ARM数字式人体脉搏仪设计方案.docx
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ARM数字式人体脉搏仪设计方案
作者：
PanHongliang
封面
仅供个人学习
嵌入式系统设计
题目：
基于ARM的数字式人体脉搏仪的设计
专业：
电气工程及其自动化
学号：
K030941441
姓名：
张雄
2011年11月14日
-数字式人体脉搏器测量系统总体方案设计
1.1系统硬件电路设计方案
数字式人体脉搏器是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号,经信号放大电路对英进行放大。
然后，将放大后的脉搏信号通过A/D转换模块转换为单片机易于处理的脉冲信号。
通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在显示电路中直观的显示出来。
硬件原理框图如图1.1所示：
图1.1数字式人体脉搏仪测疑系统駛件原理框图
由图可知，本系统硬件部分主要由以下部分构成：
脉搏传感器部分、信号放大电路部分、A/D转换电路部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。
其中各部分实现功能如下：
（1）脉搏传感器部分。
选用合适的脉搏传感器，将脉搏信号转换成电信号输出。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决圧性的作用。
（2）信号放大电路部分。
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在亳伏级，需要进行放大。
所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
（3）A/D转换电路部分。
单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号，经A/D转化，便于单片机处理。
（4）单片机处理电路部分。
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（5）显示电路部分。
单片机处理得到的脉搏波动频率信息，最后在显示电路中直观地显示出来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
1.1.1脉搏传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。
脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和挠动脉搏动压力这样一些物理量（非电量）转换成为便于测量的电量。
脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决左性的作用。
目前，脉搏信号的测量方式主要有：
（1）光电脉搏波传感器。
血管不受压力时，血流均匀，反射光也比较均匀，故传感器无脉搏信号输岀；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到挤压，血管中的血液断续流动时，反射光也随之变化，这时传感器输出脉搏信号，达到了测量脉搏的作用。
这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，主要用于测量脉搏的跳动次数。
人体不同部位的脉搏波波形存在差异，光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。
（2）压力传感器测呈:
。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。
它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。
压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。
压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测屋与真空度的测疑。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
图1.2信号发生部分
英测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体挠动脉处，模仿人的指头。
这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。
脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测虽精度较髙。
本设计中的脉搏传感器用MPX4115压力传感器⑸，如图2.2所示。
表2.1表明了引脚连接,脚1接运算放大电路输入端，脚2接地，脚3接+5V电源等。
表2.2,2.3分别为传感器的一些参数。
表1.1MPX4115
引脚功能
1
2
3
4
5
6
Vout
地
Vs
N/C
XC
N/C
表1.2最大额左值（Tc=25°C）
参数
符号
数值
单位
最大压力（P1>P2）
Pmax
400
KPa
存贮温度
Tstg
-40—125
°C
操作温度
TA
-40〜+125
表1.3传感器工作特性参数W5.lVdc,Ta二25°C）
参数
符廿
最小
典型
最大
单位
压力范国
Pop
15
—
115
KPa
供电电压
Vs
4.85
5.1
5.35
Vdc
供电电流
Lo
一
7.0
10
mAdc
最大压力偏置'O°C〜85°C）
@Vs=5.OV
V冲
0.135
0.204
0.273
Vdc
满；K输岀（0°C〜85°C）
@Vs=5・0V
Voff
4.725
4.794
1.863
Vdc
满量程比例（0C〜85°C）
@Vs=5.0V
VFSS
4.521
1.590
1.695
Vdc
精度（0°C〜85°C）
±1.5
%V?
