【正文】 需求分析預(yù)采集操作是指用戶不必等到感到不適時才進(jìn)行按鍵采集，而是可以一直不斷的進(jìn)行心電信號的采集，待用戶按鍵進(jìn)行采集時，不僅將當(dāng)前的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，而且可以將預(yù)采集存儲器的心電數(shù)據(jù)一并進(jìn)行保存，從而更加有利于醫(yī)院的診斷。根據(jù)預(yù)采集操作的特點，決定了預(yù)采集存儲器須滿足以下特性:(l)有一定的存儲容量，約為20~40KB。根據(jù)臨床應(yīng)用要求，預(yù)采集存儲器要保存大約5~10秒的心電數(shù)據(jù)。因為實時采集時的數(shù)據(jù)量最大為500OB/s，所以要求預(yù)采集存儲器要有一定的存儲容量。(2)要有一定的讀寫速度。要實現(xiàn)實時采集，預(yù)采集存儲器讀寫速度比須能夠跟隨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度，即能夠?qū)⒆畲髎000B/:的數(shù)據(jù)量寫入到預(yù)采集存儲器。(3)要有很高的壽命。因為預(yù)采集操作要進(jìn)行頻繁的讀寫操作。(4)較低的功耗。系統(tǒng)采用電池供電，因此要求外擴的芯片能夠具有較低的功耗，延長系統(tǒng)待機時間。FM24C512 是一款512Kb 的非易失性存儲器，它采先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)。鐵電隨機存取存儲器或者FRAM 是非易失性的，它執(zhí)行讀、寫操作與RAM 是相似的。它提45年的數(shù)據(jù)保存時間，同時消除了由EEPROM 和其他非易失性存儲器導(dǎo)致的復(fù)雜性，開銷和系統(tǒng)級別可靠性問題。FM24C512 以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立即開始無需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。另外，F(xiàn)M24C512 具有比EEPROM 高得多的寫操作次數(shù)。而且，因為寫操作不需要在內(nèi)部提升寫電路的電源供電電壓，所以，在寫操作過程中，F(xiàn)RAM 比EEPROM消耗的功率要低得多。FM24C512 的這些功能使得它非常適合用在需要頻繁或快速寫操作的非易失性存儲器應(yīng)用中。舉例說明，它可用在從數(shù)據(jù)采集到需要工業(yè)控制的各種應(yīng)用中，在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，對寫入數(shù)據(jù)的頻率要求很高；在需要工業(yè)控制的應(yīng)用中，太長時間的EEPROM 寫會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。FM24C512 將這兩種特性結(jié)合在一起，使系統(tǒng)具有更快的寫操作速度和更少的系統(tǒng)開銷。FM24C512原理框圖512Kb 鐵電非易失性RAM組織結(jié)構(gòu)為 65，5368 位讀/寫次數(shù)為1010 次45 年的數(shù)據(jù)保存時間NoDelay?寫操作先進(jìn)的高可靠性鐵電處理技術(shù)快速兩線串行接口最高總線頻率高達(dá) 1MHz支持以前的 100kHzamp。400kHz 時鐘頻率低功耗操作作電壓：5V工作電流(100kHz)：250μA待機電流：120μA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)溫度：－40℃到＋85℃8 腳“環(huán)保”/RoHS EIAJ SOIC 封裝FM24C512性能介紹FM24C512是一款512Kb的非易失性存儲器，它采用先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)。鐵電隨機存取存儲器或者FRAM是非易失性的，它執(zhí)行讀、寫操作與RAM是相似的。它提45年的數(shù)據(jù)保存時間，同時消除了由EEPROM和其他非易失性存儲器導(dǎo)致的復(fù)雜性開銷和系統(tǒng)級別可靠性問題。FM24C512以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立即開始無進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢。另外，F(xiàn)M24C512具有比EEPROM高得多的寫操作次數(shù)。而且，因為寫操作不需要在內(nèi)部提升寫電路的電源供電電壓，所以，在寫操作過程中，F(xiàn)RAM比EEPROM消耗的功率要低得多。