基于USB接口的脈搏檢測儀的設計論文

1、 PAGE25 / NUMPAGES32 編號信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)論文題 目基于USB接口的脈搏檢測儀的設計學生巍學 號11012111院 系電子信息工程專 業(yè)電子信息技術(shù)班 級110121指導教師金紅 顧問教師 云龍二一五年六月摘 要本文設計、制作了一種基于USB接口的脈搏檢測儀，硬件電路包括數(shù)據(jù)采集電路、放大濾波電路、控制電路與電源電路。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的微控制器C8051F320；儀器軟件設計分MCU固件程序設計、USB設備驅(qū)動程序設計、數(shù)據(jù)采集程序設計與軟件濾波程序設

2、計等四部分組成。儀器的硬件、軟件各部分配合良好，測試所得脈搏波形能夠正確反映人體脈搏的真實特征。該儀器同時具有使用、攜帶方便等優(yōu)點，現(xiàn)場測試表明：本系統(tǒng)已達到預期設計要求。關(guān)鍵詞：脈搏 光電傳感器 低通濾波 基線漂移 C8051F320AbstractIn this paper, design and production of a kind of pulse detector based on USB interface, enlarge hardware circuit including data acquisition circuit and filter circuit, contr

3、ol circuit and power circuit. The data acquisition part adopts photoelectric pulse sensor; Amplifier AD620 is adopted; Filter circuit composed of second-order active low-pass filter; Control circuit selects the microcontroller with USB controller and ADC with C8051F320; Instrument software design of

4、 MCU firmware program design, USB device driver design, data acquisition program design and the design of the software filtering programs of four parts. The parts of hardware and software of the instrument with good, testing the pulse waveform can correctly reflect the real characteristics of the pu

5、lse of the human body. The instrument also has the advantages of use, easy to carry, field test shows that this system has reached the expected design requirements.Keywords:Pulse Photosensor Low pass filtering C8051F320 USB interface目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc24135 摘 要 PAGEREF _Toc24135 I H

6、YPERLINK l _Toc15014 Abstract PAGEREF _Toc15014 II HYPERLINK l _Toc30789 第一章 引言 PAGEREF _Toc30789 1 HYPERLINK l _Toc2784 1.1脈搏檢測儀研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc2784 1 HYPERLINK l _Toc26006 1.2 設計研究的容 PAGEREF _Toc26006 2 HYPERLINK l _Toc32529 1.2.1 脈搏波檢測電路 PAGEREF _Toc32529 2 HYPERLINK l _Toc21050 1.2.3信號采

7、集與處理系統(tǒng) PAGEREF _Toc21050 3 HYPERLINK l _Toc25759 第二章 系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc25759 5 HYPERLINK l _Toc2497 2.1傳感器電路設計 PAGEREF _Toc2497 5 HYPERLINK l _Toc17813 2.1.1傳感器的定義與組成 PAGEREF _Toc17813 5 HYPERLINK l _Toc4063 2.1.2光電容積式麥博傳感器的原理 PAGEREF _Toc4063 5 HYPERLINK l _Toc31074 2.1.3光電傳感器的電路設計 PAGEREF _Toc310

8、74 6 HYPERLINK l _Toc24227 2.1.4光電式脈搏傳感器實驗測量和噪聲分析 PAGEREF _Toc24227 6 HYPERLINK l _Toc6322 2.2放大濾波電路設計 PAGEREF _Toc6322 7 HYPERLINK l _Toc32641 2.2.1放大電路的設計 PAGEREF _Toc32641 7 HYPERLINK l _Toc21715 2.2.2低通濾波電路設計 PAGEREF _Toc21715 9 HYPERLINK l _Toc7563 2.3 USB總線簡介 PAGEREF _Toc7563 9 HYPERLINK l _To

9、c30601 2.3.1 USB體系結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc30601 10 HYPERLINK l _Toc25228 2.4 MCU與外圍電路設計 PAGEREF _Toc25228 11 HYPERLINK l _Toc13887 2.4.1 C8051F320介紹 PAGEREF _Toc13887 11 HYPERLINK l _Toc15842 2.4.2 USB寄存器訪問 PAGEREF _Toc15842 14 HYPERLINK l _Toc7153 2.4.3 USB時鐘配置 PAGEREF _Toc7153 14 HYPERLINK l _Toc27470 2.4.

