便携式心电遥测系统中A_D转换的实现

收稿日期:2007-06-06

基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(2006KJ086B)

作者简介:赵正平(1976-),女,安徽巢湖人,硕士研究生,讲师,研究方向为计算机应用、信号处理;吴小培,教授,博士,研究方向为盲信号处理、生物医学信息处理;陈 蕴,教授,研究方向为图像处理与模式识别、生物信息处理。

便携式心电遥测系统中A/D 转换的实现

赵正平1,2,吴小培2,陈 蕴1

(1.阜阳师范学院计算机系,安徽阜阳236032;2.安徽大学计算机科学与技术学院,安徽合肥230039)

摘 要:传统的心电信号模数转换电路大多采用并行的A/D 转换芯片,所以系统体积较大、功耗也大,不便于使用电池供电和随身携带。为解决上述问题提出了一种体积小、成本低、功耗低的心电信号A/D 转换设计方案。在硬件电路开发设计中使用的是12位串行的A/D 转换芯片MAX187,其转换速度并不慢,完全满足对心电数据采样的要求。详细地给出了AT 89S51单片机与MAX187的接口以及单片机对MAX187的控制程序,具有很好的应用价值。关键词:MAX187;A/D 转换;单片机;便携式

中图分类号:T P334 文献标识码:A 文章编号:1673-629X(2008)03-0207-03

Realization of A/D Conversion in Portable ECG Telemetry System

ZHAO Zheng ping 1,2,WU Xiao pei 2,CHEN Yun 1

(puter Department,Fuy ang N ormal College,Fuyang 236032,China;2.School of Computer Science and T echnology ,Anhui U niversity,Hefei 230039,China)

Abstract:The traditional ECG A/D conversion circuit used mostly parallel A/D conversion chip,therefore the system size,pow er con sumpti on i s large,does not facilitate the use of battery-powered and portable.T o resolve these issues,propose a small size,low cost,low pow er ECG A/D conversi on design.In the development of hardw are circuit design using a 12-bi t serial A/D conversion chip M AX187,its conversion rate is not slow,completely satisfies to the ECG data sam pling requirements.Presented microcontroller interface in detail AT89S51and M AX187as w ell as the control procedure,it has a good application value.Key words:M AX187;A/D converter;single-chip microprocessor;portable

0 引 言

文中研究的遥测系统,其信道中传输的是离散的二进制数字信号,所以,从人体采集到的模拟的心电信号必须要经过A/D 转换后,才能送入单片机处理,然后由发射模块发送出去。目前市场上的模数转换器很多,从接口上可分为并行接口和串行接口两种,并行接口芯片一般引脚多、体积大、功耗大、占用单片机口线多、但速度快。而串行接口芯片体积小,占用单片机口线少,但一般速度较慢。传统的心电采集和处理系统,大多采用并行的A /D 转换芯片,所以体积较大,功耗也大,不便于使用电池供电和随身携带。而便携式是

文中介绍的心电遥测系统主要特征之一,经过选择、比较,拟采用12位的串行A/D 转换芯片MA X187来实现心电信号的模数转换。它虽然是串行接口芯片,但其转换速度并不慢,完全满足对心电数据采样频率的要求,而且满足便携式产品体积小、功耗低的要求。

1 心电遥测系统结构设计

心电监测作为一种对人体心脏活动进行动态检测与分析的有效手段,在临床监护和人体素质分析中具有很好的应用价值。所设计的遥测系统总体上由发送模块和接收模块两部分组成,发送模块主要包括传感器、心电调理电路、A/D 转换电路、无线发射电路,其中,传感器和心电调理电路属于模拟电路,A/D 转换和无线发射电路属于数字电路,它们都是在单片机的控制下工作的。接收模块主要由无线接收电路、液晶显示等组成,同样也是在单片机的控制下工作的。该系统的总体结构框图如图1所示。

第18卷 第3期2008年3月 计算机技术与发展COM PUT ER TECHNOLOGY AND DEVELOPM ENT

V ol.18 No.3M ar. 2008

图1 遥测系统总体框图

心电信号由携带在人体上的专用电极拾取后送入心电调理电路,调理电路主要由放大和滤波电路组成。从体表采集到的心电信号首先经前置放大器初步放大,并在对各干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器,以滤除心电频率范围以外的干扰信号,然后由主放大器将滤波后的信号进一步放大到合适范围后,再经50Hz 和35Hz 陷波器滤除工频和肌电干扰[1],最后将符合要求的心电模拟信号从调理电路送入A/D 转换系统的模拟输入端,下一步将在单片机的控制下进行高精度的A/D 转换和转换结果的数据存储发射等工作。监测者在一定范围内的任何地点都能接收到由无线发射器发射过来的心电数据,经单片机分析处理后在液晶屏上实时地显示出高保真的心电波形,同时,单片机也可对接收到的心电数据进行实时的分析处理。

2 MAX187简介

MAX187是M AXIM 公司生产的具有SPI(Serial Peripheral Interface)总线接口的12位逐次逼近式(SAR)串行的A/D 转换芯片。

(1)M AX187的主要特点:

转换精度高:12位逐次逼近式(SAR)串行A/D 转换芯片;

转换速度快:转换速度为75kHz,转换时间为8.5 s;

!输入模拟电压:0~5V ;∀单一的+5V 供电;

#引脚数目少:可以是DIP8引脚封装,外接元件简单,使用方便;

∃M AX187具有内部基准,可以不用外部提供基准电压。

(2)M AX187芯片引脚及功能:MAX187芯片引脚如图2

所示。

图2 M AX187引脚排列图

引脚的功能如表1所示。

*VDD:工作电源+5V %5%;*GND:模拟和数字地;*REF:参考电压输入;*/CS :片选输入;

*AIN:模拟电压输入,范围为0~V REF 或0~4.096V;

*/SHDN:关闭控制信号输入,提供三级关闭方式:待命低功荒状态(电流仅10 A ),允许使用内部基准;禁止使用内部基准;

*DOUT :串行数据输出,在串行脉冲SCLK 的下降沿数据变化;

*SCLK:串行时钟输入,最大允许频率为5M Hz 。

表1 引脚的定义说明

引脚

名称功能

1VDD +5V 电源

2AIN 模拟量输入,范围0~V REF

3

/SH DN

操作模式选择,低电平为休眠模式。正常操作模式为高电平或悬空。高电平时采用内部参考,悬空时禁止内部参考

4REF 参考电压。内部参考为4.096V,使用内部参考时此引脚对地接一个4.7 F 电容。使用外部参考时,接2.5V-V DD 的基准电压5GND 地

6DOUT 数据输出7/CS 片选

8

SCLK

时钟最高为5MHz

(3)M AX187芯片的工作原理:

M AX187的读写操作要严格按照时序进行,M AX187完整的操作时序如图3所示。

图3 MAX187的操作时序

使用MAX187进行A/D 转换时的具体步骤是: 启动A/D 转换,等待转换结束。

变换开始和数据读出操作是由CS 和SCLK 数字输入控制的。当/CS 输入低电平时,在下降沿M AX187的采样/保持电路进入保持状态,启动A/D 转换,转换期间,SCLK 必须保持不起作用(即在转换期间,SCLK 不允许送入脉冲),此时DOUT 引脚输出低电平,充当传递&转换结束∋信号的作用。8.5 s 后DOU T 输出为高电平作为转换完成标志。

串行读出转换结果。

变换结束由DOUT 升高来发出信号,从SCLK 引

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