FM24C512的這些功能使得它非常適合用在需要頻繁或快速寫操作的非易失性存儲器應(yīng)用中。舉例說明，它可用在從數(shù)據(jù)采集到需要工業(yè)控制的各種應(yīng)用中，在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，對寫入數(shù)據(jù)的頻率要求很高；在需要工業(yè)控制的應(yīng)用中，太長時間的EEPROM寫會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。FM24C512將這兩種特性結(jié)合在一起，使系統(tǒng)具有更快的寫操作速度和更少的系統(tǒng)開銷。FM24C512使用兩線協(xié)議，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8腳EIAJ SOIC封裝。Ramtron的“環(huán)?！狈庋b符合RoHS要求。工業(yè)操作溫度范圍為－40℃到＋85℃。管腳描述引腳序號類型 描述A1，A2輸入地址1，2：這些管腳用于選擇同根兩線總線上的同種類型的4個器件中的一個。為了選擇器件，兩個管腳上的地址值必須與器件地址含有的相應(yīng)位匹配。地址管腳內(nèi)部下拉。WP輸入寫保護：當(dāng)WP為高電平時，不能對存儲器進(jìn)行寫操作。當(dāng)WP為低電平時，可以對存儲器進(jìn)行寫操作。該管腳內(nèi)部下拉。SDAI/O串行數(shù)據(jù)/地址：這是用于轉(zhuǎn)移兩線接口的串行數(shù)據(jù)和地址的雙向輸入線。它采用漏極輸出且與兩線總線上的其它器件進(jìn)行“線或”操作。輸入緩沖器結(jié)合了施密特觸發(fā)器以提高抗干擾性，并且輸出驅(qū)動器具有下降沿的斜率控制的功能。該管腳需要有一個上拉電阻。SCL輸入串行時鐘：兩線接口的串行時鐘。數(shù)據(jù)在時鐘下降沿時從器件移出，在上升沿時移入。SCL輸入也和施密特觸發(fā)器結(jié)合來提高抗干擾性。VDD供電電源電壓：5VVSS供電地 USB接口電路設(shè)計C8051F340是美國Silicon Lab公司最新研制的一款USB FLASH型單片機,其芯片內(nèi)部集成了一個完全符合USB2. 0規(guī)范的USB功能控制器機具有低功耗與功能集成的優(yōu)點。內(nèi)部集成有A /D、比較器、I2 C、SP I、UART、晶振、基準(zhǔn)源等硬件。CPU時鐘可以到48MHz,內(nèi)置64KB Flash存儲器和5 376 bytes的RAM內(nèi)存。C8051F340內(nèi)部集成的USB功能控制器,用于實現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備。USB功能控制器由串行接口引擎SIE、USB收發(fā)器、1KB FIFO存儲器和時鐘恢復(fù)電路組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1　USB硬件結(jié)構(gòu)框圖　　USB功能控制器提供了1對主控制端點和3對輔助端點,支持控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和同步傳輸。在單片機系統(tǒng)中,對USB寄存器的訪問是通過8051核中的兩個特殊功能寄存器:USB地址寄存器和USB數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)。2.　USB接口電路設(shè)計USB接口電路如圖2所示。圖2　USB接口連接電路圖對于USB 接口設(shè)備來說,共有兩種供電方式: 總線供電和設(shè)備自供電。設(shè)計時選擇USB設(shè)備自供電方式。 整個采集系統(tǒng)需要一個電源為其提供工作能源。本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境未便攜移動式，只能采用電池供電方式。為了獲得較好的心電信號放大，需要電源系統(tǒng)為心電放大電路提供正負(fù)比較對稱的具有較低紋波的直流電壓。而微控制器工作同樣需要為其提供直流工作電源。同時，為了整個系統(tǒng)的可靠工作，在電池電壓降低到一定程度時，提供報警功能，同時關(guān)閉整個系統(tǒng)的供電，確保數(shù)據(jù)采集的有效性。為此，電源系統(tǒng)包括三組電源，分別是:DVcc:用于微控制器的數(shù)字系統(tǒng)供電直流電壓(+)，保證必要的輸出電流。AVcc:用于心電放大電路的正電壓源(+)，要求較低紋波，保證必要的輸出電流。AVee:用于心電放大電路的負(fù)電壓源()，同樣對輸出紋波有要求，同時提供足夠的工作電流。