綜合電子設(shè)計(jì)報(bào)告

1、本科生課程考試成績(jī)單院系儀器科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名劉英杰 邵闖 王磊學(xué)號(hào)220123272201232522012324課程名稱綜合電子設(shè)計(jì)實(shí)踐授課時(shí)間2014年8月 一2014年9月周學(xué)時(shí)6 學(xué)分1簡(jiǎn) 要 評(píng) 語考核論題基于FPGA的日常生活小助手健康時(shí)鐘總評(píng)成績(jī)（含平時(shí) 成績(jī)）備注任課教師簽名：日期：注：1.以論文或大作業(yè)為考核方式的課程必須填此表，綜合考試可不填?！昂?jiǎn)要評(píng)語”欄缺填無效。2. 任課教師填寫后與試卷一起送院系。3. 總評(píng)成績(jī)以百分制計(jì)分。基于FPGA的日常生活小助手健康時(shí)鐘組長(zhǎng)：劉英杰 22012327組員：邵闖22012325王磊22012324目錄摘要

2、(2)1引言(3)2系統(tǒng)架構(gòu)(3)3.軟硬件設(shè)計(jì)(5)3.1硬件設(shè)計(jì)(5)3.1.1 DS18B20 硬件電路(5)3.1.2心率血氧模塊硬件電路 (6)3.2軟件設(shè)計(jì)(6)3.2.1時(shí)鐘和顯示模塊設(shè)計(jì) (6)3.2.2溫度傳感器DS18B20軟件算法及數(shù)碼管顯示 (7)3.2.3血氧飽和濃度算法實(shí)現(xiàn) (8)4實(shí)驗(yàn)或仿真實(shí)驗(yàn) (11)4.1 555 定時(shí)器的 Multisim 仿真(11)4.2心率血氧模塊輸入與濾波放大電路仿真 (12)5.總結(jié)(14)參考文獻(xiàn)(16)摘要： 健康時(shí)鐘，顧名思義，就是能幫助使用者走向健康的時(shí)鐘。本健康時(shí)鐘擬實(shí) 現(xiàn)如下功能： 1、時(shí)鐘顯示及調(diào)時(shí)； 2、鬧鈴設(shè)置；

3、 3、室溫測(cè)量； 4、使用者血氧飽和度監(jiān)測(cè)； 5、使用者心率監(jiān)測(cè)。本時(shí)鐘的整體設(shè)計(jì)包括基本數(shù)字邏輯部分和模數(shù)混合部分?；緮?shù)字 邏輯部分主要包括基本時(shí)鐘功能， 調(diào)時(shí)校時(shí)功能和鬧鈴設(shè)置功能。 模數(shù)混合部分主要包括溫 度測(cè)量， 血氧飽和濃度及心率測(cè)量部分。 整個(gè)設(shè)計(jì)用到了 FPGA 開發(fā)板上的蜂鳴器、 紅外遙 控及紅外接收管、數(shù)碼管這幾個(gè)現(xiàn)成模塊；同時(shí)也設(shè)計(jì)了心率血氧監(jiān)測(cè)電路，并進(jìn)行了 Multisim 仿真與 PCB 的繪制工作。 在整個(gè)工作學(xué)習(xí)過程中， 小組成員綜合使用了 Quartus II 、 Altium Designer 、 Microsoft Visio 和 Multisim 等軟件

4、來完成此設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字： 血氧飽和度監(jiān)測(cè)； Beer-Lambert 定律； FPGA ；時(shí)鐘鬧鈴；溫度測(cè)試 1 引言當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)壓力十分巨大的社會(huì)， 很多人， 特別是年輕人面臨著高考升學(xué)、 商 務(wù)應(yīng)酬、人際交往、職位競(jìng)爭(zhēng)等壓力。因此，很多年輕人不再注意自己生活節(jié)奏的規(guī)律和身 體的健康，亞健康的狀態(tài)隨之而來 1 。亞健康雖然不是明確的疾病，但卻會(huì)出現(xiàn)精神活力、 適應(yīng)能力和反應(yīng)能力的下降，如果這種狀態(tài)不能得到及時(shí)的糾正，非常容易引起身心疾病。 一個(gè)人的身體和精神狀態(tài)與他的心率以及血氧濃度有著密切關(guān)系， 血氧濃度的高低還反映著 一個(gè)人新陳代謝的快慢，血氧不足會(huì)導(dǎo)致注意力不集中、記憶力減退、頭

