本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計基于USB接口的脈搏檢測儀的設(shè)計院系名稱專業(yè)班級學(xué)生姓名指導(dǎo)教師職稱黑龍江工程學(xué)院二一二年六月THEGRADUATIONDESIGNFORBACHELORSDEGREETHEPLUSEDETECTINGINSTRUMENTBASEDONUSBINTERFACECANDIDATESPECIALTYCLASSSUPERVISORHEILONGJIANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY201206HARBIN摘要脈診是中華醫(yī)學(xué)的重要組成部分，也是中醫(yī)臨床上診斷病癥的重要手段之一，中醫(yī)脈學(xué)的許多推理雖然也有其合理的一面，但是畢竟只是一種主觀的觸覺，缺乏客觀性和科學(xué)性。因此實現(xiàn)脈診科學(xué)化是繼承開拓中醫(yī)脈學(xué)的重要途徑。本設(shè)計制作了一種基于USB接口的脈搏檢測儀，該檢測儀由硬件和軟件兩部分組成，硬件電路包括數(shù)據(jù)采集電路、放大濾波電路、控制電路及電源電路。其中數(shù)據(jù)采集部分采用的是光電脈搏傳感器；放大電路采用了AD620；濾波電路由二階有源低通濾波器構(gòu)成；控制電路選用了帶USB控制器、ADC、內(nèi)部時鐘源、具有標準CIP51內(nèi)核的微控制器C8051F320。軟件包括固件程序設(shè)計、USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計等三部分，其中固件程序、主機驅(qū)動程序由C語言編寫，數(shù)據(jù)采集程序由VB60語言編寫。該儀器同時具有使用、攜帶方便等優(yōu)點。關(guān)鍵詞脈搏；光電傳感器；低通濾波；C8051F320；USB接口ABSTRACTPULSOLOGYISANIMPORTANTCOMPONENTOFCHINESEMEDICINE,MINEWHILE,ITISONEOFTHEIMPORTANTMEANSINCLINICALDIAGNOSISOFTHEDISEASEEITHER,ALTHOUGHMANYCHINESEPULSOLOGYREASONINGHASAREASONABLESIDE,AFTERALL,ITISJUSTASUBJECTIVESENSATIONSANDISLACKOFOBJECTIVEANDSCIENTIFICTHEREFORE,TOINHERITANDPIONEERINGCHINESEPULSOLOGY,REALIZINGTHESCIENTIFICOFPULSOLOGYISVERYIMPORTANTTHEPULSETESTINSTRUMENTBASEDONUSBINTERFACEISDESIGNEDANDITCANMEASUREAPERSONSPULSEONLINE,THEHARDWAREANDTHESOFTWAREAREMADEOFITTHEHARDWAREINCLUDESTHEDATACOLLECTINGCIRCUIT,THEAMPLIFYINGANDFILTERINGCIRCUIT,THECONTROLLINGCIRCUITANDTHEPOWERCIRCUITTHEDATACOLLECTINGCIRCUITISPHOTOSENSOR,THELARGEFILTERCIRCUITISAD620ASAMPLIFIERSINTHEPARTOFSIGNALFILTERING,WEDESIGNTHEACTIVESECONDORDERLOWPASSFILTERCIRCUITTHECONTROLLINGCIRCUITISAMICROPROCESSOROFC8051F320WITHUSBCONTROLLER,ADC,INNERCLOCKSOURCETHESOFTWAREINCLUDESTHEFIRMWAREPROGRAM,USBDRIVERSPROGRAM,DATACOLLECTINGPROGRAMANDTHEBASELINEDRIFTCORRECTINGPROGRAMFIRMWAREPROGRAMISCOMPLIEDWITHCLANGUAGE,THEDATAMANAGINGPROGRAMISCOMPLIEDWITHVISUALBASIC60ITCANWORKWELLITHASTHEADVANTAGESOFHIGHACCURACY,LOWPRICE,ANDISCONVENIENTTOCARRYANDUSEKEYWORDSPULSEPHOTOSENSORLOWPASSFILTERINGC8051F320USBINTERFACE目錄摘要IABSTRACTII第1章引言111概述1111課題研究的目的及意義112脈搏檢測儀研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢113設(shè)計的研究內(nèi)容和擬達到的結(jié)果2131設(shè)計的研究內(nèi)容2132擬達到的結(jié)果3第2章方案選擇與論證421總體方案的比較與論證422電壓信號放大電路模塊的選擇523傳感器的選擇524A/D轉(zhuǎn)換器的選擇525串行通信的選擇626本章小結(jié)6第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計731傳感器電路設(shè)計7311傳感器的定義與組成7312光電容積式脈搏傳感器的原理7313光電傳感器電路設(shè)計8314光電式脈搏傳感器的實驗測量和噪聲分析832放大濾波電路設(shè)計9321放大電路的設(shè)計9322低通濾波電路設(shè)計1133USB總線簡介1134MCU及