原標(biāo)題：基于AD574在心電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

基于AD574 A/D轉(zhuǎn)換芯片+AT89S51單片機(jī)在心電采集系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

一、引言

心電監(jiān)測(cè)作為對(duì)人體心臟活動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)與分析的有效手段，在臨床醫(yī)療和人體健康評(píng)估中具有重要意義。心電采集是心電監(jiān)測(cè)的首要步驟，通過高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠獲取準(zhǔn)確、可靠的心電信號(hào)，為后續(xù)的分析和診斷提供有力支持。本文詳細(xì)介紹了一種基于AD574 A/D轉(zhuǎn)換芯片和AT89S51單片機(jī)的心電采集系統(tǒng)應(yīng)用方案，旨在提供一套完整、實(shí)用的心電信號(hào)采集與處理解決方案。

二、主控芯片選型及作用

1. AT89S51單片機(jī)

型號(hào)概述：
AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的一款低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)。該單片機(jī)集成了4K字節(jié)的可系統(tǒng)編程Flash只讀程序存儲(chǔ)器，采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。其強(qiáng)大的功能和高性價(jià)比，使其廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

主要特性：

• 程序存儲(chǔ)器：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，支持在線系統(tǒng)編程（ISP）。

• RAM：128×8字節(jié)內(nèi)部RAM，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

• I/O口：32個(gè)可編程I/O口線，支持靈活的輸入輸出配置。

• 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用于定時(shí)控制和計(jì)數(shù)操作。

• 中斷系統(tǒng)：6個(gè)中斷源，支持中斷喚醒和中斷服務(wù)程序，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

• 串行通信：全雙工串行UART通道，支持串行數(shù)據(jù)通信。

• 電源管理：支持空閑和掉電模式，降低功耗。

在設(shè)計(jì)中的作用：
AT89S51單片機(jī)作為心電采集系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)處理。具體作用包括：

• 控制心電信號(hào)的采集過程，包括啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果等。

• 存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)到內(nèi)部RAM或外部存儲(chǔ)器，以便后續(xù)分析和處理。

• 通過串行通信接口與外部設(shè)備（如PC機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析。

2. AD574 A/D轉(zhuǎn)換芯片

型號(hào)概述：
AD574是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的12位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器，可以直接與8位或16位微型機(jī)總線接口。其高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，使其成為高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想選擇。

主要特性：

• 分辨率：12位，提供高精度的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換。

• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：15～35μs，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集需求。

• 輸入范圍：支持單極性0～10V和雙極性±5V輸入，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景。

• 接口方式：三態(tài)輸出鎖存器，可直接連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。

• 電源要求：+15V、-15V和+5V三組電源供電，對(duì)電源噪聲敏感，需采取抗干擾措施。

在設(shè)計(jì)中的作用：
AD574 A/D轉(zhuǎn)換芯片在心電采集系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)將心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)進(jìn)一步處理。具體作用包括：

• 高精度地轉(zhuǎn)換心電模擬信號(hào)為12位數(shù)字信號(hào)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

• 在單片機(jī)的控制下，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過程并反饋轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。

• 通過三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果直接送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

心電采集系統(tǒng)主要由心電信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路和存儲(chǔ)電路組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 心電采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1. 心電信號(hào)采集電路：通過專用電極從人體拾取心電信號(hào)，送入放大和濾波電路進(jìn)行處理。

2. A/D轉(zhuǎn)換電路：將處理后的心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)處理。

3. 單片機(jī)控制電路：控制A/D轉(zhuǎn)換過程，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并存儲(chǔ)到內(nèi)部RAM或外部存儲(chǔ)器。

4. 存儲(chǔ)電路：用于存儲(chǔ)大量心電數(shù)據(jù)，供后續(xù)分析和處理。

2. 心電信號(hào)采集電路

心電信號(hào)采集電路主要由電極、放大電路和濾波電路組成。電極作為敏感元件，從人體拾取微弱的心電信號(hào)。放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高信號(hào)幅度。濾波電路則用于去除噪聲和干擾信號(hào)，確保信號(hào)的干凈和準(zhǔn)確。

3. A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路以AD574為核心，將放大和濾波后的心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。AD574采用0～+10V單極性輸入方式，與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

圖2 AD574與AT89S51單片機(jī)接口電路圖

在接口電路中，AD574的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)由單片機(jī)的P1.0腳控制，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)通過中斷或查詢方式讀取。轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次輸出，高8位和低4位分別通過不同的地址讀取。為確保信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，AD574的電源部分需采取濾波和穩(wěn)壓措施。

4. 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路以AT89S51為核心，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。控制程序包括A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和串行通信等部分。在控制過程中，單片機(jī)需根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置采樣速率和存儲(chǔ)容量等參數(shù)。

5. 存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)，以便后續(xù)分析和處理。由于心電數(shù)據(jù)量較大，通常采用外部存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。在本系統(tǒng)中，擴(kuò)展了一片靜態(tài)的6264RAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)器與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

圖3 6264RAM與單片機(jī)接口電路圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序和串行通信程序等部分。在A/D轉(zhuǎn)換程序中，單片機(jī)通過控制AD574的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果信號(hào)，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序則將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到內(nèi)部RAM或外部存儲(chǔ)器中。串行通信程序則負(fù)責(zé)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)通過串行接口傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備進(jìn)行分析和處理。

五、系統(tǒng)性能與誤差分析

系統(tǒng)性能主要包括分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、采樣速率和存儲(chǔ)容量等指標(biāo)。在本系統(tǒng)中，AD574的分辨率為12位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，采樣速率為1kS/s，存儲(chǔ)容量為8K字節(jié)。這些指標(biāo)均滿足心電采集系統(tǒng)的需求。

誤差分析方面，主要考慮A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差、電源噪聲干擾和電路布局等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過采取適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施和電路設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以最大限度地減小誤差提高系統(tǒng)性能。

六、結(jié)論

本文介紹了一種基于AD574 A/D轉(zhuǎn)換芯片和AT89S51單片機(jī)的心電采集系統(tǒng)應(yīng)用方案。該系統(tǒng)具有高精度、高可靠性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，適用于臨床醫(yī)療和人體健康評(píng)估等領(lǐng)域。通過詳細(xì)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、處理和存儲(chǔ)功能，為心電監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案。