5、暈?zāi)垦?、焦慮等癥 狀。動(dòng)脈血氧飽和度作為表征人體呼吸循環(huán)系統(tǒng)是否存在障礙的重要生化參數(shù)， 在疾病的日 常預(yù)防保健之中有重要作用。 2 綜上可見，血氧飽和濃度和人體健康有著密切關(guān)系。在日 常生活中，時(shí)不時(shí)監(jiān)測(cè)一下自己的血氧濃度也有利于自己的身體健康。鑒于當(dāng)今市場(chǎng)上的血氧儀價(jià)格較高， 而且單獨(dú)購(gòu)買一個(gè)血氧儀， 用戶可能使用幾天就失 去興趣不再使用。 把它結(jié)合到使用者每天都會(huì)使用的時(shí)鐘上面， 可以增強(qiáng)用戶的自我健康監(jiān) 測(cè)意識(shí)。因此本課題擬設(shè)計(jì)一個(gè)“健康時(shí)鐘” ，它既有時(shí)鐘的基本功能，如調(diào)時(shí)和鬧鈴，又 能進(jìn)行無穿透的簡(jiǎn)單心率血氧測(cè)量，方便快捷，便于使用者隨時(shí)監(jiān)測(cè)自己的身體狀況。時(shí)鐘鬧鈴部分?jǐn)M采用現(xiàn)有

6、FPGA 開發(fā)板 3 進(jìn)行軟件編寫； 溫度測(cè)量部分?jǐn)M采用 ds18b20 溫度傳感器和 FPGA 開發(fā)板的通信來完成； 血氧飽和濃度監(jiān)測(cè)部分則根據(jù)比爾朗伯定律， 采 用雙波長(zhǎng)分光光度法，進(jìn)行外部硬件電路設(shè)計(jì) 4 。2 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2-1 所示本系統(tǒng)擬采用 FPGA 開發(fā)板輔以適當(dāng)外圍電路進(jìn)行架構(gòu)。 整體系統(tǒng)控制采用紅外遙控器，原因在于：1、開發(fā)板自帶的紅外遙控已經(jīng)有了現(xiàn)成的調(diào)制解調(diào)模塊，使用起來十分方便。 2、本課題出發(fā)點(diǎn)在于日常生活小助手，使用遠(yuǎn)程控制 模塊便于將來添加更多功能。時(shí)鐘部分完全應(yīng)用 FPGA 內(nèi)部邏輯資源進(jìn)行開發(fā)，用兩個(gè)寄存器分別存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻和 鬧鈴時(shí)刻的數(shù)據(jù)， 當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)一

7、致時(shí)， 使能蜂鳴器模仿鬧鐘功能。 當(dāng)前可以多建立幾個(gè)寄存 器作為鬧鈴，實(shí)現(xiàn)多鬧鈴的功能。溫度傳感器采用 DS18B20 ，它體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，而且精度高。它 具有獨(dú)特的單線接口方式， 在與 FPGA 連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊， 但是為了 提高精度，我們一般會(huì)單獨(dú)給它供電。圖2-1系統(tǒng)架構(gòu)框圖血氧飽和濃度模塊則主要由驅(qū)動(dòng)電路、解調(diào)器和光傳感器、 濾波放大電路和 AD模塊組成。運(yùn)用雙波長(zhǎng)法進(jìn)行測(cè)量。解調(diào)器、光傳感器和AD模塊會(huì)應(yīng)用現(xiàn)有模塊，我們需要搭建的主要是驅(qū)動(dòng)電路，即 555定時(shí)器產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)紅燈以及紅外的部分和濾波放大電路。下圖2-2所示是小組設(shè)計(jì)的紅外遙控各按鍵