ss
灵敏度
v/p
一
45.9
—
mV/KPa
响应时间（10%〜90%）
tR
一
1.0
—
ms
J:
升报警时间
—
一
20
—
ms
偏宜稳左性
—
一
±0.5
—
%VFSS
1.1.2信号放大电路的选择
脉搏传感器岀来的电压信号较弱，一般任亳伏级，需要对其进行放大。
所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
MPX4115型压电式脉搏传感器输出电压大约为-10mv〜40mv,在后续电路中需要将其通过差动式放大电路，将信号放大，然后通过A/D转换电路转换为数字脉冲信号。
差动放大电路广泛地应用于模拟集成电路中，它具有很髙的共模抑制比。
诸如由电源波动、温度变化等外界干扰都会引起工作点不稳泄，它们都可以看作是一种共模信号。
差动放大电路能抑制共模信号的放大，对上述变化有良好的适应性，使放大器有较髙的稳定度。
所以本设计选择了差动放大电路。
1.1.3单片机的选择
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给岀脉搏波动频率。
以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
（1）AVR单片机
AYR单片机":
是ATMEL公司生产的单片机。
1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集的髙速8位单片机，简称AVR.相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。
其特点是高速度（50ns）.低功耗，硬件应用Harward结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。
AVR单片机如LPC2131等。
（2）凌阳单片机
凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点，它的CPU内核采用凌阳推出的MicrocontrollerandSignalProcessor16位微机处理器芯片,以卜简称SmicroonSP。
围^micro。
，nSP所形成的16位u，nSP系列单片机,以下简称µ。
’nSP家族。
采用的是模块式集成结构，它以&mig'nSP内核为中心集成不同规模的ROHPAM和功能丰富的务种外设部件。
µ。
’nSP内核是一个通用的和结构。
除此之外的其它功能模块均为可选结构。
以及这种结构可大可小可有可无，借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可成为各种系列的派生产品，以适合不同场合，这样做无疑会使每种派生产品具有更强的功能和更低的成本。
µ。
’nSP家族有有以下特点：
体积小，集成度髙，可靠性好易于扩展。
&micr。
。
’nSP家族把％功能把各功能部件模块化地集成在一个芯片里。
内部采用总线结构，因为减少了各功能部件之间的连接，提高了苴可靠性和抗干扰能力，期外，模块化的结构易于系列的扩展，以适应不同用户的需求。
具有较强的中断处理能力。
nSPTM家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
高性能价格比：
u'nSPTM家族片内带有髙寻址能力的ROM,静态RAM和多功能的I/O口，期外卩’nSPD啲指令系统提供岀具有较高运算速度的16位，16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用添加了DSP功能，使得卩’nSPTM家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利又比专用的DSP芯片廉价。
如SPCE061等。
（3）51单片机
51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。
该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，苴代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。
目前很多公司都有51系列的兼容机型推岀，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。
51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。
51单片机是INTEL公司生产的。
它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。
通用型,有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。
但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。
本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、il•算和显示，对单片机的要求不是很高。
而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机作为信息处理中心。
在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。
AT89S51就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，AT89S51的价格较低。
1.2系统软件方案选择
1.2.1脉搏波动频率测量方案的选择
通过放大电路经A/D转换之后的信号为脉冲信号。
脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即。
可以看出测疑fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个疑进行测呈:
。
对于不同的频率范弗I，有三种不同的测量方法。
（1）周期测量法：
适用于低频信号。
采用单片机内的一个泄时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。
