【正文】 并且本系統(tǒng)單片機(jī)的串行通信接口不能完成USB通信，因此傾向于選擇一個純粹的USB接口芯片。在進(jìn)行一個USB設(shè)備開發(fā)之前，首先要根據(jù)具體使用要求選擇合適的USB控制器。而與此同時，用戶仍能對其它地址進(jìn)行讀寫。在載入8位操作碼57H后，從SO上可以讀出1字節(jié)的狀態(tài)寄存器的值。狀態(tài)寄存器值讀取:讀狀態(tài)寄存器的值可以用來確定設(shè)備的忙閑狀態(tài)。帶有內(nèi)置擦除的緩存至主存頁的傳送:8位的操作碼(83H用于緩存1，86H用于緩存2)后跟有4位保留位，11位指定要寫入的主存頁的地址碼(PA10PA0)，和9位任意碼，在輪換時鐘SCK的控制下從SI載入。當(dāng)載入結(jié)束后，在上檢測到一個由低到高的電平跳變后，主存頁中的數(shù)據(jù)開始傳送至緩存。讀緩存結(jié)束后，上一個從低到高的電平跳變將終止讀操作。在輪換時鐘SCK的控制下，從SI載入操作碼、地址碼、任意碼。所有的指令、地址和數(shù)據(jù)都從高字節(jié)開始傳送。AT45DB041通過片選管腳使能，通過串行輸出(SO)和串行輸入(SI)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀和寫。存放在主存中的數(shù)據(jù)掉電不丟失。在綜合考慮以上要求和市場上主流產(chǎn)品后，決定選用ATMEL公司的AT45DB041芯片。AS1117的引腳排列如圖所示，各引腳功能如下:，將1腳接地，5腳甩空。 AS1117AS1117是ALPHA半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種低功耗、正電壓轉(zhuǎn)換器，其輸出電流可達(dá)800mA。其中邏輯控制單元的設(shè)計具有獨到之處，它隨時檢測輸出負(fù)壓的最大值，以保征輸出用的N溝道MOS管不會出現(xiàn)正向偏置。當(dāng)V+，此端開路；當(dāng)V+，此端接地，以改善電路的低壓工作性能；OSC(7):振蕩器外接電容或時鐘輸出端。通過該DCDC轉(zhuǎn)換器可以將正電壓輸入變?yōu)樨?fù)電壓輸出，即與的極性相反。③LBI/LBO低電池檢測。它具有一個內(nèi)置的同步整流器，不需要外接肖特基二極管，從而可以提高轉(zhuǎn)換效率和簡化外圍電路，靜態(tài)供應(yīng)電流僅為16微安。其中MAX1675是第一級升壓型DCDC轉(zhuǎn)換芯片，輸出電壓為+5V。為了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，需要一個穩(wěn)定地電源電壓?？紤]到單片機(jī)芯片的控制作用。其具體的工作時序圖如圖所示。轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存在輸出數(shù)據(jù)寄存器中，待下一個I/O CLOCK周期輸出。所用串行時鐘脈沖的數(shù)目也取決于工作的方式，從10個到16個不等，但要開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，至少需要10個時鐘脈沖。另外。 I/O周期一開始，CS為高，I/O CLOCK和ADDRESS被禁止以及DATAOUT為高阻狀態(tài)。片內(nèi)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計使器件具有高速(10微秒轉(zhuǎn)換時間)、高精度(10位分辨率、最大正負(fù)LSB線性誤差)和低噪聲的特點。片內(nèi)含有14通道多路選擇器可以選擇11個輸入中的任何一個或3個內(nèi)部自測試(selftest)電壓中的一個。TLC1543是美國TI公司生產(chǎn)的眾多串行A/D轉(zhuǎn)換器中的一種，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價格低廉等優(yōu)點，是一種高性價的A/D轉(zhuǎn)換器。因此逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。這樣逐次比較下去，直到最低位比較完為止。在開始轉(zhuǎn)換后將寄存器的最高位置1，使寄存器的輸出為100……00。為了提高轉(zhuǎn)換速度，在計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器。這時計數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的的輸出數(shù)字信號[3]。如果兩者不相等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取的這個數(shù)字量就是所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。