10、4 MCU為外圍電路設計 PAGEREF _Toc27470 14 HYPERLINK l _Toc10058 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc10058 16 HYPERLINK l _Toc270 第三章 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc270 17 HYPERLINK l _Toc26312 3.1 MCU固件程序設計 PAGEREF _Toc26312 17 HYPERLINK l _Toc18429 3.2數(shù)據(jù)采集程序設計 PAGEREF _Toc18429 18 HYPERLINK l _Toc27362 3.2.1 Visual Basic 6.0 簡介 PAGE

11、REF _Toc27362 18 HYPERLINK l _Toc30101 3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) PAGEREF _Toc30101 20 HYPERLINK l _Toc26247 3.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc26247 20 HYPERLINK l _Toc24316 第四章 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc24316 23 HYPERLINK l _Toc22641 第五章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc22641 25 HYPERLINK l _Toc13702 致 PAGEREF _Toc13702 26 HYPERLINK l _Toc11289

12、 參考文獻 PAGEREF _Toc11289 27引言 脈搏測試儀是用來測量一個人脈搏跳動次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現(xiàn)代醫(yī)學上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實現(xiàn)精確測量、精確顯示且計時功能準確等多種功能的便血石攜式全數(shù)字脈搏測量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟條件的改善，以與文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以與疾病種類、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類死亡的主要原因之一。因此，認識、預防與早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。 從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷

13、和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學價值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求。1.1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)）輸入輸出通道的發(fā)送與

14、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、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以與武備系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來交換數(shù)據(jù)和信息1。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（U-niversal Serial Bus）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)

15、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)卡等，幾乎所有的外部設備。目前主流的計算機均配備有R-S232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接口為通用外設接口的趨勢2。近年來日本、美國等國家的醫(yī)生、學者在醫(yī)學研究、針灸研究中設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用的報道。其中比較有代表性的儀器有美國醫(yī)學博士Jhon.H.laub研制的一種針灸臨床用的新型無

16、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與日本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3。雖然國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與測量設備獲得脈搏波形，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血液休積隨時間變化量轉(zhuǎn)換成導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

17、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4。1.2 設計研究的容包括傳感器的選用，傳感器驅(qū)動電路的設計、調(diào)理電路的設計、光電隔離電路設計、單片機最小系統(tǒng)設計、USB接口設計、人機接口的設計等。1.2.1 脈搏波檢測電路目前脈搏波檢測系統(tǒng)有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以與應變式脈搏傳感器。近年來光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學儀器工作的專家和學者的重視。本系

18、統(tǒng)設計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。所用光電式傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過手指，經(jīng)過手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動脈血在血液循環(huán)過程中呈周期性的脈動變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動脈血的脈動變化。1.2.2脈搏信號拾取電路 紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個二極管能產(chǎn)04V電壓，0.5mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR

19、333型紅外發(fā)射二極管工作波長都是940nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。1.2.3信號采集與處理系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動的干擾。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設計思路導致了檢測信號動態(tài)圍縮小，在受到運動干擾時，將導致由于干擾信號而帶來的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統(tǒng)采用過采樣技術(shù)，通過對信號的高速采樣來提高采樣精度，相當于用高分辨率的ADC對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達到了提高信噪比并

20、改善動態(tài)圍的效果。因此本系統(tǒng)對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號調(diào)理(放大和濾波)電路。第二章 系統(tǒng)硬件設計2.1傳感器電路設計2.1.1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2-1所示。被測量電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路圖2-1組成框圖2.1.2光電容積式麥博傳感器的原理生理學和解剖學中脈搏沒有專門的部位，也沒有專門對脈搏的講解，脈搏是一個非常復雜的過程，它是由心

21、臟收縮和舒產(chǎn)生的壓力，通過容量血管與阻力血管，在動脈產(chǎn)生的壓力變動以與有節(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叫脈搏，它是受心臟、血管、大腦中迷走神經(jīng)、交感神經(jīng)、與心臟神經(jīng)控制的一個非常復雜的過程。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幾十倍。皮膚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最多，而心臟舒