電源系統(tǒng)需要電池電壓過低時報警功能，微控制器在獲得電壓低信號時，記錄電池電壓低的時刻并關(guān)斷整個系統(tǒng)的供電電路，保證系統(tǒng)安全及采集數(shù)據(jù)的有效性。電源是整個系統(tǒng)的心臟，電源的好壞直接影響著整個系統(tǒng)能否安全、正常、可靠地運行。對于不同的系統(tǒng)和不同的工作場合，所需要的電源種類與對電源的輸入和輸出指標(biāo)都有著不同的要求。本采集系統(tǒng)中的各個單元都需要直流電源供電，其中……模擬放大電路提供電源。 3V電池升5V穩(wěn)壓電路供電電路的組成心電信號采集系統(tǒng)由兩節(jié)5號干電池供電，整個系統(tǒng)對電源的要求是:為微控制器供電的DVoc:為心電信號放大電路供電的AVcc和AVee同時，需要對供電的電池進(jìn)行檢測，在電池完全放電之前，給出指示或LcD顯示。供電電流的估算，對整個放大電路的電流消耗作初步的估算，為供電電路的輸出電流的設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)。放大電路部分的用電器件主要為運算放大器，總共有9個輸入緩沖放大器，8個通道的儀表放大器，8個通道的中間級放大器和8個通道的電平調(diào)整放大器。輸入緩沖放大器:器件選用LM4250，根據(jù)資料112]，標(biāo)準(zhǔn)條件下，每個器件的供電電流小于90“A，9個器件，供電電流約為lmA。儀表放大器:器件選用INA126，根據(jù)資料1131，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，每個器件的工作電流小于175協(xié)A，8個器件，供電電流約為2耐。中間級放大器與電平調(diào)整放大器:器件采用LT6olZ，根據(jù)資料1，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，每個放大器的工作電流小于 330pA，共16個，供電電流約為7mA。其他的電阻消耗電流估計為5mA。因此，心電放大電路的工作電流估計為15mA，為安全可靠，電源進(jìn)行冗余50%，分別提供25InA。微控制器電路中包含單片機， Flashram，USB電路，LCD顯示電路，發(fā)光二極管指示電路。根據(jù)資料，C8051F342的工作電流在1mA以內(nèi)，通過對工作頻率，外圍模塊的關(guān)斷等控制，可進(jìn)一步降低功耗。 Flashram采用FM24C512，根據(jù)資料在編程寫入時的最大電流為30InA。USB接口電路采用OP07，根據(jù)資料工作時的最大電流為3olnA 。LCD模塊的電流消耗分為邏輯部分4mA和LCD部分的3mA微控制器部分總的電流約1+30+3+4=38mA。為了安全可靠工作，電源系統(tǒng)為微控制器部分提供的DVcc輸出電流為45mA。 心電信號采集系統(tǒng)的供電電路組成框圖微弱的心電信號要求采集系統(tǒng)有較高的靈敏度，而高靈敏度對于干擾信號也會更加敏感。人體本身是電的良導(dǎo)體，而且體積“較大”，難以屏蔽而且很容易受到電磁波的干擾。工頻5OHz為人體所攜帶。因此系統(tǒng)存在干擾是一個不期望出現(xiàn)但又確實存在的事實?？垢蓴_和低噪聲是本系統(tǒng)硬件設(shè)計的一個基本目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)充分分析干擾形式及應(yīng)對措施! .電極噪聲和電磁場干擾電極由于和電解質(zhì)或體液接觸，在金屬界面上會產(chǎn)生極化電壓，極化電壓疊加在信號上形成干擾。另外，各種頻段的無線電廣播、電視發(fā)射臺、通訊設(shè)備、雷達(dá)等的工作，使空氣中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過測量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入，可能引起測量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會使測量系統(tǒng)不能工作，必須加以抑制。.共模信號干擾采集心電信號時各個導(dǎo)聯(lián)線距離很近，因此在有外界電磁場存在的情況下，各個導(dǎo)聯(lián)線上都會感應(yīng)到相同的信號(同頻、同相、等幅)，這種信號稱為共模信號。如果共模信號通過兩條或多條不同的路徑進(jìn)入地線就形成了共模干擾。共模信號的強度可遠(yuǎn)大于心電信號，從而干擾對心電信號的采集。.50Hz工頻干擾工頻5OHz干擾為人體所攜帶，室內(nèi)的電源及各種電器基本上采用50Hz交流供電，因此這些電器會輻射出5OHz的電磁波。