被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx,因此被测信号周期为，每分钟脉搏跳动次数为。
（2）多周期同步法：
适用于中频信号。
英特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个il•数器进行同步计数。
（3）频率测量法：
适用于高频信号。
充分利用单片机内的两个左时/计数器，一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器。
人体脉搏波动频率一般为60〜80次/min,英频率成分主要分布在0〜20Hz之间，属于次声，最髙频率不超过40Hz,—般情况下为1Hz左右，属于低频信号。
所以，本设计中选择周
期测量法。
1.2.2单片机工作方式的选择
单片机数据传送方式一般有以下几种：
（1）査询方式：
由于CPU与外设之间存在时序、速度等差异，在数据传送前必须检测接口状态，探查外设是否数据准备就绪。
查询方式优点是结构简单，硬件开销小：
缺点是CPU在整个传送过程中需要不断检测外设状态，由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。
（2）中断方式：
CPU无需检测外设是否数据准备就绪，不占据CPU时间，因此CPU与外设并行工作，提髙了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。
本设计中，只对A/D转换后的脉冲信号进行频率计算，CPU工作不是很繁忙，可以选择查询方式。
1.2.3显示电路方案的选择
脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要在显示电路中直观地显示出来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。
脉搏波动频率一般为60〜80次/mine本设计中，显示位数较多。
可以选择LCD字符液晶屏来对脉搏波动频率信息进行显示。
它具有：
电参数（VDD二5.0V10%,VSS=0V,Ta=25）
显示内容：
16字符x2行
字符点阵：
5x8点
驱动方式：
1/16D
可供型号：
TNSTN（黄绿模灰模黑白模）
反射型带EL或LCD背光源⑸
LCD常用显示方法有两种：
静态显示和动态扫描显示。
（1）静态显示：
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形显示。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小，较小的电流能得到较髙的亮度且字符不闪烁。
静态显示适用于显示器位数较少时。
（2）动态扫描显示：
所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。
当显示位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示的方法。
本设计中，显示的脉搏波动频率，同时显示脉搏次数和测试时间，选用动态显示。
二数字式人体脉搏仪测量系统硬件电路设计
本设计中，脉搏波动频率测量的实现是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对英进行放大。
然后，将放大后的脉搏信号通过A/D转换电路转换为单片机易于处理的脉冲信号。
通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测虽:
和讣算，并在显示电路中直观的显示出来。
为达到电路结构简单实用的设汁目的，从设计要求出发，设计了信号放大电路、A/D转换电路，单片机处理电路及LCD显示电路等。
本章对各部分电路的设讣进行详细论述-与分析。
2.1信号放大电路的设计
脉搏传感器闾出来的电压信号较弱，在亳伏级，需要对其进行放大。
所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
本设计中采用的是差动式放大电路，如图2.1所示：
图2.1差动式放大电路
基本差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。
设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰,通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。
差动放大电路的基本形式对电路的要求是：
两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。
它的工作原理是：
当输入信号Ui二0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输岀电压Uo=Uc-Uc==Oo温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输岀电压仍然为零。
共模信号的作用，对两管的作用是同向的，将引起两管电流同呈:
的增加，集电极电位也同量减小，因此两管集电极输岀共模电压Uoc为零。
因此:
于是差动电路对称时，对共模信号的抑制能力强
差模信号的作用，由于信号的极性相反，因此T1管集电极电压下降，T2管的集电极电压上升，且二者的变化量的绝对值相等，所以，由此我们可以看出差模电压放大倍数等于单管电压的放大倍数。
图2.2A/D转换电路
2.2A/D转换电路的设计
放大后的脉搏信号，幅值为-IV〜4V,而在后续电路中，需要把放大后的脉搏信号转换为易于单片机处理得到脉搏波动频率信息的脉冲信号。
单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号，经A/D转化，便于单片机处理。
其原理图如图3.2所示。
只有当信号幅值在一泄范国内时才会实现模数转换功能，以便记录脉搏次数。
2.3单片机微处理系统的设计
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