22、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。搏信號的頻率圍在 0.320Hz 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

23、動噪聲的干擾。2.1.3光電傳感器的電路設計在本設計中我們采用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2-2所示。圖2-2

24、光電式傳感器電路2.1.4光電式脈搏傳感器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

25、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。2.2放大濾波電路設計 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。2.2.1放大電路的設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

26、置級滿足下述要求：高輸入阻抗。光電信號是不穩(wěn)定的阻變化的微弱信號，為了減少信號源阻的影響，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。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)圍為 1-1000 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。它的電源圍寬(2.3V18V)，體積小,功耗低(最大供電電流僅為 1.3mA)，因而經(jīng)常使用在低電壓、低功耗的應用場合。AD620 的工作原理是：AD620 是在傳統(tǒng)的三運

27、放組合方式的基礎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，因部的超 處理，它的輸入偏移電流比一般情況低 10 倍。通過Q1-A1-R1 環(huán)路和 Q2-A2-R2 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=（R1+R2）/RG +1，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2-3所示。部增益電阻 R1 和 R2 被精確確定 24.7k ,使得運放增益精確地由確定：G=49.4k /RG +1

28、 或RG =49.4k /(G-1)。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置 2-5 倍的放大倍數(shù)，所以在前級放大電路的設計中令放大倍數(shù)為 101 倍，經(jīng)過計算RG =R3=500，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2-5所示。圖2-3 AD620原理圖圖2-4 AD620封裝引腳圖圖2-5 信號初級放大電路2.2.2低通濾波電路設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

29、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圍在0.320Hz之間，因此通過低通濾波器可以有效濾除50Hz工頻干擾與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2-6所示。圖2-6 二階低通濾波電路2.3 USB總線簡介 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是一個外部總線標準，用于規(guī)電腦與外部設備的連接和通訊。是應用在PC領域的接口技術(shù)。USB是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。與其它老式PC機接口相比，USB的有

30、如下優(yōu)點：(1)熱插拔。用戶可以把USB外設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，而不管計算機是否正在運行，這都不會損壞PC機和外設。(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。(4)低成本。USB能實現(xiàn)強大的功能，它比以前的接口更加復雜，但是它的組件和電

31、纜并不貴，帶有USB接口的外設和具有同樣功能的老外設接口相比，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?6)提供電源。USB電纜向外設提供了一根+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。2.3.1 USB體系結(jié)構(gòu)USB是一種電纜總線，支持在主機和各式各樣的即插即用的外設之間進行數(shù)據(jù)傳輸。由主機預定的標準協(xié)議使各種設備分享USB帶寬，當其它設備和主機在

32、運行時，總線允許添加、設置、使用以與拆除外設。(1)USB系統(tǒng)的描述一個USB系統(tǒng)主要被定義為三個部分:USB的互連；USB的設備(device)；USB的主機(host)。USB的互連是指USB設備與USB主機之間進行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面：總線的拓撲結(jié)構(gòu)：USB設備與主機之間的各種連接方式；部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置，USB的任務被分配到系統(tǒng)的每一個層次；數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動方式；USB的調(diào)度：USB提供了一個共享的連接。對可以使用的連接進行調(diào)度，以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，無須進行優(yōu)先級判別。(2)電源主要包括兩方面：電源分配：即USB的設備如何

33、通過USB分配得到由主計算機提供的能源；電源管理：即通過電源管理系統(tǒng)，USB的系統(tǒng)軟件和設備如何與主機協(xié)調(diào)工作。(3)總線協(xié)議USB總線是一種輪循方式的總線，主機控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸。每一次總線執(zhí)行動作最多傳送三個數(shù)據(jù)包。(4) 系統(tǒng)設置USB設備可以隨時的安裝和拆卸，因此，系統(tǒng)軟件在物理的總線布局上必須支持這種動態(tài)變化。 (5)USB設備USB設備分為諸如集線器、分配器或文本設備等種類。集線器類指的是一種提供USB連接點的設備，USB設備需要提供自檢和屬性設置的信息，USB設備必須在任何時刻執(zhí)行與所定義的USB設備的狀態(tài)相一致的動作。當設備被連接、編號后，該設備就擁有一個唯一的USB