8、功能：數(shù)字鍵可以用來調(diào)整時(shí)間或者設(shè)置鬧鈴。如果以后增加更多模塊，數(shù)字鍵也可用于功能模式選擇。調(diào)時(shí)檢時(shí)下圖2-3所示是小組完成的 FPGA實(shí)物部分，包括了溫度傳感器部分。 因?yàn)榘遄由系臒?都是復(fù)用的，而由于數(shù)碼管較小，在顯示時(shí)分的時(shí)候不能顯示秒，所以在顯示時(shí)分時(shí)，自己 搭的LED燈跳動(dòng)表示秒的跳動(dòng)。數(shù)碼管可以用紅外遙控自由進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的切換顯示。詳 見附件視頻。|1 11 CH- 1171-_ T ch ! I CH+調(diào)整當(dāng)前數(shù)字hlCVTD| A 左邊一位VrKt VN tA 1rLA T血氧顯可VX4:心率顯示TCHL1I10kikLFOL-FOL+;12、13 |數(shù)字設(shè)國(guó)按鈕*1 、 11

9、11 456i1I7Si9 ；1 /-J挪住秒顯示時(shí)鐘的時(shí)分顯g Lf 鬧鈴詵置&調(diào)整馬前數(shù)字 右邊一位“溫度顯示圖2-2紅外遙控功能示意圖圖2-3 FPGA實(shí)物部分3軟硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)3.1.1 DS18B20硬件電路DS18B20硬件電路比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)引腳與控制器進(jìn)行通訊，所以用到的接 口也很少。VCC也可以不接，它可以利用輸入信號(hào)的能量進(jìn)行供電。但是為了精確測(cè)溫， 我們?yōu)閂CC單獨(dú)接5V供電。硬件電路見圖3-1,其中定義pin 119為Bidir雙向口。+ 5V圖3-1溫度模塊DS18B20電路3.1.2心率血氧模塊硬件電路在完成整體構(gòu)思設(shè)計(jì)之后，我們進(jìn)行了血氧模塊硬件電

10、路的設(shè)計(jì)5。參照pcb原理圖（為了節(jié)省篇幅，我們已在附件內(nèi)把pcb的工程文件附上，此處不再貼出原理圖），生成了 pcb，在我們完成布線、打孔和覆銅以后，得到了如下圖 3-2的pcb設(shè)計(jì) 圖。此圖已通過電器檢查（除了絲印有點(diǎn)問題，但這不影響制版）。此圖左側(cè)的單排7孔焊盤與FPGA或者外部電源連接，分別為 +5V，-5V，GND。還有 濾波放大得到后的的紅光和紅外光數(shù)據(jù)，直流和交流量各只需一個(gè)引腳，因?yàn)閮煞N波長(zhǎng)的光分時(shí)接收。還有兩種波長(zhǎng)光接收控制時(shí)序的控制引腳。此電路圖的仿真見仿真部分。Group. 19/ i1! i1! Rio2 C54 0 o Oe 0 ocarr3R83RR5Too I o

11、22co o oa2 Rr V o oox To 匚-cau 機(jī)e_L ORlu i o 0 OGIDlooQ Q o Q o D-Mo9R0R丄3R 24R520旨R23:R2QI I52RRz c丄 To9nu3c0 O OUUUOU8R43圖3-2血氧模塊PCB3.2軟件設(shè)計(jì)3.2.1時(shí)鐘和顯示模塊設(shè)計(jì)圖3-3為時(shí)鐘模塊，因?yàn)镕PGA強(qiáng)大的數(shù)字邏輯功能， 所以數(shù)字鐘部分的設(shè)計(jì)較為容易， 主要注意59分59秒跳0的情況，和23:59跳00:00的情況。圖3-4為顯示模塊設(shè)置，主要 利用紅外遙控器進(jìn)行控制并顯示相應(yīng)內(nèi)容。具體軟件源代碼請(qǐng)參考附件中的FPGA工程文件。紅界接收管接收遙掙器希碼c