外圍電路設(shè)計12341C8051F320介紹12342MCU外圍電路設(shè)計1735本章小結(jié)19第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計2041MCU固件程序設(shè)計2042USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計2143數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計21431VISUALBASIC60簡介21432數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2244本章小結(jié)23結(jié)束語24參考文獻25致謝27附錄28附錄A系統(tǒng)總體硬件原理圖28附錄B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序代碼30附錄C單片機程序代碼35附錄D英文文獻翻譯38第1章引言11概述中醫(yī)僅用三個手指切取腕部的脈搏信息，根據(jù)脈學(xué)理論即可診斷人體疾病。但是中醫(yī)切脈帶有個人主觀臆斷因素。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，脈診的客觀化、定量化的已成為中醫(yī)診斷的必然趨勢。中醫(yī)診斷依賴于對病人脈象信息的測試與分析，而脈診客觀化的最基本要是研制高性能的脈搏傳感器，取代人手指靠觸壓覺對脈搏信號檢測。采用傳感器檢測脈搏信息，利用計算機技術(shù)、現(xiàn)代信號處理技術(shù)、人工智能技術(shù)，可較客觀地記錄出脈搏波，有利于存儲，對脈搏信息進行分析、識別。111課題研究的目的及意義脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中最具特色的一項診斷方法，歷史悠久，內(nèi)容豐富，是中醫(yī)“整體觀念”、“辨證論治”的基本精神的體現(xiàn)和應(yīng)用，亦是中醫(yī)理論體系不可缺少的組成部分。脈搏在生物醫(yī)學(xué)測量中是一種常用而重要的指標，也是人體重要的動力學(xué)信號之一，它能反映人體心臟器官和血液循環(huán)系統(tǒng)的生理變化，在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要。脈搏檢測手段的發(fā)展大體分兩個階段傳統(tǒng)的中醫(yī)診脈和現(xiàn)代客觀化診脈。由于傳統(tǒng)的中醫(yī)診脈容易受到人為等多方面因素的干擾，使其缺乏客觀性。在西方醫(yī)學(xué)隨工業(yè)革命發(fā)展而醫(yī)療技術(shù)飛速進步的形勢下，中國脈學(xué)不論在理論上或是方法上都較少有新的突破，而且脈學(xué)理論深奧，方法陳舊，使脈診的臨床應(yīng)用受到很大的限制。中醫(yī)脈學(xué)的許多推理和經(jīng)驗雖有其合理和實用的一面，但往往給人以玄妙莫測的印象，長期以來影響著脈學(xué)的傳授和發(fā)展。因此實現(xiàn)脈診客觀化是繼承、開拓中醫(yī)脈學(xué)的重要途徑。在中醫(yī)國際化高速發(fā)展的今天，中醫(yī)數(shù)字化和標準化研究日益深入，利用現(xiàn)代計算機技術(shù)進行中醫(yī)輔助診療的系統(tǒng)應(yīng)運而生?；赨SB技術(shù)的脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從中醫(yī)的脈診數(shù)字化入手，采集并重現(xiàn)中醫(yī)的脈圖，可為中醫(yī)師臨床工作帶來極大的方便。USB是一種標準的PC外設(shè)接口，經(jīng)過近十年的發(fā)展，USB技術(shù)在PC領(lǐng)域以及消費電子產(chǎn)品市場領(lǐng)域日益占據(jù)了統(tǒng)治地位；另一方面，USB還正成為多種新型應(yīng)用的通用連接標準，包括數(shù)據(jù)采集、測量測試以及POS產(chǎn)品等場合。基于以上思想，設(shè)計基于USB接口的脈搏測量儀，它可以短時間內(nèi)測得人體脈搏次數(shù)，并能實時顯示脈搏跳動波形為心血管疾病的診斷提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。12脈搏檢測儀研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢脈搏傳感器檢測的信號要通過串行通訊的方式傳輸給微處理器。串行通訊是把主系統(tǒng)與子系統(tǒng)（或系統(tǒng)與系統(tǒng)、或子系統(tǒng)與子系統(tǒng)）輸人輸出通道的發(fā)送與接收端連接在一起作為信息交流的公共通道，以達到相互之間通訊的目的。利用這種方法可以節(jié)省通訊時間，提高信息交換速度，減少相互間連線，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)成本。因此，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以及武備系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來交換數(shù)據(jù)和信息。目前常用的串行總線接口標準主要有RS232、RS422、RS423、RS485和USB等。RS232總線是PC機早期采用的通用串行總線,至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。