微机式医学仪器教材.docx

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微机式医学仪器教材

8）引脚应与微机的I/O接口连接，微机通过并行口控制,使采样保持器8引脚高则采样，低则保持。

达到控制采样保持器的目的。

（7）引脚接地,（6）引脚接保持电容.（1,4）引脚为电源,（3）引脚接输入信号,（5）引脚接输出信号.

所谓量化，就是以一定的量化单位把数值上连续的模拟量转变为数值上离散的阶跃量的过程。

编码是对量化数据的表述形式，往往涉及到A/D转换的具体应用。

一般用二进制数码表示。

若考虑为双极性信号，可采用补码方式；若强化二进制数据的可靠性，可采用格雷码。

1．分辨率

A/D转换器的分辨率指转换器能分辨最小模拟量的量化信号的能力。

A/D转换器的分辨率取决于A/D转换器的位数，所以习惯上以输出二进制数或BCD码数的位数来表示。

2.转换精度

转换精度反映实际A/D转换器与理想A/D转换器量化值上的差。

用绝对或相对误差来表示

3．转换速率

●转换速率是指A/D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数。

这个指标也可以表述为转换时间，即A/D转换从启动到结束所需的时间，两者互为倒数。

4.满刻度范围

满刻度范围是指A/D所允许输入电压范围。

如（0～5）V，（0～10）V，（-5～+5）V等。

刻度只是个名义值，实际的A/D转换器的最大输入值总比满刻度小1/2n（n为转换器的位数）。

这是因为0值也是2n个转换器状态中的一个。

5.A/D转换器常用的有逐次逼近式、积分式、并行式等三类。

逐次逼近式A/D转换器的转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在1～100s之间，转换精度一般在0.1%（8～12位）上下，适用于一般场合。

积分式A/D转换器速度较慢，其转换时间一般在ms级。

适用于要求精度高，但转换速度较慢的仪器中使用。

并行式又称闪烁式，采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，可用于医学图象处理等转换速度较快的仪器中。

6.A/D转换常用的软件控制方式

常用的控制方式主要有：

程序查询方式、延时等待方式和中断方式。

ADC0809与单片机8031接口实例

•以下结合图2-7所示的ADC0809与单片机8031接口电路，给出查询、延时和中断这三种方式下的转换程序。

•转换程序的功能是将由IN0端输入的0～5V模拟信号转换为对应的数字量00H～FFH，然后再存入8031内部RAM的30H单元中

查询方式

•MOVDPTR,#0FEFFH

•MOVA,#00H;赋通道0地址

•MOVX@DPTR,A;启动IN0转换

•MOVR2,#20H

•DLY:

DJNZR2,DLY;延时,等待EOC变低

•WAIT:

JBP3.3,WAIT;查询,等待EOC变高

•MOVXA,@DPTR

•MOV30H,A;结果存30H

延时等待方式

•MOVDPTR,#0FEFFH

•MOVA,#00H;赋通道0地址

•MOVX@DPTR,A;启动IN0转换

•MOVR2,#40H

•WAIT:

DJNZR2,WAIT;延时约120uS

•MOVXA,@DPTR

•MOV30H,A;结果存30H

中断方式

•MAIN:

SETBIT1；选INT1为边沿触发

•SETBEX1；允许INT1中断

•SETBEA；打开中断

•MOVDPTR,#0FEFFH

•MOVA,#00H

•MOVX@DPTR,A；启动A/D转换

•；执行其他任务

中断服务程序

INT1:

PUSHDPL；保护现场

PUSHDPH

PUSHA

MOVDPTR,#0FEFFH

MOVXA,@DPTR；读转换结果

MOV30H,A；结果存30H

MOVA,#00H

MOVX@DPTR,A；启动下一次转换

POPA

POPDPH

POPDPL；返回现场RETI；返回

AD574芯片及其接口（扩展）

AD574是12位快速逐次逼近型A/D转换器，其最快转换时间为25s，转换误差为1LSB。

图2-9AD574与8031单片机的接口电路

•图中STS可有三种接法以对应三种控制方式：

•

（1）如STS空着，单片机只能采取延时等待方式，在启动转换后，延时25s以上时间，再读入A/D转换结果；

•

（2）如STS接单片机一条端口线，单片机就可以用查询的方法等待STS为低后再读入A/D转换结果；

•（3）如STS接单片机外部中断线，就可以在引起单片机中断后，再读入A/D转换结果。

cvb

采用延时等待方式的控制程序清单：

MOVR0，#1FH；启动

MOVX@R0，A

MOVR7，#10H；延时

DJNZR7，$

MOVR1，#7FH；读低4位

MOVXA，@R1

MOVR2，A；存低4位

MOVR1，#3FH；读高8位

MOVXA，@R1

MOVR3，A；存高8位

SJMP$

接口电路的任务与分类

接口是微处理器芯片（CPU）与外围芯片（如程序

存储器、数据存储器等）及微处理机与外部设备（如键盘、显示器）之间的桥梁。

能减轻CPU的负担，从而提高整机的工作效率和仪器的功能。

分类:

大体可分为两大类：

专用接口与通用接口。

专用接口：

为某种专门用途或某类外设专门设计的接口电路，如CRT显示器控制器等。

通用接口：

可供几类外设使用，如串行接口、并行接口。

，MCS-51单片机有一个管脚跟程序存储器的扩展有关。

如果接高电平，那么片内存储器地址范围是0000H～0FFFH（4KB），片外程序存储器地址范围是1000H～FFFFH（60KB）。

如果接低电平，不使用片内程序存储器，片外程序存储器地址范围为0000H～FFFFH（64KB）。

在8031单片机上扩展4KBEPROM存储器

在8031单片机上扩展2KBEEPROM

RS-232-C串行总线

一、RS-232-C的电气特性

由于RS-232-C总线标准是在TTL电路出现之前研制的，其电平是对称的

高电平：

+3V~+14V，低电平：

-3V~-14V并且RxD、TxD使用负逻辑，即高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。

其它控制信号使用正逻辑。

在最常用的RS-232-C电平转换电路是MAX232

由于RS-232-C总线推出较早，因此在使用中暴露出了明显的缺点，主要表现在：

1）传输速率不够快2）传输距离3）非平衡接口、共用信号地，故电气性能不佳4）接口处各信号容易产生串扰4）未规定连接器

RS-422-A的主要特点（RS-423-A的传输性能差些）1）单端收、发，双极性电源（-6V~+6V）2）信号也是负逻辑3）抗干扰能力强：

平衡传输（与驱动），差分接受4）传输距离远、速率高。

最大距离为1200m。

距离为1200m时速率为100Kbps；距离为120m时速率为1Mbps；距离为12m时速率为10Mbps。

5）可连接多个接收器，并且可同时工作。

•在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。

•RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。

•总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

•RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。

•RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

•应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

RS-485串行通信总线1、RS-485

RS-485是RS-422-A的一个变型，二者的区别如下：

1）RS-422为全双工，而RS485为半双工；

2）RS-422采用两对平衡差分信号线，RS-485只需其中的一对，更适合多站互连

I2C串行总线的组成及工作原理

采用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。

同时，系统的更改和扩充极为容易。

常用的串行扩展总线有：

I2C（InterICBUS）总线、单总线（1－WIREBUS）、SPI（SerialPeripheralInterface）串行同步接口总线等。

I2C总线只有两根双向信号线。

一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

I2C总线协议定义如下：

1、只有在总线空闲时才允许启动数据传送。

2、在数据传送过程中，当时钟线为高电平时，数据线必须保持稳定状态，不允许有跳变。

时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化，将被看作总线的起始或停止信号。

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。

主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。

由总线上接收数据的器件则为接收器。

在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。

为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。

在80C51单片机应用系统的串行总线扩展中，我们经常遇到的是以80C51单片机为主机，其它接口器件为从机的单主机情况。

数据位的有效性规定

I2C总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间，数据线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电平期间，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。