12、ntcnt+lblF哪幣科弧井進(jìn)打蝶碼 存入自足丘命令新存器Id order-rit4I 1|抄痔冇棒“”密寄存普扯補(bǔ)、 Pl11秒奇逬|便詭m鄧恫丸輸人總號(hào)為曲頻4周朗為1腫的寸泱上理沿有好將在醉是仲為60廿寄花爵逬爭(zhēng).時(shí)寄戀厝是忡III-L解碼后數(shù)TIrd cinder睹顯示0:時(shí)曲騷示1朋時(shí)設(shè)賈上咖置 顯示4:直養(yǎng)液度顯示故旳誦隅的段iiiisbiooooooo、是M新齢-、 /、/XX圖3-4顯示模塊設(shè)計(jì)圖3-3時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)3.2.2溫度傳感器 DS18B20軟件算法6及數(shù)碼管顯示DS18B20數(shù)字溫度計(jì)提供 9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20或從DS1

13、8B20送出，因此只需連接一條線(和地)即可通信。主機(jī)必須首先提供五種 ROM操作命令之一：1)Read ROM ，2)Match ROM, 3)Search ROM, 4)Skip ROM, 5)Alarm Search. 一個(gè)控制操作命令指示 DS1820完成溫度測(cè)量，并將結(jié)放 放入高速暫存存儲(chǔ)器，通過發(fā)出讀暫存存儲(chǔ)器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以讀出此結(jié)果。在利用quartus II的verilog語言編寫相關(guān)程序時(shí)，我們按照下圖3-5所示的狀態(tài)機(jī)思路來進(jìn)行編寫：溫度轉(zhuǎn) 換開始屮系繞空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)M命令（SK1PR0M, /COTCvERI）結(jié)朿和下一個(gè)狀態(tài)幵始亠日/Im揮總線初 始化 等待溫度

14、轉(zhuǎn)換結(jié)束和F 個(gè) 狀態(tài)開始 的信號(hào)-圖3-5DS18B20狀態(tài)機(jī)在轉(zhuǎn)換得到溫度的數(shù)字量之后，我們把這個(gè)量存放在一個(gè)16位的寄存器中，當(dāng)紅外遙控按下相應(yīng)鍵時(shí)，調(diào)用數(shù)碼管顯示模塊顯示當(dāng)前溫度。因?yàn)橹挥幸粋€(gè)四位數(shù)碼管，而有時(shí)需要顯示小數(shù)點(diǎn)，有時(shí)不需要。所以我們修改了數(shù)碼 管的顯示代碼7，在紅外鍵值對(duì)應(yīng)為溫度顯示時(shí)，數(shù)碼管的第1位的第7個(gè)段碼（DP段,對(duì)應(yīng)為小數(shù)點(diǎn)）應(yīng)該置 1,即對(duì)應(yīng)的段碼要加 8b10000000。以數(shù)字1為例（具體見附件中 的代碼部分），原來1的段碼為NUM_1=8b01011011 ;現(xiàn)在應(yīng)為NUM_仁NUM_1+8b10000000 。3.2.3血氧飽和濃度及心率測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)根

15、據(jù)醫(yī)學(xué)定義，由于含氧血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶液中，他們的含量之比即為濃度之比，這樣血氧飽和度為：SpO 2HbO 2HbO 2 Hb C1C1 C2(3-1)式（3-1 ）中HbO2表示含氧血紅蛋白，Hb表示還氧血紅蛋白8。鑒于血液中還氧血紅蛋白和含氧血紅蛋白在紅光和紅外光區(qū)（60010 OOnm）有獨(dú)特的吸收光譜，從而使紅外光譜法成為研究組織中血液成分的簡(jiǎn)單可靠的辦法。利用光譜學(xué)的方法，對(duì)生物組織進(jìn)行無損檢測(cè)，這種方法安全可靠、連續(xù)實(shí)時(shí)且無損傷。由于人體動(dòng)脈的搏動(dòng)能夠引起測(cè)試部位血液流量的變化，從而引起光吸收量的變化，而非血液組織（皮膚、肌肉、骨骼等）的光吸收量通常認(rèn)為是恒定不變