34、地址。設備就是通過該USB地址被操作的，每一個USB設備通過一個或多個通道與主機通訊。所有USB設備必須在零號端口上有一指定的通道，每個USB設備的USB控制通道將與之相連。通過此控制通道，所有的USB設備都列入一個共同的準入機制，以獲得控制操作的信息。2.4 MCU與外圍電路設計2.4.1 C8051F320介紹美國Cynical公司是一家專業(yè)從事混合信號片上系統(tǒng)單片機設計與制造的半導體公司，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（System Onchip），具有與MCS-51核與指令集完全兼容的微控制器，除了具有標

35、準8051的數(shù)字外設部件之外，片還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設與功能部件。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。所有器件都有置的FLASH存儲器和256字節(jié)的部RAM,有些器件還可以訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（XRAM）。 (1)功能部件 10位的AD模擬外設；滿足USB2.0協(xié)議的USB功能控制模塊；片調(diào)試模塊；工作溫度圍：0-70；高速8051微控制器核

36、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)。1280字節(jié)的部數(shù)據(jù)RAM；16K字節(jié)的可以在系統(tǒng)編程的FLASH閃速存儲器。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。部晶振的精度為0.25，支持所有USB和UART模式；外部晶振器：晶體、RC、C或外部時鐘；置一個針對與USB控制器的片上時鐘乘法器。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U

37、SB部電源操作。 (2)性能特點 C805IF320在保持CISC結(jié)構(gòu)與指令系統(tǒng)不變的情況下，對指令運行實行流水作業(yè)，推出了CIP-51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/雙向以與上拉、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。有輸入/輸出電路單元通過相應的配置寄存器

38、控制的交叉開關(guān)配置到所選擇的端口上。(3)引腳與封裝C8051F320引腳圖如圖2-6所示。圖2-6 C8051F320引腳圖C8051F320封裝圖如圖2-7所示。圖2-7 C8051F320封裝圖VDD數(shù)字電源；GND模擬地；BEGIN5V校準器的輸入端；/RST/C2CK設備的復位引腳或EC2調(diào)試接口的時鐘信號；P3.0/C2D端口3.0或EC2調(diào)試接口的雙向信號引腳；VBUSUSB總線輸入腳；D+USB的D+；D-USB的D-；P0.2/XTALl端口0.2或外部晶振輸入；P0.3/XTAL2端口0.3或外部晶振輸出；P0.6/CNVSTR端口0.6或ADC0外部轉(zhuǎn)換開始輸入腳；P0.

39、7/VRFF端口0.7或外部參考電源的輸入端或輸出端；P0.0，P0.1，P0.4，P0.5，P1.0P1.7,P2.0P2.7均為相應的端口引腳。(4)電氣特性校準器的輸入電壓(REGIN引腳)：4.0-5.25V；VDD(電壓校準器的輸出)：3.0-3.6V(通常取3.3V)；VREG偏流(電壓校準器有效時)：70uA；CPU和USB運行時的供給電流：1mA(CPU時鐘為24MHz,USB時鐘為48MHz時)，或9mA(CPU時鐘為12MHz,USB時鐘為6MHz時)；部晶振頻率：12.0MHz；USB時鐘頻率：48.0MHz(全速)，6.0MHz(低速)。2.4.2 USB寄存器訪問US

40、B0控制器寄存器的訪問是通過兩個特殊功能寄存器來實現(xiàn)的，這兩個特殊功能寄存器是：USB0地址寄存器（USB0ADR）和USB0數(shù)據(jù)寄存（USB0DAT）。USB0ADR寄存器選擇讀/寫 USB0DAT 寄存器時的目標 USB 寄存器。對端點控制/狀態(tài)寄存器的訪問是通過先寫USB寄存器INDEX（用目標端點號）實現(xiàn)的。目標端點號被寫入INDEX寄存器后，就可以訪問與目標端點對應的控制/狀態(tài)寄存器。2.4.3 USB時鐘配置USB0具有全速和低速USB通信功能。通信速度通過特殊功能寄存器USB0XCN中的SPEED位選擇。當USB0工作在低速方式時，USB0時鐘必須為6MHz；當USB0工作在高速

