基于usb接口的脉搏检测仪的设计.docx

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基于usb接口的脉搏检测仪的设计

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

基于USB接口的脉搏检测仪的设计

学生姓名

刘巍

学号

11012111

院系

电子信息工程

专业

电子信息技术

班级

110121

指导教师

杨金红

顾问教师

孙云龙

二〇一五年六月

摘要

本文设计、制作了一种基于USB接口的脉搏检测仪，硬件电路包括数据采集电路、放大滤波电路、控制电路及电源电路。

其中数据采集部分采用的是光电脉搏传感器；放大电路采用了AD620；滤波电路由二阶有源低通滤波器构成；控制电路选用了带USB控制器、ADC的微控制器C8051F320；仪器软件设计分MCU固件程序设计、USB设备驱动程序设计、数据采集程序设计及软件滤波程序设计等四部分组成。

仪器的硬件、软件各部分配合良好，测试所得脉搏波形能够正确反映人体脉搏的真实特征。

该仪器同时具有使用、携带方便等优点，现场测试表明：

本系统已达到预期设计要求。

关键词：

脉搏光电传感器低通滤波基线漂移C8051F320

Abstract

Inthispaper,designandproductionofakindofpulsedetectorbasedonUSBinterface,enlargehardwarecircuitincludingdataacquisitioncircuitandfiltercircuit,controlcircuitandpowercircuit.Thedataacquisitionpartadoptsphotoelectricpulsesensor;AmplifierAD620isadopted;Filtercircuitcomposedofsecond-orderactivelow-passfilter;ControlcircuitselectsthemicrocontrollerwithUSBcontrollerandADCwithC8051F320;InstrumentsoftwaredesignofMCUfirmwareprogramdesign,USBdevicedriverdesign,dataacquisitionprogramdesignandthedesignofthesoftwarefilteringprogramsoffourparts.Thepartsofhardwareandsoftwareoftheinstrumentwithgood,testingthepulsewaveformcancorrectlyreflecttherealcharacteristicsofthepulseofthehumanbody.Theinstrumentalsohastheadvantagesofuse,easytocarry,fieldtestshowsthatthissystemhasreachedtheexpecteddesignrequirements.

Keywords:

PulsePhotosensorLowpassfilteringC8051F320USBinterface

第1章引言

脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此，在现代医学上具有重要的作用。

目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便血石携式全数字脉搏测量装置很少。

随着人们生活环境和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。

但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。

其发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。

因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。

从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。

几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。

脉搏波所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。

但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

1.1脉搏检测仪研究现状和未来的发展趋势

脉搏传感器检测的信号要通过串行通讯的方式传输给微处理器。

串行通讯是把主系统与子系统（或系统与系统、或子系统与子系统）输入输出通道的发送与接收端连接在一起作为信息交流的公共通道，以达到相互之间通讯的目的。

利用这种方法可以节省通讯时间，提高信息交换速度，减少相互间连线，从而有效提高系统的可靠性和降低系统成本。

因此，在数据采集、数据通信、计算机网络、分布式工业控制系统以及武备系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息[1]。

目前常用的串行总线接口标准主要有RS232、RS422、RS423、RS485和USB等。

RS232总线是PC机早期采用的通用串行总线,至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。

通用串行总线（U-niversalSerialBus）与以往的传统方式相比具有传输速度快、支持即插即用、功耗低等优点，已成为新型数据通信接口的首选，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、MP3机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、USB网卡等，几乎所有的外部设备。

目前主流的计算机均配备有R-S232和USB两种串行接口，而早期的计算机主板只支持RS232串行接口，当今则以USB接口为通用外设接口的趋势[2]。

近年来日本、美国等国家的医生、学者在医学研究、针灸研究中设计了一些脉象客观描记仪器或装置。

这些仪器的主要功能是描记脉象波形，是用作临床观察脉象变化的工具。

但是这些仪器装置大多数没有形成产品，也没有见到广泛临床应用的报道。

其中比较有代表性的仪器有美国医学博士Jhon.H.laub研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪，日本的田口贤辉发明的一种“压力、脉搏测定装置”、日本的代用文彦设计了一种“局部加压型可偿还脉装置”、日本Cofnia公司研制的一种CBM—3000/2000型挠动脉脉波检测仪以及日本Sony公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为脉波传感元件的脉波检测仪[3]。

虽然国内外在提取脉搏图像方面已经开展了大量的工作，先后研制了不同种类的传感器及测量设备获得脉搏波形，但从研制情况看，大部分传感器不能模拟中医切脉诊法来检测脉搏信号，适用性不够好。