它的缺點是需要使用很多的電壓比較器和觸發(fā)器，輸出為n位的二進(jìn)制代碼的轉(zhuǎn)換器中應(yīng)當(dāng)有個電壓比較器和個觸發(fā)器。它的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越細(xì)，精度越高。這些代碼就是A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。然后再開始下一次取樣。由于需要設(shè)計50Hz的雙T陷波器，即= 50Hz，根據(jù),若取R=10MΩ，則C=320pF。 陷波器： ()式（）中, ,。，其理想特性為矩形。查標(biāo)準(zhǔn)化巴特沃茲濾波器分母多項式表，可得二階巴特沃茲濾波器的阻尼系數(shù)為ε=，結(jié)合==C，R1=R2=R條件，由此可算得零頻增益為：== ()其中=1+ ==1+，若選取R=10kΩ，則= kΩ. 50Hz陷波器電磁干擾對于一個電路系統(tǒng)來說是不可避免的，其中影響最大的就是工頻干擾。當(dāng)選擇，時。截止頻率為： （），為后續(xù)電路以及軟件部分的處理帶來了很大方便。 正負(fù)極切換電路 高通濾波器由于只需要脈搏波信號的交流分量，所以在模數(shù)轉(zhuǎn)換前要盡量削弱其直流分量，這也正是本課題設(shè)計高通濾波器的目的所在。于是希望當(dāng)開關(guān)合上的時間正好對應(yīng)暗電流的那半個CP周期，以期作差。最后為了保證AD623同相端及反相端內(nèi)的交流信號進(jìn)入地，在AD623上連接了100pF的瓷片電容和10的電解鉭電容。采用差動方式連接電容帶來的附加作用是，降低共模電容的不平衡，有助于高頻共模抑制。電阻選擇計算公式如式（）: （）通過調(diào)節(jié)1腳和8腳間的阻抗可以調(diào)節(jié)AD623的增益，增益計算公式為: （）AD623的參考端(REF)電位用來確定零輸出電壓，當(dāng)負(fù)載與系統(tǒng)的地不明確共地時特別有用。輸出放大器用來將差動電壓轉(zhuǎn)換成單端電壓，它還對前面兩個輸入放大器輸出的共模信號起到抑制作用。⑧ AD623儀表放大器采用8腳工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，即DIP、SOIC和小型SOIC三種形式。)也能提供優(yōu)良的性能。④ AD623帶寬800kHz(G=1)，%建立時間20μs(G=10)。主要特點是:① AD623使用一只外接電阻設(shè)置增益(G)，高達(dá)1000，從而給用戶帶來極大方便。生物電信號本身是屬于高內(nèi)阻的微弱信號源，抵抗干擾的最好方法就是采用有較高輸入阻抗的放大器。為了使放大器輸入電流趨于零，需要高輸入阻抗。由于系統(tǒng)對發(fā)光管的驅(qū)動頻率為400和800Hz，那么為保證RC組成的濾波電路不會造成光敏管電流信號的失真，其截止頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于800Hz，即Hz。光敏二極管受光照產(chǎn)生的光生電流I與普通二極管的電流方向相反，I與受光光強(qiáng)的變化成正比，光敏管工作在零偏狀態(tài)。因此，我們選擇了北京光電器件廠的2CU3硅光電二極管。我們選的PNP三極管的β＝100，當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時β，則20mA/100=，()/=()V/＝，?。?0kΩ。每一時鐘周期下半周關(guān)閉光源獲得環(huán)境暗電流輸出信號，將總信號中減掉暗電流信號才為有用光信號。發(fā)光二極管驅(qū)動電路在控制信號的作用下，順序產(chǎn)生紅光、暗光、紅外光、暗光四種工作狀態(tài)，每兩個時鐘為一個周期，完成順序發(fā)射工作。調(diào)制的任務(wù)就是要把所傳輸?shù)男畔⒁孕盘栕兓癁樾问捷d到光波上去。光電接受二極管選用低噪聲，響應(yīng)速度快的硅光敏二極管。 光源類型的選擇采用選定波長的發(fā)光二極管LED，其性能介于半導(dǎo)體激光器和寬帶光譜之間，單色性和發(fā)光效率雖不及激光電源，但價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電路設(shè)計較激光器簡單。由于氧合血紅蛋白和非氧合血紅蛋白對600nm以下波長光吸光系數(shù)過大，不適宜血氧飽和度測量。