41、方式時，USB0時鐘必須為48MHz。USB0 時鐘通過特殊功能寄存器CLKSEL選擇。時鐘恢復電路用輸入USB數(shù)據(jù)流調(diào)節(jié)部振蕩器，這使部振蕩器（和4倍時鐘乘法器）能滿足USB時鐘的精度要求。2.4.4 MCU為外圍電路設計MCU外圍電路整個電路由兩部分組成，分別為信號次級放大電路和電源電路。下面將對各部分電路依次進行說明。 (1)信號處理電路U3B 為 RC4558 型放大器，CD4052 為 4 路模擬開關(guān)，C8051F320的 P25、P24 與 CD4052 的 A、B 引腳相連，C8051F320 通過控制 P25、P24 引腳電平的變換選通 CD4052 的不同通道，從而調(diào)節(jié)信號的

42、次級放大倍數(shù)，以滿足實驗的要求，CD4052 的 A、B 引腳的電平變換與次級放大倍數(shù)的對應關(guān)系如表2.1所示。由于脈搏信號為交流信號，這就要求對輸入信號進行波形變換，CD4052輸出的模擬信號由LT1114、R13、R14、R17、R18組成的電路波形變換，然后經(jīng)過單片機P10引腳輸入，進行時鐘計數(shù)處理。這里我們設置 P10 、P07 為模擬信號輸入端，其中 P07 為參考輸入端。表 2.1引腳選擇與放大倍數(shù)對應關(guān)系引腳B引腳A選通通道放大倍數(shù)00Y0201Y1310Y2411Y25次級放大電路原理圖如圖2-8所示。圖2-8次級放大電路原理圖(2)電源電路由于該設備采用的是USB總線供電，且

43、電路中的有源器件多是采取雙電源供電方式，所以在電路中我們使用了由LM7805和LM7905組合成的提供5V電源電壓的電路，其電路連接圖如圖3.11所示，其中輸出的+5V電壓通過USB電纜中的VBUS電壓信號源與單片機相連接，C8051F320中集成了穩(wěn)壓器，可以將VBUS引腳檢測到的+5V電源穩(wěn)壓至單片機正常工作的的+3.3V電源電壓。該電源電路為整個電路系統(tǒng)供電。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了基于USB接口的脈搏檢測儀電路設計與硬件電路圖，并簡單介紹了用到的各元器件的引腳圖和引腳功能。包括傳感器電路設計、電壓信號放大、MCU外圍電路設計、電源電路等。第三章 系統(tǒng)軟件設計3.1 MCU固件程序

44、設計 本儀器架構(gòu)的MCU配合硬件電路完成控制傳送、程控放大等任務，大大減小了硬件設計的復雜度和成本。MCU對緩沖區(qū)管理器發(fā)送來的8字節(jié)控制指令進行解析，并將解析結(jié)果通知邏輯控制器。設備的信息，如設備描述符、接口描述符、端點描述符等都存于MCU的ROM中，在解析結(jié)果為主機要求獲得設備信息時，MCU將相關(guān)的數(shù)據(jù)都發(fā)至數(shù)據(jù)緩存器，再由數(shù)據(jù)通道上傳給主機。整體固件流程圖如圖3-1所示。圖3-1 整體固件流程 MCU除了要處理USB的控制指令，還要完成脈搏的程控放大功能，當主機發(fā)出擴大或縮小量程的指令給設備時，MCU首先對接收到的指令進行解析，得知是轉(zhuǎn)換量程的指令后，程序跳轉(zhuǎn)到量程轉(zhuǎn)換子程序，控制模擬開

45、關(guān)各通道的轉(zhuǎn)換。量程轉(zhuǎn)換中斷子程序流程圖如圖3-2所示。對于脈搏波形的計數(shù)，采用單片機為核心的計時法，計時法是對時鐘計數(shù)，測出相鄰兩個脈搏脈沖信號間的時間間隔。時鐘脈沖利用C8051F320部的時鐘。每來一個周期的脈搏脈沖，便啟動計數(shù)中斷，從而測量并計算脈搏跳動的頻率與次數(shù)。這種方法的頻率測量誤差來自于1個時鐘脈沖，誤差小，適合于低頻場合，脈搏頻率的測量非常適合采用這種方法。頻率測量如圖3-2所示。信號采集子程序流程圖如圖3-3所示。圖3-2量程轉(zhuǎn)換中斷程序流程圖3.2數(shù)據(jù)采集程序設計3.2.1 Visual Basic 6.0 簡介Visual Basic是在世界圍廣泛使用的一種強大的編程語