SCL线为高电平期间，SDA线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。

起始和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。

连接到I2C总线上的器件，若具有I2C总线的硬件接口，则很容易检测到起始和终止信号。

对于不具备I2C总线硬件接口的有些单片机来说，为了检测起始和终止信号，必须保证在每个时钟周期内对数据线SDA采样两次

接收器件收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其它工作，如处理内部中断服务等，可能无法立刻接收下一个字节，这时接收器件可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态。

直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送可以继续进行。

三、数据传送格式

（1）字节传送与应答

每一个字节必须保证是8位长度。

数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。

这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。

然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

（2）数据帧格式

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。

每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。

但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

在总线的一次数据传送过程中，可以有以下几种组合方式：

、主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

主机在第一个字节后，立即由从机读数据

在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。

四、总线的寻址

I2C总线协议有明确的规定：

采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节）。

（1）寻址字节的位定义

D7～D1位组成从机的地址。

D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据

主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/W位将自己确定为发送器或接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。

在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。

起始信号后的第一字节的8位为“00000000”时，称为通用呼叫地址。

通用呼叫地址的用意在第二字节中加以说明。

格式为：

第二字节为06H时，所有能响应通用呼叫地址的从机器件复位，并由硬件装入从机地址的可编程部分。

能响应命令的从机器件复位时不拉低SDA和SCL线，以免堵塞总线。

第二字节为04H时，所有能响应通用呼叫地址并通过硬件来定义其可编程地址的从机器件将锁定地址中的可编程位，但不进行复位。

阴极射线型显示系统

随机扫描显示系统是采用静电偏转的示波管作为显示元件,电子束打在荧光屏上的位置决定于加压在示波管偏转板和偏转板的偏转电压大小和正负.

5.2.2光栅扫描电磁偏转显示系统

光栅扫描方式中电子束的运动是按一定行频、场频，在显示屏幕上从左上角开始向右扫描，形成一条栅线。

然后又从上而下，一条线一条线地扫描，形成一帧栅画。

在需要亮的地方令该点增辉，则这些增辉点组成一幅画面（波形、字符等）。

在光栅的扫描方式中，又分逐行扫描和隔行扫描两种方式。

字符显示原理光栅扫描显示字符一般采用５×７点阵（或７×９点阵）。

在监护仪中，常用４倍（或更大）于一般字符大小的大字符显示心率等生理参数。

右图所示的字形代码设计方法不仅能产生字符，也能产生字符间隔和字符行间隔。

液晶显示器是一种被动显示器，它本身不发光而只是调制环境光。

和其它显示器件相比有以下特点：

低压微功耗。

极低的工作电压，只有３-５Ｖ，工作电流则只有几个μＡ/（cm）;同样的面积，其功耗比ＬＥＤ小几百倍，所以适用于与ＣＭＯＳ电路直接相配，用于低功耗的医学仪器中。

平板型结构显示器体积小，使用方便，符合医学仪器小型化的要求。

被动显示，更适合人的视觉习惯，不易引起视觉疲劳，不怕光冲刷，但在黑暗环境工作时，需采用辅助光源。

显示信息量大，与ＣＲＴ相比显示面积和字型大小，字符多少在一定范围内不受限制，但响应时间和余辉时间较长，为毫秒级，因而响应速度较慢。

易于彩色化，可以在色谱上准确复现，不会失真。

液晶显示工作时没有电磁发射，减少环境污染和信息泄漏。

长寿命。

机器本身几乎没有老化问题。

工作范围较窄，通常在范围内１０－６０℃。

液晶显示器的主要参数

液晶显示器主要参数有响应时间、余辉、阈值电压，对比度等。

具体说明如下：

响应时间：

从加上脉冲电压起，到光透过率到达饱和值的９０％时所需时间。

余辉：

从去掉脉冲电压到光透过率减少到透过值的１０％时所需的时间。

阈值电压：

使液晶分子按电场作用排列状态发生变化的最小电压。

对比度：

在０伏时，光通过率与工作电压下光通过率的比值。

液晶显示器有字段型、字符型、点阵图形型，在使用时，有的液晶显示器内部有控制器，使用比较方便。

字段型液晶显示器有六段、七段、八段等多种，七段是常用的一种。

字符型液晶显示器有5×8、5×11点阵

128×64点阵液晶显示屏有三种控制器，分别是KS0107（KS0108）、T6963C和ST7920.