通用串行總線（UNIVERSALSERIALBUS）與以往的傳統(tǒng)方式相比具有傳輸速度快、支持即插即用、功耗低等優(yōu)點，已成為新型數(shù)據(jù)通信接口的首選，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、閃存盤、MP3機、手機、數(shù)碼相機、移動硬盤、外置光軟驅(qū)、USB網(wǎng)卡、ADSLMODEM、CABLEMODEM等，幾乎所有的外部設(shè)備。目前主流的計算機均配備有RS232和USB兩種串行接口，而早期的計算機主板只支持RS232串行接口，當今則以USB接口為通用外設(shè)接口的趨勢。近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學(xué)者在醫(yī)學(xué)研究、針灸研究中設(shè)計了一些脈象客觀描記儀器或裝置。這些儀器的主要功能是描記脈象波形，是用作臨床觀察脈象變化的工具。但是這些儀器裝置大多數(shù)沒有形成產(chǎn)品，也沒有見到廣泛臨床應(yīng)用的報道。其中比較有代表性的儀器有美國醫(yī)學(xué)博士JHONHLAUB研制的一種針灸臨床用的新型無創(chuàng)脈波記錄儀，日本的田口賢輝發(fā)明的一種“壓力、脈搏測定裝置”、日本的代用文彥設(shè)計了一種“局部加壓型可償還脈裝置”、日本COFNIA公司研制的一種CBM3000/2000型撓動脈脈波檢測儀以及日本SONY公司曾經(jīng)推出的一種利用三個駐體微音器作為脈波傳感元件的脈波檢測儀。雖然國內(nèi)外在提取脈搏圖像方面已經(jīng)開展了大量的工作，先后研制了不同種類的傳感器及測量設(shè)備獲得脈搏波形，但從研制情況看，大部分傳感器不能模擬中醫(yī)切脈診法來檢測脈搏信號，適用性不夠好。例如80年代研制的液態(tài)傳感器利用將單位長度管段動脈內(nèi)血液休積隨時間變化量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電液柱體電阻的改變參量來測最脈搏波的。這種傳感器雖然有較高的靈敏度，但出于液態(tài)傳感器本身結(jié)構(gòu)特點的限制使測量過程并不十分方便。所以人體脈搏信號采集裝置的研究仍有其可行性和必要。13設(shè)計的研究內(nèi)容和擬達到的結(jié)果131設(shè)計的研究內(nèi)容包括傳感器的選用及使用，傳感器驅(qū)動電路的設(shè)計、調(diào)理電路的設(shè)計、光電隔離電路設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)計、單片機最小系統(tǒng)設(shè)計、USB接口設(shè)計、人機接口的設(shè)計等。132擬達到的結(jié)果技術(shù)指標脈搏信號屬于低頻、微弱信號，而且干擾較大。設(shè)計基于USB接口的脈搏檢測儀要具有檢測人體脈搏且通過數(shù)據(jù)傳輸、處理最終顯示結(jié)果的能力。1）對脈搏傳感器輸出的信號進行放大從而更充分的利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換范圍。2）把經(jīng)過放大后的脈搏信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的信號處理做準備。3）實現(xiàn)電路板與計算機之間的通信功能。4）在PC機上實現(xiàn)脈搏信號的還原、實時顯示及信號處理。第2章方案選擇與論證21總體方案的比較與論證方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。傳感器放大整形倍頻三位BCD計數(shù)譯碼驅(qū)動三位顯示閘門消隱脈沖圖21光電型倍頻法測脈搏系統(tǒng)框圖方案二系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖22所示。濾波電路PC按鍵顯示次級放大初級放大傳感器CPUADCUSB控制器MCU圖22基于USB接口的脈搏檢測儀系統(tǒng)框圖方案比較方案一利用光電傳感器檢測脈搏信號，經(jīng)放大整形后，輸出脈搏脈沖信號，在將其輸入計數(shù)器之前，先利用鎖相環(huán)倍頻器作100倍頻的處理，計數(shù)器對其進行測量，設(shè)置閘門脈寬為06S，即能顯示出脈搏跳動次數(shù)N次/MIN。但由于放大整形后的脈搏脈沖信號本身并非完全呈周期性，而倍頻器的倍頻需要一定的穩(wěn)定時間，影響了系統(tǒng)的測量精度。方案二中傳感器檢測的脈搏信號先進行初級放大然后進入低通濾波器進行濾波處理，再經(jīng)過次級放大放大信號，進入單片機系統(tǒng)進行A/D轉(zhuǎn)換和波形變換得到脈沖信號，并測頻計算1MIN脈搏跳動的次數(shù)，由上位機顯示。與方案一相比，方案二提高了測量精度，同時可以利用軟件進行精度的調(diào)整，節(jié)省了資源。22電壓信號放大電路模塊的選擇方案一應(yīng)用OP07是一種低噪聲,非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大電路，具有非常低的輸入失調(diào)電壓，無需額外的調(diào)零措施，超低偏移，低輸入偏置電流穩(wěn)定性好，這種低失調(diào)高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號方面，OP07信號放大器如圖23所示。