第4章 软件设计

4.1 系统总体软件流程

本次设计的主体部分主要由硬件实现，软件部分的主要作用在于开机初始化单片机，一分钟方波个数的客观计算，数码管动态扫面显示等。程序流程图如图4-1所示。

图4-1 主程序流程图

4.2 整体程序设计

整个程序是用C语言编写的，主要由主程序、定时器T0中断服务程序、外部中断程序，延时子程序四个模块组成。主程序主要实现程序的初始化，定时中断程序主要由计时、动态显示扫描、无测试信号判断等部分组成，外部中断服务程序主要由测量、计算、读数等部分组成。程序中用变量m对脉搏信号个数计数，用n变量对时间计数。

从P3.2口输入的与脉搏信号所对应的脉冲信号来作为外部中断0的中断请求信号，外部中断采用边沿触发的方式。由于脉冲信号的频率很低，所以不适合用计数的方法进行测量，所以采用测量脉冲周期的方法进行测量，就是用脉冲来控制计时的信号，通过计时数计算脉冲的周期，再由脉冲的周期计算出脉冲的频率，从P3.2口每输入一次脉冲信号就能显示一次一分钟的脉搏数。

定时器T0的中断时间为5ms，每中断一次计时变量n就加1，因此计时的单位是5ms，例如一个脉搏脉冲周期对应的n值为240，则对应的时间为1.2s，由此可以得到每分钟的脉搏数为50，如果变量n值达到2000，即10秒钟仍然没有发生外部中断，则表示没有脉冲信号进入单片机，于是就把变量n的值清0，数码管显示为0.

读数采用三位显示。定时器T0每中断一次就显示一位，因此3次中断就能刷新一次数据，即15ms刷新一次数据。

本系统硬件平台的核心是AT89C2051芯片，其芯片内微控制器是一个优化的单指令周期8051 闪存MCU，它的指令系统保持与8051指令系统兼容。单片机内程序主要功能为：

（1）系统初始化；

（2）改变电平状态，驱动红外光二极管； （3）管理ADC进行数据采集； （4）数字滤波处理；

（5）与中央监测系统或计算机进行实时数据传输。

本文选用ATMEL公司的单片机AT89C2051，其内部集成了速度可达400k的12位逐次逼近型ADC，模拟输入范围是0~2.5v，则分辨率为0.6mv/LSB。从软件需求和单片机速度出发，将ADC采样率fs设定为102.4kHz，为便于计算，将过采样倍数k设定为64，则下抽取后采样率为f为：fs/k=1600Hz，是频率为400Hz载波的四倍，满足奈奎斯特采样定理。由于过采样倍数k为64，按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算，获得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能达到约15位精度，其分辨率可达到0.0763mv/LSB。

过采样和数字滤波的实现都是在AD中断服务程序中实现的。集成于单片机上的ADC由定时器产生用于A/D转换的重复触发信号，因此需要通过设置T2寄存器重新装载的值来获得102.4kHz的采样率，参考信号取自片上自带的2.5V基准电压，设置ADCCON1＝#0B2H，ADCCON2＝#00H。定时器2是一个具有16位自动重装载功能的定时器，作定时器用时，TH2和TL2计的是机器周期数，TH2和TL2内容的自动重装载通过寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现。对这四个寄存器都进行初始化，自动装载值为#0FFCAH。

在数据采集中, 为了保证采集数据的不失真和适当的精确度, 必须选择合适的采样频率。人体脉搏正常跳动约为60次/分左右,即跳动频率在1Hz 左右，本系统为了更好的消除50Hz工频干扰，系统以50Hz的数据输出率对数据进行下抽取，抽样比为2048。中断程序中的数字处理包括如下步骤：

(1) 将脉冲载波的高电平时段内的数据累加2048/（2*64）＝16次； (2) 将脉冲载波低电平时段内的数据累加2048/（2*64）＝16次； (3) 用步骤(1)中的数据减去步骤(2)中的数据，便得到了解调后以50Hz的数据输出率输出的一个数据点。经过上述对信号的解调，有效去除背景光、杂散光的干扰。程序同时实现了过采样算法中的滤波和下抽取。

脉率计算程序包括如下步骤：将得到的数据以双字节存入单片机AT89C2051的数据存储器RAM中。从0000H 开始，在60个样本数据中寻找最大值，并确定其位置即波峰位置，之后寻找紧挨着它的第二个波峰，采用软件计数器计算两者间的距离即其点数，然后按照脉率计算公式：脉率＝采样频率/相邻两波峰×60 ＝50×60/相邻两波峰，计算出脉率，并将

其存储。

当脉搏检测系统与中央监测系统或计算机进行实时数据传输时，通过设置定时器T3的控制寄存器T3CON为#86H，T3FD为08H，得到9600的串口串列传输速率。ADuC841发送握手信号与系统机建立通信，当握手成功后，系统开中断并将转换处理后的数据送交系统应用程序进行处理

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