三种控制器主要区别是：

KS0107（KS0108）不带任何字库

T6963C带ASCII码

ST7920带国标二级字库（8千多个汉字）

FM12864J是一种图形点阵液晶显示器。

它主要采用动态驱动原理由行驱动—控制器和列驱动器两部分组成了128（列）×64（行）的全点阵液晶显示。

.工作电压为+5V±10%,可自带驱动LCD所需的负电压。

2.全屏幕点阵,点阵数为128（列）×64（行）,可显示8（/行）×4（行）个（16×16点阵）汉字，也可完成图形，字符的显示。

3.与CPU接口采用5条位控制总线和8位并行数据总线输入输出。

4.内部有显示数据锁存器

5.简单的操作指令显示开关设置，显示起始行设置，地址指针设置和数据读/写等指令。

显示数据RAM（DDRAM）

DDRAM（64×8×8bits）是存储图形显示数据的。

此RAM的每一位数据对应显示面板上一个点的显示（数据为H）与不显示（数据为L）。

热敏线阵式打印机简称热阵绘图打印机，它简化掉了打印头驱动机，将打印头和打印头驱动电机打印一行点图的功能交给了由一行宽度的热敏元件排列的线阵来完成。

因此，它具有打印图形、图象及字符（包括汉字）的功能。

它由三部分组成：

 热敏头（发热体及其驱动电路）；走纸步进电机及其驱动电路； 微机控制接口。

80C31单片机控制的热敏线阵式绘图打印机

用单片机控制感热头的工作过程是：

单片机予先将要打印的图形的象素信息编程（0代表无印点，1代表有印点）按行串行方式送入热敏头的数据端。

然后通过选通控制接口顺序选通脉冲加热，即可在热敏纸上得到与图形完全一致的一行象素。

步进电机带动走纸，继续进行下一行象素的输出。

如此得到一张完整的图形。

使用8255作打印机接口

图形点阵打印程序

MOVR5,#15

MOVDPTR,#TAB1

MOVR0,#7FH

TP1:

MOVXA,@R0

JBACC.7,TP1

MOVA,#0

MOVCA，@A+DPTR

MOVX@R0,A

INCDPTR

DJNZR5,TP1

END

TAB1:

DB0FH（打印位点阵图命令），0FH（宽度），3EH，

DB22H，22H，0FFH，22H，22H，3EH，00H，82H，46H，

DB2AH，13H，2AH，46H，82H，0DH；

步进电机控制

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，是医学仪器中的主要控制元件之一。

它可以直接接受来自计算机的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以用起来非常方便。

例如：

在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移；进行位置控制。

用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行机构的控制。

步进电机在定位场合得到了广泛的应用

步进电机的工作就是步进转动。

在一般的步进电机工作中，其电源都是采用单极性的直流电源。

要使步进电机转动，就必须对步进电机定子的各相绕组以适当的时序进行通电。

步进电机的步进过程可以用图6-6-1来说明。

●该步进电机是一个三相感应式步进电机，其定子的每相都有一对磁极，每个磁极都只有一个齿，即磁极本身，故三相步进电机有三对磁极共6个齿；其转子有4个齿，分别称为0、1、2、3齿。

