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1、浙江工业大学 硕士学位论文 基于MSP430数字处理心律计的研究 姓名：陆松波 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：阮健;曹志锡 20071201 浙江l 业大学 学位论文原创性卢明 本人筛重声u 丹：所提交的学位论文是本人在导师的指导F ，独立进行研究1 作所取得的 研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本沦文不包含其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果，也不含为获得浙江1 j 业大学绒其它教育机构的学位证书而使崩过的材料。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，。均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名 臌松族 ( 学位论文版权使用授权书 日期
2、母，月，如 本学位论文作者完全_ 解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可 以将本学侮论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，呵以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存垌汇编本导：f t 论文。 木学位沦文属丁 作者签名 导师签名 l 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保岔咣 O ) ，再与另一个设定值( f 1 ) 。 2 高通滤波器。它的频率特性与低通相反，阻带位于低频范围内，带通则由 f l 延伸至无限大。 3 带通滤波器。它的通带限定在两个有限频率f l 与f 2 之间，
3、通带两侧都有 阻带。 4 带阻滤波器。它的阻带限定在两个有限频率f l 与f z 之间，阻带两侧都有 通带。 以上四种滤波器的频谱特性可用图4 - I 来示意。 ( n ) 低通滤被器特性c 带i 谳普特性 ( b j 高通滤被嚣特性 d 】带阻滤波器特性 图4 1 低通，高通，带通，带阻滤波器特性图 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 在脉冲传输系统中( 如脉码调制，数据传输，电视等) ，不仅信号的衰减特性， 而且信号的相位( 或时延) 特性也必须满足一定的条件。在这情况下，滤波器的设 计必须同时考虑衰减和时延的要求。 根据使用的波段和元件的不同，滤波器有很多种类，而且随着技术的发展， 种类还
4、在不断增加。总的说来，滤波器可分为两大类：无源滤波器和有源滤波器。 在无源滤波器中，所使用的是无源元件。它们在个体或组合的情况下。能够 把一种形式的能量变换为另一种形式，并重新变回到原来形式，换言之，它们必 须是谐振性的。例如，在一个L c 谐振电路中，在电容器的电场和电感线因的磁场 之间不断发生着能量的反复交换。因此，如果两个不同的储能装置当互相耦合时， 能够以很小的损耗实现能量的交换，它们就可以被利用为滤波器元件。 在一个谐振体( 振子) 中，用来标志能量交换效率的一个参数为品质因数或Q 值。在某一规定条件下，如果有几种元件可供选择，通常就选用Q 值较高的那一 种。特别是，当设计一个窄通带
5、的带通滤波器时，尤其要这样考虑。如果这个滤 波器的中心频率为f o 。，带宽为f ，则Q 位必须远大于比值f o A f 。 无源滤波器主要包括：L c 滤波器，晶体和陶瓷滤波器，机械滤波器，分布参 数滤波器。 在各种无源滤波元件的Q 值可达到数千。由于谐振频率主要决定于各震子的 尺寸、所以具有很好的温度稳定性。当频率增高到1 0 0 0 兆赫以上时，常用传轴线 的Q 值将减小到很低数值。为了取得有效的滤波作用，必须采用尺寸较大的元件。 能满足达到要求的元件是波导，它通常具有圆形或者距形的截面，其半径或宽度 大于半波长。由于它具有较大的截面积，而且取消了有耗的中心导体，所以将一 个半波长的波导
6、节的两端短接而构成的腔体是一个极好的振子。在1 0 0 0 兆赫，Q 在3 0 0 0 0 左右；在1 0 0 0 0 兆赫，Q 只减小到大约7 0 0 0 。这种就是笨重的R c 有源滤 波器。 另一类有源滤波器是数字滤波器。这是一种按数字形式进行运算的滤波器。 它的基本原理是首先利用取样开关和模拟一数字转换器将一个连续性信号转换成 数字信号。在一个数字计算器完成所要求的传输函数运算之后，再通过数字一模 拟转换器和保持电路，使信号形成最后要求的波形。数字滤波器具有较高的准确 性和稳定性。这种滤波器将在后面的单片机中用到。具体介绍看M S P 4 3 0 F 4 4 9 的数 字滤波器中。“3
7、 1 ” 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 4 2 模拟滤波器的设计 在这个设计中主要用到的是有源滤波器( 但是带有部分无源的原理) 如图4 2 带通滤波山双运算集成电路oP 2 1 5 构成。oP 2 1 5 具有高精度、低偏置、低功耗 等特性，片内集成了两个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路。由于心电信号 频带主要集中在0 0 5 - 1 0 0 HZ 左右，频带较宽，为此，采用OP2 1 5 的两个运放 分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器并组合成带通滤波“”2 “。其中，U 3 A 、 C5 、C4 、R 7 、R 8 构成高通滤波器，为不损失心电信号的低频成分，其截止频 率设计为：
8、f = l 2 C 4 C5 R8R 71 2= O 03HZ ( 4 1 ) U 4 A 、R 9 、R10 ，C 6 、C 7 构成低通滤波器，同样，为不损失其高频成分， 截止频率设计为： f = l 2 C 6 C 7 R 9 R101 2= l30HZ( 4 2 ) 图4 屯滤波器电路图 4 3 模拟滤波器的仿真试验 利用仿真工具作有目的的仿真是最简单直接的仿真方法，在本次模拟滤波器 的仿真过程中采用了Q u a r t u s I I ，Q u a r t u s I I 内部带有仿真器，只要通过建立正确 3 0 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 的V e c t o rW a v