例如80年代研制的液态传感器利用将单位长度管段动脉内血液休积随时间变化量转换成导电液柱体电阻的改变参量来测最脉搏波的。

这种传感器虽然有较高的灵敏度，但出于液态传感器本身结构特点的限制使测量过程并不十分方便。

所以人体脉搏信号采集装置的研究仍有其可行性和必要[4]。

1.2设计研究的内容

包括传感器的选用，传感器驱动电路的设计、调理电路的设计、光电隔离电路设计、单片机最小系统设计、USB接口设计、人机接口的设计等。

1.2.1脉搏波检测电路

目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：

光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。

近年来光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。

用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。

本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。

  传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

所用光电式传感器由发光二级管和光敏二极管组成，其工作原理是：

发光二极管发出的光透射过手指，经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。

由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。

1.2.2脉搏信号拾取电路

红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产0．4V电压，0.5mA电流。

BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。

红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。

1.2.3信号采集及处理系统

由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。

传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。

本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。

因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理（放大和滤波）电路。

第二章系统硬件设计

2.1传感器电路设计

2.1.1传感器的定义与组成

传感器（Transducer/Sensor）在我国国家标准（GB7665—1987）中的定义是：

“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

传感器一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成，组成框图如图2-1所示。

图2-1组成框图

2.1.2光电容积式麦博传感器的原理

生理学和解剖学中脉搏没有专门的部位，也没有专门对脉搏的讲解，脉搏是一个非常复杂的过程，它是由心脏收缩和舒张产生的压力，通过容量血管与阻力血管，在动脉内产生的压力变动以及有节律性的冲动形式，它存在于身体的每个部位。

通常人们对感触到的体表的反应叫脉搏，它是受心脏、血管、大脑中迷走神经、交感神经、及心脏神经控制的一个非常复杂的过程。

就容积式脉搏波的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位于肢体前端，容易实现非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经指总动脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状动脉弥散至毛细血管，然后从静脉回流。

血液是一种高度不透明的液体。

近红外单色光在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。

皮肤内的血液容积在心脏作用下呈波动性变化，当心脏收缩时外周血容量最多，而心脏舒张时则外周血容量减小。

血容积搏动使组织中血液透光率随之变化，当光源和光敏元件置于被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。

在检测系统中将变化量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波。

搏信号的频率范围在0.3－20Hz之间，小于工频50Hz，因此必须通过低通滤波电路滤除工频干扰，这里我们使用二阶低通滤波电路进行滤波处理。

在通常脉搏测量过程中，手指和光电式脉搏传感器可能产生相对运动，会使脉搏测量产生误差，这里我们采用指夹式机械模型，提高其机械抗运动性，使指夹能够更紧的夹在手指上，不易松动来降低运动噪声的干扰。

2.1.3光电传感器的电路设计

在本设计中我们采用IR333型红外发射二极管作为光源，BPW83型红外接收二极管作为光电转换器件，两种二极管的峰值波长都在900nm附近，在指夹中，红外发射二极管和红外接收二极管并排摆放。

R2选500Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。

R2过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。

反之，R2过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号，电容C1起到隔直通交的作用，因为从光电二极管拾取的电压信号是直流和交流叠加的信号。

光电传感器电路原理图如图2-2所示。

图2-2光电式传感器电路

2.1.4光电式脉搏传感器实验测量和噪声分析

在测量过程中，前端测量到的脉搏信号十分微弱，容易受到外界环境的干扰，因此需要对脉搏传感器的干扰噪声进行分析，从光电式脉搏传感器设计的技术角度减少干扰，使之能够准确测量到脉搏信号，光电式脉搏传感器的干扰主要有测量环境光干扰、工频干扰、测量过程运动噪声，下面对上述情况结合仪器软硬件设计做进一步的分析。

在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅有包含脉搏信息的反射光的信号，而且有测量环境下的背景光信号，由于动脉波动引起的光强变化比背景光的变化微弱得多，因此在测量过程当中要保持测量背景光的恒定，减少背景光的干扰。

在同时考虑到传感器使用的方便性，本仪器采用特制的指夹封装形式，整个外壳采用不透光的介质和颜色，尽量减小背景光的影响。

工频干扰是电路中最常见的干扰，脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工

频信号的干扰，因此对工频信号干扰的抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。

2.2放大滤波电路设计

由光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为微伏量级或毫伏量级，所以首先要对信号进行放大，介于此系统的特点，我们使用了两级放大电路，分别为初级放大和次级放大。