直流电源V通过开关A、B、C分别对步进电机的A、B、C相绕组轮流通电。

●初始状态时，开关A接通，则A相磁极和转子的0、2号齿对齐，同时转子的1、3号齿和B、C相磁极形成错齿状态。

●当开关A断开，B接通，由于B相绕组和转子的1、3号齿之间的磁力线作用，使得转子的1、3号齿和B相磁极对齐，则转子的0、2号齿就和A、C相绕组磁极形成错齿状态。

●此后，开关B断开，C接通，由于C相绕组和转子0、2号之间的磁力线的作用，使得转子0、2号齿和C相磁极对齐，这时转子的1、3号齿和A、B相绕组磁极产生错齿。

●当开关C断开，A接通后，由于A相绕组磁极和转子1、3号齿之间的磁力线的作用，使转子1、3号齿和A相绕组磁极对齐，这时转子的0、2号齿和B、C相绕组磁极产生错齿。

很明显，这时转子移动了一个齿距角。

●

如果对一相绕组通电的操作称为一拍，那么对A、B、C三相绕组轮流通电需要三拍。

对A、B、C三相绕组轮流通电一次称为一个周期。

从上面分析看出，该三相步进电机转子转动一个齿距，需要三拍操作。

由于按A→B→C→A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动了360º空间角，而这时转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。

在图6-6-1中，转子的齿数为4，故齿距角90º，转动了一个齿距也即转动了90º。

●对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距

角为:

●而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。

实际上，步进电机每一拍就执行一次步进，所以步进电机的步距角可以表示如下：

●

其中：

N是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。

●对于图6-1的三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步距角是:

●典型的步进电机控制系统原理图，如图6-6-2所示。

步进电机控制系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。

步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。

它的作用就是能把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向控制。

功率放大器的作用就是把控制器输出的环形脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。

在这种控制方案中，由于步进控制器线路复杂，成本高，因而限制了它的应用

如果用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器，则问题大大简化，不仅使线路简化，成本下降，而且可靠性也大大加强。

特别是用微型机控制，可根据系统的需要，灵活改变步进电机的控制方案，因而用起来更加灵活。

典型的计算机控制步进电机原理图，如图6-6-3所示

●步进电机驱动电路的作用是将CPU输出的控制脉冲进行功率放大，产生电动机工作所需的激励电流。

驱动电路的结构对步进电机的性能有着十分重要的作用，主要有单电压、双电压、斩波型、调频调压型和细分型等。

下面仅介绍单电压驱动电路。

●单电压驱动电路的原理图如图6-6-4所示。

对于三相步进电机则有单相三拍（简称单三拍）方式、双相三拍（简称双三拍）方式、三相六拍工作方式。

●1．单三拍

●为了使步进电机能正向旋转，对各相的通电顺序为：

A→B→C→A→…

●2．双三拍

●双三拍各相的通电顺序为：

AB→BC→CA→AB→…

●3．三相六拍

●三相六拍的通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A→…

步进电机控制程序设计

●控制程序的主要任务是：

●1）判别旋转方向。

●2）按顺序传送控制脉冲。

●3）判断所要求的控制程序是否传送完毕。

●下面以三相单三拍为例，介绍步进电机的控制程序设计。

●三相单三拍步进电机控制程序流程图如图所示。

●本程序采用循环设计法进行设计。

所谓循环设计法就是把环型节拍的控制模型按顺序放在内存单元中，然后按顺序逐一从单元中取出控制模型并输出。

这样，可以使程序大大简化，节拍越多，优越性越显著。

●三相单三拍控制程序流程图如图所示。

T_CON:

PUSHA；保护现场

PUSHPSW

MOVR7,#N；设定控制步数

JNBFLAG,LEFT；判断旋转方向

RIGHT:

MOVR0,RM；正转字模起始地址

AJMPROTATE

LEFT:

MOVR0,LM；反转字模首地址

ROTATE:

MOVA,@R0；取第一拍控制模型

MOVP1,A；输出第一拍控制模型

ACALLDELAY1

INCR0

MOVA,@R0；取第二拍控制模型

MOVP1,A；输出第二拍控制模型

ACALLDELAY