AT89C55WD單片機(jī)的主要特點包括：，具備高速運行處理能力；（RISC），具有32個通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用單一累加器進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象；、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號Flash非常大，特別適用于使用高級語言進(jìn)行開發(fā)；，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時可設(shè)置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA20mA灌電流的能力；、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠；：帶，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；。眾多愛好者、老師、同學(xué)中也有不少實驗開發(fā)板供程序拷入、在線編程。 （3）中斷響應(yīng)速度快。其AT89系列是8位Flash單片機(jī)，性價比很理想、功耗低，特別適合學(xué)生做課題，是單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。在上述諸多因素中，認(rèn)為與51系統(tǒng)兼容、通用度高、與系統(tǒng)速度匹配是選擇單片機(jī)芯片時優(yōu)先考慮的性能指標(biāo)。 單片機(jī)芯片的選型在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計過程中，單片機(jī)芯片的選型是一個非常重要的環(huán)節(jié)。為了便于調(diào)試，可以在電路中設(shè)置一些跳線開關(guān)及信號探測點。C語言既能直接訪問硬件物理地址又便于模塊化設(shè)計，而且具有高度的可移植性，因此在單片機(jī)開發(fā)中應(yīng)用較廣的。本課題中硬件系統(tǒng)控制包括系統(tǒng)時序控制和外圍擴(kuò)展模塊控制。一般情況下，對于用量較大的應(yīng)用，最優(yōu)意味著能夠滿足要求并且價格最便宜；對于中等用量或較低用量的應(yīng)用，最優(yōu)則是開發(fā)工具成本、器件成本和功能之間的折中；對于很少量的應(yīng)用，最優(yōu)的要求是容易設(shè)計或開發(fā)成本最低。外圍功能電路依要完成的目標(biāo)而設(shè)計?；趩纹瑱C(jī)的系統(tǒng)基本由如下的結(jié)構(gòu)組成： 電源部分、單片機(jī)最小系統(tǒng)、外圍功能部件和存儲部分。其主要的硬件電路應(yīng)包括頻率發(fā)生器和同步時序控制電路，發(fā)光二極管驅(qū)動電路，夾指傳感器部分，同步解調(diào)放大電路，A/D數(shù)據(jù)采集電路和單片機(jī)處理系統(tǒng)[8]。單片機(jī)可以通過USB接口同PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，而后由單片機(jī)進(jìn)行處理。紅光、紅外光交替發(fā)光，由單片機(jī)模塊來完成。因為一旦血氧飽和度低于80%，被測人會很不適，應(yīng)及時到醫(yī)院就診。由圖可知，對應(yīng)的血氧飽和度變化幅度為85%100%，在此范圍內(nèi)與線性關(guān)系較好。但是實際應(yīng)用時應(yīng)注意式（）的推導(dǎo)是有條件的限制的。，可以看到，在紅光波長處。根據(jù)分析，可以得到一個起決定作用的變量，即在兩波長和條件下的吸光度變化的比值。指尖組織中動脈成分含量高，且組織耗氧量低，靜脈血氧飽和度接近動脈血氧飽和度，因而測得的血氧飽和度反映出動脈血氧飽和度。805nm處吸光量的變化反映出血紅蛋白總量的變化。人們假定光衰減量的變化完全是由于動脈容積搏動所引起的,從而就可以從光的總衰減量中除去直流成份,用余下的交流成份進(jìn)行分光光度分析,計算出動脈血的氧飽和度。下壁有一個光電檢測器將透射過手指的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號。假設(shè)波長為,光強(qiáng)為 的單色光垂直照射人體,當(dāng)透光區(qū)域動脈血管搏動時,動脈血液對光的吸收量將隨之變化,而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織成分對光的吸收是恒定不變的。針對這些問題，本課題提出了脈搏血氧儀的數(shù)字化設(shè)計思想，根據(jù)動紅外光譜的脈搏血氧檢測原理，硬件電路中不需要復(fù)雜的交直流分離電路。此技術(shù)還將廣泛應(yīng)用于到小兒病人的呼吸循環(huán)功能監(jiān)測，特別對新生兒、早產(chǎn)兒的高氧血或低氧血癥的辨認(rèn)尤其敏感。