OA1IN23V4C5UT678P0圖23OP07信號放大器功能框圖方案二采用由傳統(tǒng)的三運算放大器發(fā)展而成的集成運放芯片AD620,但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構(gòu)成的儀表放大器的設(shè)計,如電源范圍寬（2318V）,設(shè)計體積小,功耗非常低最大供電電流僅13MA,因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。對電壓信號進行放大處理，根據(jù)系統(tǒng)的需要可以選擇不同的阻值就可以產(chǎn)生不同的放大倍數(shù)。使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換的（010V）的模擬電壓信號。方案比較雖然方案一的運放在各個方面都有出色的表現(xiàn)和明顯的優(yōu)勢，但是從本設(shè)計應(yīng)用的角度來考慮，其工作環(huán)境以及其它方面要求的條件，AD620完全可以勝任，其中最為關(guān)鍵的是AD620價格低廉、通用性好，而OP07單片價格昂貴、成本高，從成本上考慮本設(shè)計，選擇通用性更好、價格更低的AD620。23傳感器的選擇各種傳感器，由于原理、結(jié)構(gòu)不同，使用環(huán)境、條件、目的不同，其技術(shù)指標也不可能相同。但是有些一般要求，卻基本上是共同的，包括可靠性、靜態(tài)精度、動態(tài)性能、量程、抗干擾能力、分辨力、靈敏度、成本、能耗、對被測對象的影響等。傳感器是通過檢測功能來達到各種技術(shù)指標的目的，很多傳感器要在動態(tài)條件下工作，精度不夠、動態(tài)性能不好或出現(xiàn)故障，整個工作就無法進行。在某些系統(tǒng)中或設(shè)備上往往裝上許多傳感器，若有一個傳感器失靈，會影響全局。所以傳感器的工作可靠性、靜態(tài)精度和動態(tài)性能是最基本的要求。目前我們常見的脈搏采集方法有壓力傳感器法、超聲脈圖法、光電容積法、電容傳感器法、電聲傳感器法等。以上這些方法中，超聲脈圖法和光電傳感器法在目前臨床應(yīng)用中比較普遍。而電容、電聲和壓力傳感器法多用于無創(chuàng)血壓測量中的脈搏測量，本文采用光電容積法實現(xiàn)對脈搏信號的采集。24A/D轉(zhuǎn)換器的選擇對于AD轉(zhuǎn)換器，選取的標準主要決定于采樣頻率和位數(shù)，以及價格、供貨周期、應(yīng)用情況等其他因數(shù)。ADS5422是14BIT的最高采樣頻率可達62MSPS的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，采用單5V電源供電，在采樣頻率為10M時其最大動態(tài)范圍為82DB，最高信噪比達到72DB，其數(shù)字量輸出可以直接和5V或者33V的CMOS芯片連接，模擬量輸入的峰峰值為4V，可以直接輸人0545V的模擬量，封裝形式為64腳的扁平四方封裝，目前TI的官方報價為29美元片（一次購買千片以上的單價）。國內(nèi)也有該芯片出售，國內(nèi)價格在300元左右?；诒驹O(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)、成本及通用性考慮，使用A/D集成到MUC上的C8051F系列單片機，既簡化了硬件的復(fù)雜性，又節(jié)約了成本，通用性較好。25串行通信的選擇串行通訊是把主系統(tǒng)與子系統(tǒng)或系統(tǒng)與系統(tǒng)、或子系統(tǒng)與子系統(tǒng)輸人輸出通道的發(fā)送與接收端連接在一起作為信息交流的公共通道，以達到相互之間通訊的目的。利用這種方法可以節(jié)省通訊時間，提高信息交換速度，減少相互間連線，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)成本。因此，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以及武備系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來交換數(shù)據(jù)和信息。目前常用的串行總線接口標準主要有RS232、RS422、RS423、RS485和USB等。RS232總線是PC機早期采用的通用串行總線,至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測試系統(tǒng)。通用串行總線UNIVERSALSERIALBUS與以往的傳統(tǒng)方式相比具有傳輸速度快、支持即插即用、功耗低等優(yōu)點，已成為新型數(shù)據(jù)通信接口的首選，可以連接鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、閃存盤、MP3機、手機、數(shù)碼相機、移動硬盤、外置光軟驅(qū)、USB網(wǎng)卡、ADSLMODEM、CABLEMODEM等，幾乎所有的外部設(shè)備。目前主流的計算機均配備有RS232和USB兩種串行接口，而早期的計算機主板只支持RS232串行接口，當今則以USB接口為通用外設(shè)接口的趨勢。26本章小結(jié)本章主要從整體上經(jīng)過對控制功能的實現(xiàn)，硬件電路的設(shè)計，各個器件性能的優(yōu)劣，成本造價的高低等方面的綜合考慮，選擇出了合理的設(shè)計方案。本次設(shè)計各器件的選擇均滿足需求，得到了實用性的最大化。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計31傳感器電路設(shè)計311傳感器的定義與組成傳感器（TRANSDUCER/SENSOR）在我國國家標準（GB76651987）中的定義是“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖31所示。