不超過1ms，就能實現(xiàn)自動上電復位[9]。 ADC0809轉(zhuǎn)換電路及內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由于經(jīng)過低通濾波和帶通濾波得到的信號為模擬信號，單片機無法對其進行操作和處理，就需要進行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是將時間連續(xù)和幅值連續(xù)的模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的N為二進制數(shù)字輸出信號的電路。A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)一般要經(jīng)過采樣、保持、量化、及編碼4個過程。在實際電路中，有寫過程是合并進行的。本系統(tǒng)中，我們需要對袖帶壓力信號和脈動壓力信號的處理，因此選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片至少滿足兩通道輸入同時，考慮到8位的分辨率能滿足測量的精度要求，并且8位數(shù)據(jù)由于正好是一個字節(jié)處理起來很方便，因此本設(shè)計采用ADC0809逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。ADC是一種逐次比較式8路模擬輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。它性能價格比較高，市場售價較低，購買也很方便，如圖44所示。A/