16、的。因此，我們可以通 過檢測(cè)血液容量波動(dòng)引起的光吸收量的變化，并且消除非血液組織的影響來求得血氧飽和 度，簡(jiǎn)單易行。利用指夾式探頭，在探頭的一側(cè)安裝了兩個(gè)發(fā)光管，一個(gè)發(fā)出紅光，一個(gè)發(fā)出紅外光，另一側(cè)安裝有一個(gè)光電檢測(cè)器，將檢測(cè)到的透過手指動(dòng)脈血管的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)。這種方法稱為透射式血氧飽和度檢測(cè)方法。（圖3-6）圖3-6透射式血氧飽和度測(cè)量方法無創(chuàng)血氧飽和度檢測(cè)是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈波動(dòng)而變化的原理。在透射式血氧飽和度檢測(cè)中，當(dāng)透光區(qū)域動(dòng)脈血管搏動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量將隨之變化，稱為脈動(dòng)分量或交流量（AC）;而皮膚、肌肉、骨骼和靜脈血等其他組織對(duì)光的吸收是恒定不變 的

17、，稱為直流量（DC）。如果忽略由于散射、反射等因素造成的衰減，按照Beer-Lambert定律，當(dāng)動(dòng)脈不搏動(dòng)時(shí)，假設(shè)波長(zhǎng)為光強(qiáng)為I。的單色光垂直照射人體，通過人體的透射光強(qiáng)度為：-CoL-HbQCHbQL- shlCh bL1 dc - 1 o e ee（ 3-2）其中組織內(nèi)的非動(dòng)脈成分及靜脈血的總吸光系數(shù)、光吸收物質(zhì)濃度、光路徑長(zhǎng)度分別表示為0、Co和L,動(dòng)脈血液的主要成分是含氧血紅蛋白和還氧血紅蛋白。其中bO2、CHbO2分別是動(dòng)脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度，b、CHb分別是動(dòng)脈血液中 Hb的吸光系數(shù)和濃度。當(dāng)動(dòng)脈搏動(dòng)、血管舒張時(shí)，假設(shè)動(dòng)脈血液光路長(zhǎng)度由L增加了 L,相應(yīng)的透射光強(qiáng)由I

18、 DC變化到了 I DC - I AC。則式（3-2 ）可寫作：._ .-（ tCHb + bqCH bO） L(3-3)丨DC 一丨AC -丨DC e對(duì)上式進(jìn)行變形并求 e的對(duì)數(shù)，即：Ln(lDc-I AC ) / I DC _ ( HbCHbEbO2CHbO2(3-4)考慮到透射光中交流成分占直流量的百分比為遠(yuǎn)小于1的數(shù)值，則:Ln（IDC _ 丨 AC ）/I DC】丸 I AC / I DC（ 3-5）由式（3-5）,對(duì)式（3-4）進(jìn)行變換得：I AC / I D = _（ HbCHbbO2CHbO2） L（3-6）因?yàn)楣饴窂介L(zhǎng)度變化屬于未知量，所以采取兩束不同波長(zhǎng)的光作為入射光分時(shí)入

19、射，即雙光束法。設(shè)兩束光的波長(zhǎng)分別為和2，令:D I AC /1D1C ,D . = I AC /IdC,則:D I aC / I dCHbO2CHbO2HbCHbD2 I ac / I dCHbCHbO2HbCHb(3-7)把式（3-7 ）代入血氧飽和度公式:SPQ = CHbO2 /(CHbO2 CHb)，并變形得:SPO2必(D扎/D?2)-必(；HbO2 - ；)-(； HbO ;Hb ) (D 1 / D，2 )(3-8)4=一匚#圖3-7含氧血紅蛋白和還氧血紅蛋白吸光系數(shù)由圖3-7可見，當(dāng)匕波長(zhǎng)選在含氧血紅蛋白和還氧血紅蛋白吸光系數(shù)曲線交點(diǎn)（800nm左右）時(shí)，即；HbO2 - ；

20、Hb時(shí)，上式變形為:r ,-1 (3-9)SPQ(9負(fù)衛(wèi)，則上式變?yōu)? _牙就(-Hb 一 -HbO?令A(yù) =B%b HbO22| 1 / | SPQB 謨DC/ | 2 / I DC(3-10)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)9，考慮到作為光源的發(fā)光二極管的個(gè)體差別以及人體生理組織的較大1 1差異等因素，在計(jì)算中應(yīng)采用經(jīng)驗(yàn)化計(jì)算公式，即SpQ二A-B DC，其中，a、B2 2 AC DC可以通過實(shí)驗(yàn)定標(biāo)確定。在透射型的血氧傳感器中，光源一般選擇為660940nm,選擇660nm可保證血氧飽和度公式中的常數(shù)項(xiàng) B盡可能小，以提高檢測(cè)的靈敏度；另一光波長(zhǎng)940nm盡管偏離了等吸收點(diǎn)805nm，但兩物質(zhì)在這一范圍內(nèi)的