圖31傳感器組成框圖敏感元件它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路將電路參量接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進行放大、運算、處理等進一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進行過程控制。312光電容積式脈搏傳感器的原理生理學(xué)和解剖學(xué)中脈搏沒有專門的部位，也沒有專門對脈搏的講解，脈搏是一個非常復(fù)雜的過程，它是由心臟收縮和舒張產(chǎn)生的壓力，通過容量血管與阻力血管，在動脈內(nèi)產(chǎn)生的壓力變動以及有節(jié)律性的沖動形式，它存在于身體的每個部位。通常人們對感觸到的體表的反應(yīng)叫脈搏，它是受心臟、血管、大腦中迷走神經(jīng)、交感神經(jīng)、及心臟神經(jīng)控制的一個非常復(fù)雜的過程。就容積式脈搏波的探測而言，指尖是較理想的部位，因為它位于肢體前端，容易實現(xiàn)非接觸檢測；其次，由手指的解剖結(jié)構(gòu)可知，每個指尖的血液都是經(jīng)指總動脈分兩路從指干兩側(cè)通向指尖，再經(jīng)豐富的冠狀動脈彌散至毛細血管，然后從靜脈回流。血液是一種高度不透明的液體。近紅外單色光在一般組織中的穿透性比在血液中大幾十倍。皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈波動性變化，當心臟收縮時外周血容量被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路最多，而心臟舒張時則外周血容量減小。血容積搏動使組織中血液透光率隨之變化，當光源和光敏元件置于被測部位（如手指）的同一側(cè)（或兩側(cè)），光源發(fā)出的光照射在組織上，經(jīng)反射（或透射）后被光敏元件接，光敏元件將脈動的光強度信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的電信號。在檢測系統(tǒng)中將變化量與直流量相互分離，從而得到光電容積脈搏波。313光電傳感器電路設(shè)計在本設(shè)計中我們采用IR333型紅外發(fā)射二極管作為光源，BPW83型紅外接收二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，兩種二極管的峰值波長都在900NM附近，在指夾中，紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管并排擺放。R2選500是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R2過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時的信號。反之，R2過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無脈搏時的信號，電容C1起到隔直通交的作用，因為從光電二極管拾取的電壓信號是直流和交流疊加的信號。光電傳感器電路原理圖如圖32所示。5VGND1KR0247CI3BPW8圖32光電式傳感器電路314光電式脈搏傳感器的實驗測量和噪聲分析在測量過程中，前端測量到的脈搏信號十分微弱，容易受到外界環(huán)境的干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進行分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計的技術(shù)角度減少干擾，使之能夠準確測量到脈搏信號，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、工頻干擾、測量過程運動噪聲，下面對上述情況結(jié)合儀器軟硬件設(shè)計做進一步的分析。在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號不僅有包含脈搏信息的反射光的信號，而且有測量環(huán)境下的背景光信號，由于動脈波動引起的光強變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。在同時考慮到傳感器使用的方便性，本儀器采用特制的指夾封裝形式，整個外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小背景光的影響。工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號變化緩慢，特別容易受到工頻信號的干擾，因此對工頻信號干擾的抑制是保證脈搏信號測量精度的主要措施之一。通常脈搏信號的頻率范圍在0320HZ之間，小于工頻50HZ，因此必須通過低通濾波電路濾除工頻干擾，這里我們使用二階低通濾波電路進行濾波處理。在通常脈搏測量過程中，手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對運動，會使脈搏測量產(chǎn)生誤差，這里我們采用指夾式機械模型，提高其機械抗運動性，使指夾能夠更緊的夾在手指上，不易松動來降低運動噪聲的干擾。32放大濾波電路設(shè)計由光電傳感器拾取的脈搏信號十分微弱，僅為微伏量級或毫伏量級，所以首先要對信號進行放大，介于此系統(tǒng)的特點，我們使用了兩級放大電路，分別為初級放大和次級放大。在信號采集過程中，工頻、人體位移、呼吸作用等都會對原始信號產(chǎn)生干擾，所以必須對信號進行濾波處理。