从实用性、设汁、货源及价格的角度出发，并且考虑到本设计对单片机没有特殊的要求,选用了常用的AT89S51单片机㈢，其引脚如图2.3所示：
图2.3AT89S51单片机引脚图
在AT89S51单片机引脚图中，P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示。
本设汁正是利用TO口的左时功能实现对脉搏波动频率的测量。
AT89S51单片机不仅完全可以实现对脉搏波动频率测虽:
的控制要求，而且可以在线编程调试，符合设计的要求。
表2.1P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
本设汁中对脉搏频率的测量，采用周期测量法。
将单片机内左时/计数器TO定为16位泄时器，对内部机器周期计数。
将A/D转换出来的脉冲信号接到单片机的P2.5口上，则立时器的开关由程序根据P2.5口上的状态进行控制。
检测到上升沿时开TO讣数，当紧接着的期一个上升沿被检测到时关TOil•数。
单片机微处理系统硬件电路如图3.4所示。
图2.4单片机微处理系统硬件电路
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出:
Pl.1T2EX（左时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）：
Pl.5MOSI（在系统编程用）；
Pl.6MISO（在系统编程用）；
Pl.7SCK（在系统编程用）。
图2.5LCD1602液晶显示
表2.21602液晶时序参数
时序参数
符号
最大值
典型最小
单位
测试条件
值
值
E信号周期
tc
400
—
—
ns
引脚E
E脉冲宽度
150
—
—
ns
引脚E
E上升/下降时间
tntr
—
—
25
ns
引脚E
地址建立时间
tspi
30
—
—
ns
引脚ERSRW
地址保持时间
tsDl
10
_ns
引脚ERSRW
数据建立时间
（读操
10
引脚DB-DB7
to
—
—
ns
作）
0
数据保持时间
（读操
引脚DB-DB7
tHD：
20
—
一ns
作）
数据建立时间
（写操
引脚DB-DB7
tsp：
40
—
一ns
作）
数据保持时间
（写操
引脚DB-DB7
tHDS
10
—
一ns
作）
2.4LCD显示硕件电路的设汁
脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要在显示电路中直观地显示岀来。
所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
本设计中，采用1602字符液晶屏⑹动态显示方式来显示脉搏波动频率信息。
显示电路如图2.5所示，1602字符液晶屏时序参数如表2・2所示，硬件端口左义及软件资源分配如表2・3所示。
表2.3液晶驱动程序硬件端口资源分配表
硬件端口
分配资源
说明
RS
P0.0
寄存器选择控制线
RW
P0.1
LCD读写控制线
E
P0.2
启用控制线，高电平动作
LCD
P2
双向数据总线
字符串显示位置标志，为0时显示在第一行，为1时显
POS.FLAG
20H
示在第二行
BLANK
30H
淸行时填入的空格个数控制变量
LCD初始化
液晶显示模块1602的控制指令：
1602的控制指令共11条，其中9条针对命令寄存器IR的,
列外2条是针对数据寄存器DR的，具体指令如表3.4所示。
表2.41602指令表（注：
X表示可以为0或1）
编
指令RSRWD7D6D5D4D3D2DIDO
号
表2・4的相关命令设置如表2・5所示:
表2・51602指令相关设置
命令
设置
命令
设置
I/D
1—增量方式，0—减屋方式
S/C
1—显示器移位,0—光标移位
S
1—不移动，0—移动
R/L
1—右移，0—左移
D
1—显不，0—不显不
DL
1—8BIT,0—6BIT
C
1—显示光标，0—不显示光标
N
1—2行，0—1行
B
I—光标闪烁，0—光标不闪烁
F
1—5*10字型，0—5*7字型
BF
1—正在执行内部操作，0—可接
收命令
控制信号（RS、RW、E）与对应功能的真值表如表3.6所示:
表2.6控制使能端貞•值表
RS
RW
E
功能
RS
R/W
E
功能
0
0
下降沿
写指令代码
1
0
下降沿
写数据
0
1
上升沿
读忙标志和AC码
1
0
上升沿
读数据
三数字式人体脉搏仪测量系统软件设计
从脉搏传感器出来的脉搏信号，经过放大电路、电压基准变化电路、过零比较器，转换为脉冲信号之后，需要对单片机进行编程，实现对脉搏波动频率的测量、计算和显示。
本设计中，软件设计采用模块化结构。
根据脉搏波动频率测量系统的设左功能，将软件划分为若干个功能相对独立的模块，主要有系统主程序和脉搏波动频率测量模块。
本章给出主要模块的程序设计思想和流程图。
3.1脉搏频率测量原理
脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即fx二N/t可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。
周期测量法：
适用于低频信号。
采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts,如图3.1所示。
被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx,因此被测信号周期为。
图3.1周期测疑法原理
多周期同步法:
适用于中频信号。
苴特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期,而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。
首先，由单片机给出闸门开启信号，此时，计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，才真正开始讣数。
然后，两级计数器分别对被测信号和标准信号计数。
当单片机给岀闸门关闭信号后，计数器并不立即停止
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