21、吸收光系數(shù)變化不大，且經(jīng)有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明， 波長(zhǎng)選擇在940nm可以更好的滿足透射式血氧計(jì)算公式中的線性關(guān)系。555產(chǎn)生方裁悟號(hào)増益敢大11FPGAitb 理理_rr結(jié)束測(cè)量圖3-8血氧監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程圖上圖3-8是血氧監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程圖， 周期T就是兩次脈搏波動(dòng)的周期，即心率為在模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)之后,1/T。相鄰兩個(gè)峰值之間的 4實(shí)驗(yàn)或仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)部分我們會(huì)在附件里面附上視頻， 我們?cè)诖诵」?jié)主要討論硬件電路的仿真部分。由于實(shí)驗(yàn)只是展示，所以在本文中不再花費(fèi)篇幅。4.1555定時(shí)器的Multisim仿真參考劉京南老師的矩形波振蕩電路10以及圖4-1?？芍?，高電平持續(xù)時(shí)間為ti =0.69(Ri R

22、2)C2，低電平持續(xù)時(shí)間為t2 =0.69RiC2,頻率為1 _1.45T(2R1 R2)C2占空比為ti。修改相應(yīng)的電阻值和電容值,并對(duì)照改為標(biāo)稱值。Multisim仿真見圖4-2。t1 t2vcc?1R2AA/VbUUUR1 2400QL_a_m XSC10.13pFCl CND*Q1.pF. I.LM555CM圖4-1555定時(shí)器產(chǎn)生方波電路圖TimeChannel AChannel BT.1粗于261.236 ms0.000VReverse26L236ms0.000VT2-T10.000 s0,000VSaveTimebaseChanniel AChannie TragerScale:

23、 500 us/DivScale: 5 V/DivScale: 5 V/DivEdge:國(guó) Xpos.(Div： 0Y P05-(Div)： 0 pos.(Div); 0Levd;oV(Yfrkdd |日他| |a匚0 DC| ac 0 PQ H|Shgfe htoniaiAuto |圖4-2555定時(shí)器的Multisim仿真波形4.2心率血氧模塊輸入與濾波放大電路仿真由323節(jié)原理分析我們可以知道，測(cè)量血氧的任務(wù)就是通過讓光敏元件接收透過人體 的兩種波長(zhǎng)的光，然后經(jīng)過一系列濾波放大電路之后，獲得其中的交流分量和直流分量。下圖4-3為Multisim仿真原理圖。該原理圖取設(shè)計(jì)的 PCB雙路濾波

24、放大電路中的一路，輸入信號(hào)是：1、頻率0.8Hz、幅度為30mv的正弦波；2、200mv直流量以及頻率為 1kHz （實(shí)際上直流量更大，超過交流量的100倍，但是為了觀測(cè)方便，我們適當(dāng)減小了直流分量）；3、幅度為10mv的正弦波，這三種信號(hào)的疊加。 也就是，Ui =30sin 1.6冗t 10sin2000it t 200(mv)。用該輸入來仿真實(shí)際測(cè)量中帶干擾的輸入信號(hào)圖4-3血氧模塊Multisim仿真原理圖下圖4-4是仿真的兩種光源得到數(shù)據(jù)的直流分量，其中channel B是仿真輸入，即上面那條帶有大量干擾信號(hào)的粗紅線波形。如果將掃描速度提高，我們可以看到粗紅線的信號(hào)干擾是極其大的。實(shí)際