321放大電路的設(shè)計由于光電傳感器拾取的脈搏信號十分微弱，僅為微伏量級或毫伏量級，所以要求前置級滿足下述要求（1）高輸入阻抗。光電信號是不穩(wěn)定的內(nèi)阻變化的微弱信號，為了減少信號源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗，所以要求放大器具有高的輸入阻抗。（2）低噪聲、低漂移。可以減小信號源的影響，增強信號的拾取能力，使輸出穩(wěn)定。AD620是一種僅需在其引腳跨接一個電阻就能調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的低功耗、高精度儀表放大器，其放大倍數(shù)調(diào)節(jié)范圍為11000倍，盡管AD620由傳統(tǒng)的三運放組成，但一些主要性能卻優(yōu)于由三個分立運放構(gòu)成的儀表放大器。它的電源范圍寬23V18V，體積小,功耗低最大供電電流僅為13MA，因而經(jīng)常使用在低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。AD620的工作原理AD620是在傳統(tǒng)的三運放組合方式的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。輸入三極管Q1和Q2提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)部的超處理，它的輸入偏移電流比一般情況低10倍。通過Q1A1R1環(huán)路和Q2A2R2環(huán)路的反饋，保持了Q1，Q2集電極電流為常量，所以輸入電壓相當于加在外接電阻R的兩端，從輸入到A1/A2輸出的差分放大倍數(shù)為G（R1R2）/RG1，由A3組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個與REF管腳電位有關(guān)的單路輸出。AD620原理圖如圖33所示。圖33AD620原理圖AD620封裝圖如圖34所示。AD620134875RGINVSOUTPEFW圖34AD620封裝引腳圖內(nèi)部增益電阻R1和R2被精確確定247K,使得運放增益精確地由確定G494K/RG1或RG494K/G1。由于經(jīng)光電傳感器采集到的信號為毫伏量級，并且在信號的次級放大中還可以設(shè)置25倍的放大倍數(shù)，所以在前級放大電路的設(shè)計中令放大倍數(shù)為101倍，經(jīng)過計算RGR3500，交流信號由2、3引腳輸入經(jīng)放大后通過低通濾波器進行處理。信號初級放大電路原理圖如圖35所示。圖35信號初級放大電路322低通濾波電路設(shè)計濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它處理信號、傳送數(shù)據(jù)和抑制干擾。有源濾波和無源濾波相比，有源濾波采用了集成運放，集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗低，構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。通常脈搏信號的頻率范圍在0320HZ之間，因此通過低通濾波器可以有效濾除50HZ工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。本文采用二階有源低通濾波器對經(jīng)初級放大后的信號進行濾波處理。二階低通濾波電路圖如圖38所示。R1F_C2V0N圖36二階低通濾波電路33USB總線簡介USB（UNIVERSALSERIALBUS，通用串行總線）與其它老式PC機接口相比，USB的如下特點正好說明了這些優(yōu)點1、熱插拔。用戶可以把USB外設(shè)連接到一臺正在運行的PC機上，操作系統(tǒng)能自動識別，并且用戶可以立即使用，而不需要重新啟動PC機。用戶可以在任何時候斷開USB外設(shè)，而不管計算機是否正在運行，這都不會損壞PC機和外設(shè)。2、即插即用。USB實現(xiàn)了自動配置，它不需要用戶手工配置I/O地址和中斷請求。當USB外設(shè)接入PC機時，操作系統(tǒng)會自動檢測到這個連接，并加載合適的驅(qū)動程序。3、共享式接口。USB端口支持多個外設(shè)的連接，采用“菊花瓣”式的連接方式。通過USB集線器，一個USB主控制器上最多可連接127個外設(shè)。4、低成本。USB能實現(xiàn)強大的功能，它比以前的接口更加復(fù)雜，但是它的組件和電纜并不貴，帶有USB接口的外設(shè)和具有同樣功能的老外設(shè)接口相比，所需費用差不多，有時會更少一些。5、性能可靠。USB系統(tǒng)通過硬件設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面來保證其傳輸?shù)目煽啃浴?、提供電源。USB電纜向外設(shè)提供了一根5V的電源線，電流的大小取決于集線器，最小為100MA，最大不會超過500MA，用戶可以直接使用這個總線電源。另外，USB支持低功耗模式，如果其連續(xù)3MS沒有總線活動的話，USB就會自動進入掛起狀態(tài)，以節(jié)省電能消耗。7、兼容性。USB規(guī)范有良好的向下兼容性，如USB20的主控制器就能很好的兼容USBIA的產(chǎn)品，操作系統(tǒng)在檢測到全速USB設(shè)備接入時，會自動按照12MB/S的速率進行傳輸，而其它高速USB設(shè)備并不會因為全速設(shè)備的連接而減慢它們的傳輸速率，它們?nèi)钥衫^續(xù)使用480MB/S的速率進行傳輸。