人體是電的良導(dǎo)體，與測量設(shè)備的電源線之間會形成電容藕合，以位移電流的形式引入。5OHz工頻干擾是最普遍也是最嚴(yán)重的干擾形式。.測量儀器本身造成的干擾測量電子設(shè)備本身也會產(chǎn)生儀器噪聲，這種噪聲是由進(jìn)行信號處理的電子裝置內(nèi)部電子元件所產(chǎn)生，這類干擾一般具有較高的頻率特性，容易通過低通濾波加以濾除。在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，我們從以下幾方面考慮提高系統(tǒng)的抗干擾能力:(l)盡量選取高性能、低噪聲的集成電路元件，采集心電信號的時候，采用極化電壓很小的電極和導(dǎo)電膏以減少噪聲拾取。(2)增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把他們隔離。(3)心電儀采用直流供電，處理好電源干擾，利用電容和磁珠組成:形濾波電路，要求不很高時也可用IOOQ電阻替代磁珠。(4)本系統(tǒng)采用獨立的心電采集模塊，A心轉(zhuǎn)換直接在模塊內(nèi)完成，并以數(shù)字化的形式把心電信號傳送給心電圖儀，因為獨立的心電采集模塊不依賴于外界的參考電位點，因此幾乎完全排除了共模信號。(5)未使用的FO接口不要懸空，可接地或接電源，其他集成電路的閑置端在不改變邏緝的情況下也應(yīng)該接地或者接電源。((，、在滿足功能需求的情況下，盡量降低處理器的工作頻率。(/。在軟件中把看門狗定時器例程與別的代碼互相獨立，建議專門把某個嵌入式操作系統(tǒng)任務(wù)用于操作看門狗定時器，這個任務(wù)要有比其它監(jiān)控任務(wù)更高的優(yōu)先級本章從模擬部分和數(shù)字部分兩方面對系統(tǒng)硬件進(jìn)行分析和設(shè)計，在模擬部分主要針對心電信號的特點進(jìn)行設(shè)計，而在數(shù)字部分則以C8051F342為核心，進(jìn)行USB接口傳輸?shù)确矫娴脑O(shè)計。  4系統(tǒng)軟件設(shè)計在系統(tǒng)硬件設(shè)計調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)同步心電信號采集器的功能要求，進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計。本文在 Silicon Laboratories IDE 開發(fā)平臺上運用 Keil C51 語言進(jìn)行了系統(tǒng)軟件的開發(fā)工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括各接口驅(qū)動程序的設(shè)計，數(shù)據(jù)采集存儲程序的設(shè)計，USB接口驅(qū)動程序的設(shè)計等。軟件設(shè)計原則在設(shè)計便攜式數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)時，應(yīng)充分保證該系統(tǒng)具有可靠、易操作、功能完整和可擴充性好的特點。具體說來，便攜式數(shù)據(jù)采集分析儀表的軟件系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾個原則：(1) 可靠性原則(2) 完整性原則(3) 易操作原則(4) 可擴充原則為了保證軟件開發(fā)活動的高質(zhì)量必須確定軟件開發(fā)的宏觀過程模型，即開發(fā)軟件項目的總體過程思路。隨著軟件工程技術(shù)的不斷發(fā)展，在軟件開發(fā)實踐中，出現(xiàn)了許多新的或改進(jìn)的軟件開發(fā)過程模型，較常見的有：瀑布模型、原型模型、噴泉模型、螺旋模型等。由于本同步心電信號采集器所需的軟件設(shè)計較簡單，并且軟件需求明確、設(shè)計方案確定，所以采用最傳統(tǒng)的最早的軟件開發(fā)模型即瀑布模型，其示意圖如下：軟件設(shè)計時期的目標(biāo)是設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)、算法和實現(xiàn)方案，為軟件編碼提供設(shè)計依據(jù)和算法。軟件設(shè)計是軟件生存周期中工作量大、最關(guān)鍵的時期之一。技術(shù)含量較高的部分往往都是在這個時期內(nèi)解決的（如某些關(guān)鍵算法、關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義等），它為以后的編碼實現(xiàn)做了算法上和結(jié)構(gòu)上的準(zhǔn)備。軟件需求分析解決了“系統(tǒng)必須做什么”和“必須具有什么樣的功能”，那么軟件設(shè)計時期就是要解決“如何去完成這些功能”問題。一般地，軟件設(shè)計又分為兩個階