在信号采集过程中，工频、人体位移、呼吸作用等都会对原始信号产生干扰，所以必须对信号进行滤波处理。

2.2.1放大电路的设计

由于光电传感器拾取的脉搏信号十分微弱，仅为微伏量级或毫伏量级，所以要求前置级满足下述要求：

高输入阻抗。

光电信号是不稳定的内阻变化的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗，所以要求放大器具有高的输入阻抗。

低噪声、低漂移。

可以减小信号源的影响，增强信号的拾取能力，使输出稳定。

AD620是一种仅需在其引脚跨接一个电阻就能调节放大倍数的低功耗、高精度仪表放大器，其放大倍数调节范围为1-1000倍，尽管AD620由传统的三运放组成，但一些主要性能却优于由三个分立运放构成的仪表放大器。

它的电源范围宽（±2.3V—±18V），体积小,功耗低（最大供电电流仅为1.3mA），因而经常使用在低电压、低功耗的应用场合。

AD620的工作原理是：

AD620是在传统的三运放组合方式的基础上研制的单片仪用放大器。

输入三极管Q1和Q2提供了唯一双极差分输入，因内部的超β处理，它的输入偏移电流比一般情况低10倍。

通过Q1-A1-R1环路和Q2-A2-R2环路的反馈，保持了Q1，Q2集电极电流为常量，所以输入电压相当于加在外接电阻R的两端，从输入到A1/A2输出的差分放大倍数为G=（R1+R2）/RG+1，由A3组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与REF管脚电位有关的单路输出。

AD620原理图如图2-3所示。

内部增益电阻R1和R2被精确确定24.7k,使得运放增益精确地由确定：

G=49.4k/RG+1或RG=49.4k/（G-1）。

由于经光电传感器采集到的信号为毫伏量级，并且在信号的次级放大中还可以设置2-5倍的放大倍数，所以在前级放大电路的设计中令放大倍数为101倍，经过计算RG=R3=500Ω，交流信号由2、3引脚输入经放大后通过低通滤波器进行处理。

信号初级放大电路原理图如图2-5所示。

图2-3AD620原理图

图2-4AD620封装引脚图

图2-5信号初级放大电路

2.2.2低通滤波电路设计

滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。

工程上常用它处理信号、传送数据和抑制干扰。

有源滤波和无源滤波相比，有源滤波采用了集成运放，集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。

通常脉搏信号的频率范围在0.3－20Hz之间，因此通过低通滤波器可以有效滤除50Hz工频干扰及其他的高频噪声干扰。

本文采用二阶有源低通滤波器对经初级放大后的信号进行滤波处理。

二阶低通滤波电路图如图2-6所示。

图2-6二阶低通滤波电路

2.3USB总线简介

USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

是应用在PC领域的接口技术。

USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。

与其它老式PC机接口相比，USB的有如下优点：

（1）热插拔。

用户可以把USB外设连接到一台正在运行的PC机上，操作系统能自动识别，并且用户可以立即使用，而不需要重新启动PC机。

用户可以在任何时候断开USB外设，而不管计算机是否正在运行，这都不会损坏PC机和外设。

（2）即插即用。

USB实现了自动配置，它不需要用户手工配置I/O地址和中断请求。

当USB外设接入PC机时，操作系统会自动检测到这个连接，并加载合适的驱动程序。

（3）共享式接口。

USB端口支持多个外设的连接，采用“菊花瓣”式的连接方式。

通过USB集线器，一个USB主控制器上最多可连接127个外设。

（4）低成本。

USB能实现强大的功能，它比以前的接口更加复杂，但是它的组件和电缆并不贵，带有USB接口的外设和具有同样功能的老外设接口相比，所需费用差不多，有时会更少一些。

（5）性能可靠。

USB系统通过硬件设计和数据传输协议两方面来保证其传输的可靠性。

（6）提供电源。

USB电缆向外设提供了一根+5V的电源线，电流的大小取决于集线器，最小为100mA，最大不会超过500mA，用户可以直接使用这个总线电源。

另外，USB支持低功耗模式，如果其连续3ms没有总线活动的话，USB就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。

2.3.1USB体系结构

USB是一种电缆总线，支持在主机和各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。

由主机预定的标准协议使各种设备分享USB带宽，当其它设备和主机在运行时，总线允许添加、设置、使用以及拆除外设。

（1）USB系统的描述

一个USB系统主要被定义为三个部分:

USB的互连；USB的设备（device）；USB的主机（host）。

USB的互连是指USB设备与USB主机之间进行连接和通信的操作，主要包括以下几方面：

总线的拓扑结构：

USB设备与主机之间的各种连接方式；内部层次关系：

根据性能叠置，USB的任务被分配到系统的每一个层次；数据流模式：

描述了数据在系统中通过USB从产生方到使用方的流动方式；USB的调度：

USB提供了一个共享的连接。

对可以使用的连接进行调度，以支持同步数据传输，无须进行优先级判别。

（2）电源

主要包括两方面：

电源分配：

即USB的设备如何通过USB分配得到由主计算机提供的能源；电源管理：

即通过电源管理系统，USB的系统软件和设备如何与主机协调工作。

（3）总线协议

USB总线是一种轮循方式的总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。

每一次总线执行动作最多传送三个数据包。

（4）系统设置

USB设备可以随时的安装和拆卸，因此，系统软件在物理的总线布局上必须支持这种动态变化。

（5）USB设备

USB设备分为诸如集线器、分配器或文本设备等种类。

集线器类指的是一种提供USB连接点的设备，USB设备需要提供自检和属性设置的信息，USB设备必须在任何时刻执行与所定义的USB设备的状态相一致的动作。

当设备被连接、编号后，该设备就拥有一个唯一的USB地址。

设备就是通过该USB地址被操作的，每一个USB设备通过一个或多个通道与主机通讯。

所有USB设备必须在零号端口上有一指定的通道，每个USB设备的USB控制通道将与之相连。

通过此控制通道，所有的USB设备都列入一个共同的准入机制，以获得控制操作的信息。

2.4MCU及外围电路设计

2.4.1C8051F320介绍

美国Cynical公司是一家专业从事混合信号片上系统单片机设计与制造的半导体公司，它在市场上推出了53个品种的C8051F系列片上系统单片机。

C8051F系列单片机是集成的混合信号片上系统SOC（SystemOnchip），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

C8051F系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列（PCA）、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。

所有器件都有内置的FLASH存储器和256字节的内部RAM,有些器件还可以访问外部数据存储器（XRAM）。

（1）功能部件

10位的AD模拟外设；满足USB2.0协议的USB功能控制模块；片内调试模块；工作温度范围：

0℃-70℃；；高速8051微控制器内核采用流水线指令结构，其70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期：

速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz时）。

1280字节的内部数据RAM；16K字节的可以在系统编程的FLASH闪速存储器。

25个字节宽的端点I/O；所有口线均耐5V电压；可同时使用UART串口、硬件SMBusTM、SPITM；带有4个可编程的16位计数器/定时器阵列；带有5个捕捉/比较模块的通用16位计数器/定时器。

内部晶振的精度为0.25，支持所有USB和UART模式；外部晶振器：

晶体、RC、C或外部时钟；内置一个针对与USB控制器的片上时钟乘法器。

片上的参考电源校准器支持USB总线电源操作；校准器的Bypass模式支持USB内部电源操作。

（2）性能特点

C805IF320在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，推出了CIP-51的CPU模式，从而大大提高了指令运行速度，使8051兼容机系列进入了8位高速单片机行列。

传统的单片机I/O端口大都是固定为某个特殊功能的输入/输出口，可以是单功能或多功能，I/O口可编程选择为单向/双向以及上拉、开漏等。

这种固定方式既占用较多引脚，配置又不够灵活。

C8051F320采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。

在这种通过交叉开关配置的I/O端口系统中，单片机外部为通用I/O口，如P0口、P1口和P2口。

内有输入/输出电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

（3）引脚及封装

C8051F320引脚图如图2-6所示。

图2-6C8051F320引脚图

C8051F320封装图如图2-7所示。

图2-7C8051F320封装图

VDD—数字电源；

GND—模拟地；

BEGIN—5V校准器的输入端；

/RST/C2CK—设备的复位引脚或EC2调试接口的时钟信号；

P3.0/C2D—端口3.0或EC2调试接口的双向信号引脚；

VBUS—USB总线输入脚；

D+—USB的D+；

D-—USB的D-；

P0.2/XTALl—端口0.2或外部晶振输入；

P0.3/XTAL2—端口0.3或外部晶振输出；

P0.6/CNVSTR—端口0.6或ADC0外部转换开始输入脚；

P0.7/VRFF—端口0.7或外部参考电源的输入端或输出端；

P0.0，P0.1，P0.4，P0.5，P1.0～P1.7,P2.0～P2.7均为相应的端口引脚。

（4）电气特性

校准器的输入电压（REGIN引脚）：

4.0-5.25V；VDD（电压校准器的输出）：

3.0