9、e f o r mF i l e ( 向量波形文件) 就可以开始仿真了。图4 3 所示为 Q u a r t u s I I 内部仿真器得到的8 阶F I R 的脉冲响应波形。 图4 38 阶F I R 的脉冲响应波形 通过仿真测试对比，经过本设计滤波器滤波之后所采集到的信号，明显地去 除了由红外线发生器产生的高频信号和模拟电路中器件相互影响产生的电路噪声 和人体电极产生的噪声，精确地输出了所需要的波形。具体对比由图4 - 4 、图4 5 、 图4 6 所示。 图4 4 滤波前波形图( 一) 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 连一胤三I - M 5 气剽一r 册。， 倒 I I l ：。J o
10、o ，- _ 淫 I 儿。 I I I Ii t I _ I l 。h l I1 L I 删lk I I - ! 霭 - lA t II l H t i 郦 一p 一18i 州。 t ，。 量一一j 一一二；L - h ：。 图4 - 5 滤波前波形图( 二) i 一一P 1 ”一1 f 一- - 一三一_ ，一7 r 一。下一一1 ”。j ； l 情 叁 量!筐 j 1 鲥j ，奠A i ：i ! 建潮p。- | | | i 1。：，。限 黼 ， 7 j 。p l 哥溅黜 。f ilI f ；。i 拽 I 矗 I 1 I ： r I I ；一 1 一l l fF 一7 了一H 1 ： ：一卜
11、：丰 上一一l J ，“Il 图4 - 6 滤波后波形图 4 4 本章小结 。 滤波电路的作用主要是对输入信号进行处理，通常是希望滤出噪声。经过此 模拟带通滤波后，除去了由红外线发生器产生的高频信号，模拟电路中器件相互 影响产生的电路噪声和人体电极产生的噪声，只剩下5 0 H Z 的工频信号干扰，这个 噪声有革片机处理效果好一点所以模拟电路中省去了5 0 H Z 陷波电路。 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 第五章M S P 4 3 0 单片机 5 1 单片机简介 计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大规模集成电路共四个发 展阶段。微型计算机属于大规模集成电路发展的直接产物，自1 9
12、7 1 年微机问世以 来，随着大规模集成技术的不断发展，微机开始向两个主要方向发展：一是向高 速、高性能的高档方向发展：二是向稳定可靠、小而廉的单片机方向发展。4 删 所谓单片机，就是把中央处理器C P U ( C e n t r a lP r o c e s s i n gU n i t ) 、随机存储 器R A M ( R a n d o mA c c e s sM e m o r y ) 、只读存储器R 伽( R e a dO n l yM e m o r y ) 、定时器、 计数器以及I 0 ( I n p u t O u t p u t ) 接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路
13、 芯片上的微型计算机。 提起单片机的应用，大家会不约而同的想起它的控制功能。单片机的主要功 能在于实现计算机控制。但计算机的控制应用范围十分广泛，概括的讲可以分为 两个方面： 1 ) 计算机在控制系统中的离线应用。所谓离线应用就是利用计算机实现对控 制系统的分析、设计和仿真建模等工作，也可以把这类应用称之为控制系 统的计算机辅助设计，或简称控制系统的C A D 。 2 ) 计算机控制系统的在线应用。所谓在线应用就是以计算机代替常规的模拟 或数字电路，使计算机成为控制系统的一部分。通常把这种有计算机参加 的控制系统称之为计算机控制系统。 离线控制应用，常使用微型机或小型机实现。而在线控制应用，由
14、于计算机 身处其中，因此对计算机有体积小、功耗低、价格低廉以及控制功能强等要求。 对于这些要求，真可谓是非单片机莫属了。现在单片机的应用日益广泛的深入， 诸如在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面，单片机都 扮演着越来越重要的角色。辫蛐 单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。使用 单片机通过软件方法可以实现许多从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分 的控制功能。此种控制技术称之为微控技术。微控技术是一种全新的概念，是对 浙江工业大学中职教师硕士学位论文 传统控制技术的革命。 M S P 4 3 0 系列是一个1 6 位的、具有精简指令集的、超低功耗的
15、混合型单片机， 在1 9 9 6 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手 段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 从1 9 9 6 年推出M S P 4 3 0 系列开始到2 0 0 0 年初，这个阶段首先推出有 3 3 X 、3 2 X 、3 1 X 等几个系列，而后于2 0 0 0 年初又推出了1 I X 、l l X l 系列。 这个系列采用2 0 脚封装，内存容量、片上功能和I o 引脚数比较少，但是价格 比较低廉。这个时期的M S P 4 3 0 已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点， 但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性，如：片内串行通信接口、硬
16、件乘法 器、足够的I 0 引脚等，只有3 3 X 系列才具备。3 3 X 系列价格较高，比较适合 于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时，3 3 X 并不一定是最适 合的。而片内高精度A D 转换器又只有3 2 X 系列才有。 随着F l a s h 技术的迅速发展，T I 公司也将这一技术引入M S P 4 3 0 系列中。 在2 0 0 0 年7 月推出F 1 3 X F 1 4 X 系列，在2 0 0 1 年7 月到2 0 0 2 年又相继推出 F 4 1 X 、F 4 3 X 、F 4 4 X 这些全部是F l a s h 型单片机。 F 4 1 X 单片机是目前应用比较广的单片机，它有4 8 个I O 口，9 6 段L c D 驱动。F 4 3 X 、F 4 4 X 系列