25、上，粗紅線的波形是由一個(gè)高頻正弦波和其他分量組成的信號(hào)。cha nnel A是輸出，是下面那條細(xì)紅的波形，從圖中可以近似認(rèn)為輸出的就是直流分量。完成直流分量的采集之后，我們會(huì)把直流分量濾除，繼續(xù)放大交流分量，進(jìn)行交流分量的采集。Ojcillc$cope-XSCl圖4-4光源直流分量與原始輸入下圖4-5是最終波形輸出，其中channel A是輸出，是下面那條細(xì)紅的波形，channel B是仿真輸入。圖4-5 血氧濾波仿真結(jié)果由上圖4-5可見，仿真的結(jié)果很理想，雖然還是有一部分的直流分量，但這也跟零漂有關(guān)，不影響最后數(shù)據(jù)的獲得，如果需要解決，只需在運(yùn)放的調(diào)零端接上電位器進(jìn)行調(diào)試即可，由于仿真速度太

26、慢，此處不再進(jìn)行調(diào)零。除此之外，最后的波與輸入有一定的相位差，但是由于我們的計(jì)算公式中沒有涉及相位差，所以這也不影響我們的數(shù)據(jù)獲得。綜上，血氧模塊的濾波電路通過了仿真。5總結(jié)本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：現(xiàn)代多數(shù)人的身體處于亞健康狀態(tài)，常常對(duì)自己一些生理指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)日常保健很有意義，但是很少有人會(huì)把這種監(jiān)測(cè)當(dāng)做一種習(xí)慣。一個(gè)血氧儀買來三五天或許就會(huì)被扔到角落堆灰。我們的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于醫(yī)、電跨學(xué)科結(jié)合，將用于日常監(jiān)測(cè)健康 的血氧儀和人們天天需要用到的鬧鐘結(jié)合在一起。目的在于時(shí)時(shí)提醒人們注意自己的身體， 遠(yuǎn)離亞健康或者其他的一些身體問題，以期對(duì)用戶保持自己的身體健康能有所幫助。新發(fā)現(xiàn)：其實(shí)健康時(shí)鐘還能跟很多模

27、塊結(jié)合實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能，比如可以利用zigbee和串口通訊去控制或者定時(shí)控制一些家電，初步模擬智能家居。此外，F(xiàn)PGA強(qiáng)大的多線程并行運(yùn)行能力也可以和單片機(jī)結(jié)合，完成更多的應(yīng)用設(shè)計(jì)。新問題：血氧模塊我們只是進(jìn)行了仿真和PCB的設(shè)計(jì)以及布線布局， 但是實(shí)際測(cè)量時(shí)可能會(huì)有更多的干擾信號(hào)和噪聲污染， 可能需要更優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理方式以及濾波電路才能真正實(shí)現(xiàn)血氧的高精度測(cè)量。收獲 :在整個(gè)小課題設(shè)計(jì)過程中，我們所得到的收獲是豐富的。我們不僅僅收獲到了控 制器運(yùn)行出預(yù)期結(jié)果的各種喜悅，也嘗到了每次“語句全對(duì)，邏輯感覺全對(duì)”但結(jié)果死活不 對(duì)的痛苦， FPGA 是完全不同與單片機(jī)的東西，以寫單片機(jī)的思路去寫，問

28、題確實(shí)很多。這 也讓我們了解到了，現(xiàn)代各類神奇器件的繁多，讓我們著實(shí)開了眼見。在做血氧模塊的過程中， 我們跌跌撞撞地開始使用 AD 畫圖， 出現(xiàn)了不少問題， 有些至 今也不理解原因， 但是勉強(qiáng)也算了解了一項(xiàng)技術(shù)。 在設(shè)計(jì)濾波電路的過程中， 我們參考了很 多資料，順便把模電也狠狠地重新學(xué)習(xí)了一遍，感覺真是值了！下面是組員的部分心得： 本次的課程設(shè)計(jì)， 我負(fù)責(zé)的是利用 Altium designer 畫出我們所 需的電路板的原理圖和用 1820 溫度傳感器測(cè)量當(dāng)前溫度。 對(duì)于這兩部分， 我都是個(gè)初學(xué)者。 首先上手 Altium designer 便讓我感到棘手。 元件庫中的無法找到所需元件， 我就學(xué)習(xí)如何自 己創(chuàng)建和添加元件庫， 如 LM324 等。同時(shí)，在生成 PCB 時(shí)的檢測(cè)， 發(fā)現(xiàn)如 “footprintno found