USB是一種電纜總線，一個完整的USB總線系統(tǒng)可以分為三部分USB總線的主機U（SBHOST）、USB總線的設(shè)備（USBDEVICE）以及USB集線器（USBHUB）來實現(xiàn)它們之間的互連，支持在主機和各式各樣的即插即用的外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)傳輸。由主機預(yù)定的標準協(xié)議使各種設(shè)備分享USB帶寬，當其它設(shè)備和主機在運行時，總線允許添加、設(shè)置、使用以及拆除外設(shè)。USB連接了USB設(shè)備和USB主機，USB的物理連接是有層次性的星型結(jié)構(gòu)。每個網(wǎng)絡(luò)集線器是在星型的中心，每條線段是點點連接。從主機到集線器或其功能部件，或從集線器到集線器或其功能部件。USB的電纜只有四根導(dǎo)線一對互相絞纏的標準規(guī)格線，用于傳輸差分信號D和D，另有一對符合標準的電源線VBUS和GND，用于給設(shè)備提供SV電源。USB連接線具有屏蔽層，以避免外界干擾。34MCU及外圍電路設(shè)計341C8051F320介紹美國CYGNAL公司是一家專業(yè)從事混合信號片上系統(tǒng)單片機設(shè)計與制造的半導(dǎo)體公司，它在市場上推出了53個品種的C8051F系列片上系統(tǒng)單片機。C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)SOC（SYSTEMONCHIP），具有與MCS51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F系列單片機的功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBUS/I2C、UART、SPI、可編程計數(shù)器/定時器陣列PCA、定時器、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器（WDT）和時鐘振蕩器等。所有器件都有內(nèi)置的FLASH存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM,有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（XRAM）。C8051F320是CYGNALC8051F系列單片機中的一款，它除了具備上述強大功能外，它還帶有USB控制處理器，完全遵循USB20協(xié)議，支持12MBPS的全速傳輸或15MBPS的低速傳輸，可時鐘恢復(fù)，不須額外的晶振，其提供端點（ENDPOINT）數(shù)為8個，且每個端點的傳輸類型、傳輸方向均可由設(shè)計者自由配置。另外，它的內(nèi)部還集成有1KBYTE的USBSRAM和USB收發(fā)器。1、功能部件（1）模擬外設(shè)10位的ADC（1LSBINL）其最大可編程轉(zhuǎn)換速率可達200KSPS；可多達17個外部輸入；可編程為單端輸入或差分輸入；內(nèi)置一個溫度傳感器；2個模擬比較器；24V的內(nèi)部電壓基準；精確的VDD監(jiān)視器和欠壓檢測器。（2）USB功能控制模塊滿足USB20協(xié)議；可在全速12MBPS或低速15MBPS下運行；集成有一個時鐘恢復(fù)源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振；支持8個靈活通用的端點；內(nèi)置一個1K的USB專用緩沖存儲器；集成了一個USB接收器，不需要外部電阻。（3）片內(nèi)調(diào)試模塊片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試不需仿真器；支持端點、單步、觀察點、堆棧監(jiān)視器；可以觀察/修改存儲器和寄存器；比使用仿真芯片、目標仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更好的性能。（4）工作溫度范圍070（5）高速8051微控制器內(nèi)核（6）采用流水線指令結(jié)構(gòu)，其70的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期速度可達25MIPS時鐘頻率為25MHZ時。（7）存儲器1280字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（1K256）；16K字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的FLASH閃速存儲器。（8）數(shù)字外設(shè)25個字節(jié)寬的端點I/O；所有口線均耐5V電壓；可同時使用UART串口、硬件SMBUSTM、SPITM；帶有4個可編程的16位計數(shù)器/定時器陣列；帶有5個捕捉/比較模塊的通用16位計數(shù)器/定時器。（9）時鐘源內(nèi)部晶振的精度為025，支持所有USB和UART模式；外部晶振器晶體、RC、C或外部時鐘；內(nèi)置一個針對與USB控制器的片上時鐘乘法器。（10）供電電壓片上的參考電源校準器支持USB總線電源操作；校準器的BYPASS模式支持USB內(nèi)部電源操作。2、性能特點C805IF320在保持CISC結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運行實行流水作業(yè)，推出了CIP51的CPU模式，從而大大提高了指令運行速度，使8051兼容機系列進入了8位高速單片機行列。傳統(tǒng)的單片機I/O端口大都是固定為某個特殊功能的輸入/輸出口，可以是單功能或多功能，I/O口可編程選擇為單向/雙向以及上拉、開漏等。