46、言，它為WINDOWS應用程序開發(fā)提供了最迅速和便捷的方法。不論是WINDOWS應用程序的專業(yè)開發(fā)人員還是初學者，Visual Basic都為他們提供了一整套工具用來方便的開發(fā)應用程序。VB之所以受到廣大編程人員與用戶的喜愛，除了VB簡單易學，不用對WINDOWS復雜的運行機制有所了解，同時，VB功能強大，完全勝任專業(yè)WINDOWS程序的開發(fā)。其良好的擴展性主要表現(xiàn)在：1、VB除了可以直接使用自定義控件和第三方提供的控件，還可以在其他語言環(huán)境（如Borland C+，Visual +）中根據(jù)需要制作自己的控件。2、VB可以調(diào)用動態(tài)庫（DLL）的函數(shù)，這意味著VB可以直接調(diào)用為數(shù)眾多的WINDO

47、WSAPI函數(shù)，這不僅大大的擴充了程序設計的能力，而且使VB實現(xiàn)了原來只能由VC或BC才能實現(xiàn)的若干功能。目前Visual Basic軟件開發(fā)團體是世界上最大的軟件開發(fā)團體，它為全世界數(shù)千種工具和控件開發(fā)商所支持。因此選擇Visu脈搏脈沖時鐘。圖3-3信號采集子程序流程圖T圖3-4頻率測量來自信號處理電路的脈沖電平輸入單片機C8051F320的P3.0引腳，單片機設為正跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖上升沿到達時觸發(fā)單片機產(chǎn)生中斷并進行計時，來一個脈沖脈搏次數(shù)就加一；定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機對一分鐘的脈沖次數(shù)進行累加，通過USB串口通訊把測量結(jié)果送到上位機數(shù)據(jù)采集界面顯示出來。a

48、l Basic開發(fā)工具具有很大的優(yōu)勢22。Visual Basic開發(fā)平臺，具有編程簡潔、程序集成度高的特點，可以充分利用其界面設計工具，迅速完成各種功能的圖形界面設計，得到美觀清楚的界面；它能充分利用系統(tǒng)的資源，有利于對大量數(shù)據(jù)、圖像進行處理；可以充分利用其面向?qū)ο蟮脑O計方法，也可由操作系統(tǒng)和其它應用程序的消息觸發(fā)（應用程序的運算結(jié)果，參數(shù)調(diào)用等），甚至由應用程序本身的消息觸發(fā)（自身收/發(fā)信息以與執(zhí)行自身程序產(chǎn)生的參數(shù)變化等）。3.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序用VB語言編寫，完成數(shù)據(jù)傳輸、脈搏顯示、數(shù)據(jù)管理等功能。軟件開始運行時點擊采集按鈕開始測量，在系統(tǒng)測量結(jié)束后可按退出按鈕關(guān)閉數(shù)據(jù)采

49、集程序界面，用戶可以選擇模擬通道放大倍數(shù)，測量時系統(tǒng)會實時反映出該測試用戶的脈搏數(shù)據(jù)，記錄按鈕功能鍵可以記錄最近3次的測量數(shù)據(jù)，以供測試用戶參考。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面如圖3-5所示。圖3-5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面3.3本章小結(jié)本章對脈搏檢測儀的軟件設計進行了比較詳細的介紹。軟件的設計包括MCU固件程序、USB設備驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)管理程序與軟件濾波程序。MCU用的是具有CIP51核的C8051F320，在這里采用Cygnal公司的IDE軟件和單片機仿真器進行軟件和硬件仿真調(diào)試。USB設備驅(qū)動程序采用Cygnal公司的C8051F通用驅(qū)功程序做模板，在源程序的基礎上做一些改動即成為該USB設備的驅(qū)動程序。數(shù)據(jù)管理程序用VB6.0來編譯調(diào)試。第四章 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析儀器