國內(nèi)的血氧制造商和科研院所等在探頭的選擇設(shè)計，探測器的選擇，信號處理算法的應(yīng)用方面作了大量的改進(jìn)，取得了不錯的效果。還有中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院和中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)研制的反射式血氧飽和度監(jiān)測儀，西安交通大學(xué)研制的數(shù)字式脈搏血氧飽和度檢測系統(tǒng)，廈門大學(xué)研制的基于PIC單片機(jī)的脈搏血氧檢測儀，南京師范大學(xué)研制的監(jiān)護(hù)用脈搏式血氧飽和度檢測模塊[17]。血氧測量除了在信號處理方面進(jìn)行創(chuàng)造性的改進(jìn)外，它們在探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、發(fā)射光源和探測器選擇與安裝、連續(xù)電纜及插接件的低噪聲處理等方面進(jìn)行相當(dāng)?shù)墓ぷ鳎@對改善血氧測量的性能有顯著成效。該公司除了具有多種形式的血氧探頭外，近年來一直致力研制新型的血氧探頭，如MAXFAST前額粘貼式傳感器。 目前世界的研究水平近年來美國設(shè)計出指環(huán)式血氧監(jiān)護(hù)儀，該設(shè)備體積小，可進(jìn)行全天24小時監(jiān)護(hù)，做到真正的實時監(jiān)護(hù)，并且在抗運動干擾方面也做出一定的成績。這種儀器從指尖或耳垂測量透射光,假設(shè)透射光光強(qiáng)的波動完全由動脈搏動產(chǎn)生,由此計算動脈血氧飽和度,從而使其逐漸進(jìn)入了工業(yè)生產(chǎn)與臨床實用階段。這種耳朵血氧計實用,準(zhǔn)確且易于調(diào)整,但是它笨重且價格昂貴,其耳承結(jié)構(gòu)復(fù)雜,病人長時間佩戴不舒適并極易損壞,這些缺點限制了耳血氧計的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是避免了上述繁瑣的調(diào)整技術(shù)，從650nm到1050nm的八個光波，提供了一些有關(guān)耳朵組織內(nèi)大量吸收物質(zhì)的一些數(shù)據(jù)。此法不能取消組織本身(如肌肉、骨骼、皮膚等)的影響，且每次測量都需繁瑣地調(diào)整。在第二個條件下，測量的信號是與組織和血液有關(guān)的光吸收。Wood采用的這種無損檢測血氧飽和度的方法在50年代成為一種最佳的方法，如Water01100A型血氧計，血氧飽和度測量范圍60100%時，精度超過177。Wood的研究成果為耳血氧計。利用氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白獨特的光譜吸收特性測量人體血氧飽和度, 可以追溯到1940年。1932年，Nicolai和Kramer這兩位科學(xué)家研制接近于現(xiàn)今使用的脈搏血氧飽和度測量儀。因此，血氧指標(biāo)是人體一個重要生理參數(shù)，監(jiān)測動脈血氧飽和度可以對肺的氧合血紅蛋白攜氧能力進(jìn)行估計。血紅蛋白是組織中氧的主要載體，它由氧合血紅蛋白()和還原血紅蛋白()組成。近年來被廣泛關(guān)注的測量技術(shù)是近紅外光譜法，它是利用血液中血紅蛋白等吸收譜在不同波長下差異來測定血氧飽和度。毛細(xì)血管中, 氧合血紅蛋白釋放氧, 為組織新陳代謝所利用, 從而還原為還原血紅蛋白。血紅蛋白是組織中氧的主要載體，它由氧合血紅蛋白()和還原血紅蛋白()組成。使用USB接口傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)血氧信號系統(tǒng)與計算機(jī)之間的通訊。系統(tǒng)時序設(shè)計主要是使得紅光發(fā)射管與紅外光發(fā)射管交替發(fā)光。同時系統(tǒng)外擴(kuò)了存儲器。根據(jù)近年來微電子技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)和現(xiàn)代信號處理技術(shù)所取得重大成就，并結(jié)合單片機(jī)技術(shù)，利用C語言軟件程序，本課題提出了基于朗伯比爾定律和雙波長法的脈搏血氧測量的原理，并且在該原理的指導(dǎo)下，設(shè)計了一套數(shù)字化脈搏血氧檢測系統(tǒng)。 畢業(yè)設(shè)計(論 文)無創(chuàng)手指式脈搏血氧飽和度測量技術(shù)系 別自動化工程系專 業(yè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)班 級5061606姓 名鄒達(dá)指導(dǎo)教師賀忠海2010 年06 月16 日