這種固定方式既占用較多引腳，配置又不夠靈活。C8051F320采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)I/O端口的靈活配置。在這種通過交叉開關(guān)配置的I/O端口系統(tǒng)中，單片機外部為通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。內(nèi)有輸入/輸出電路單元通過相應(yīng)的配置寄存器控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。C8051F320還提供了一個完整而先進的時鐘系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，片內(nèi)設(shè)置有一個可編程的時鐘振蕩器無需外部器件，可提供2、4、8和16MHZ時鐘的編程設(shè)定。外部振蕩器可選擇4種方式。當程序運行時，可實現(xiàn)內(nèi)外時鐘的動態(tài)切換。編程選擇的時鐘輸出CYSCLK除供片內(nèi)使用外，還可從隨意選擇的I/O端口輸出。C8051F320的ADC子系統(tǒng)集成了兩個17通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個200KSPS的10位逐次逼近寄存器型ADC。模擬多路選擇器（AMUX0）選擇ADC的正輸入和負輸入，P10P30、片內(nèi)溫度傳感器輸出和正電源（VDD）中的任何一個都可以被選擇為正輸入；P10P30、VREF和GND中的任何一個都可以被選擇為負輸入。當GND被選擇為負輸入時，ADC工作在單端方式；在所有其它時間，ADC工作在差分方式。ADC的輸入通道由寄存器AMX0P和AMX0N選擇。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。ADC可以工作在單端方式或差分方式，當工作在單端方式時，轉(zhuǎn)化碼為10位無符號整數(shù)，所測量的輸入范圍為0VREF1023/1024；當工作在差分方式時，轉(zhuǎn)化碼為10位有符號整數(shù)（2的補碼），所測量的輸入范圍為VREFVREF511/512。ADC可以被配置為用于測量P10P30、溫度傳感器輸出或VDD（相對于P10P30、VREF或GND）。只有當ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1時ADC子系統(tǒng)才被使能。當AD0EN位為0時，ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。C8051F320的電壓基準MUX可以被配置為連接到外部電壓基準、內(nèi)部電壓基準或電源電壓VDD?；鶞士刂萍拇嫫鱎EF0CN中的REFSL位用于選擇基準源。選擇使用外部或內(nèi)部基準時，REFSL位應(yīng)被設(shè)置0；選擇VDD作為基準，REFSL應(yīng)被置1。C805IF320在8位單片機中率先配置了標準的EC2接口IEEE11491，在上位機軟件支持下，通過串行的EC2接口直接對產(chǎn)品系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。C8051F的EC2接口不僅支持FLASHROM的讀/寫操作及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。通過邊界寄存器的編程控制，可對所有器件引腳、SFR總線和I/O口弱上拉功能實現(xiàn)觀察和控制。C805IF320把80C51單一的外部復(fù)位發(fā)展成多源復(fù)位上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部引腳復(fù)位、軟件復(fù)位、時鐘檢測復(fù)位、比較器0復(fù)位和引腳配置復(fù)位。眾多的復(fù)位源為保障系統(tǒng)的安全、操作的靈活性以及零功耗系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的好處。3、引腳及封裝C8051F320引腳圖如圖37所示。PGND45V6REI7BUST9CF圖37C8051F320引腳圖C8051F320封裝圖如圖38所示。3231302928272625242322212019181712345678910111213141516P01P00GNDDDVDDBEGINRSTP30P27P26P25P24P23P22P21VBUSP20P17P16P15P14P13P12P02P03P04P05P06P07P10P11C8051F320圖38C8051F320封裝圖VDD數(shù)字電源；GND模擬地；BEGIN5V校準器的輸入端；/RST/C2CK設(shè)備的復(fù)位引腳或EC2調(diào)試接口的時鐘信號；P30/C2D端口30或EC2調(diào)試接口的雙向信號引腳；VBUSUSB總線輸入腳；DUSB的D；DUSB的D；P02/XTALL端口02或外部晶振輸入；P03/XTAL2端口03或外部晶振輸出；P06/CNVSTR端口06或ADC0外部轉(zhuǎn)換開始輸入腳；P07/VRFF端口07或外部參考電源的輸入端或輸出端；P00，P01，P04，P05，P10P17,P20P27均為相應(yīng)的端口引腳。4、電氣特性校準器的輸入電壓REGIN引腳40525V；VDD電壓校準器的輸出3036V通常取33V；VREG偏流電壓校準器有效時70UA；CPU和USB運行時的供給電流1MACPU時鐘為24MHZ,USB時鐘為48MHZ時，或9MACPU時鐘為12MHZ,US