【摘　要】利用單片機MCS－8098和液晶顯示模塊TM12864A設計一個實用電路，采集心電信號并儲存后，分多屏幕顯示（并可重新顯示）。實現了測量儀器的低功耗化和微型化。
　　關鍵詞：單片機　液晶顯示器　心電信號　數字式測量儀器
　　
1　引　言
　　早期，心電信號先記錄在感光膠片上，經沖洗、顯影等步驟才可以看到。后來，把心電信號描繪在一種特制的紙——心電圖紙上。這兩種心電信號記錄法，其相應的描記設備體積龐大，功耗也大，且控制機構復雜。隨著微電子技術的飛速發展，現代的測量儀器、儀表都向智能化、微型化、低功耗化方向發展。對此，本文設計了一個單片機控制系統，用液晶顯示器（LCD）來顯示心電信號，并且可實現一次采集后，多次重復顯示，實現了心電信號記錄設備的智能化、微型化、低功耗化。
2　硬件選型及設計
　　單片機以其優異的性價比，在我國已得到了普遍的應用。在選取單片機芯片時，考慮了下面兩個因素：電路系統需A／D轉換電路；為了顯示采集到的心電信號，要求系統有高速的數據處理能力。
　　MCS－51系列單片機除80C51GA有不帶采樣－保持的8位ADC外，其它型號的都沒有ADC；而MCS－8098則內含帶采樣－保持功能的四路模擬輸入10位ADC，且運算速度快，數據處理能力強。因此，本系統采用MCS－8098芯片。
　　MCS－8098的ADC采用逐次比較方式來完成模擬／數字信號的轉換。當ADC被啟動后，需88個狀態周期（若時鐘頻率為12 MHz，則需22μs）才能得到轉換結果，即轉換時間tA／D為88個狀態周期，而采樣時間tS為4個狀態周期，所以8098模擬輸入通道輸入信號的最高頻率為：〔1〕
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
為保證信號恢復時的不失真，取N＝6～8，則
　　　　　　　　　　　　　
8098模擬輸入端的外部接口電路的好壞直接影響ADC的性能。模入端的等效電路如圖1所示，V為外加信號源，R源為信號源內阻，外部輸入信號必須通過電阻R才能對采樣電容CS充電，輸入端的泄漏電流為I漏，CS≈2pF，R≈5kΩ，I漏≤3μA〔2〕。當外加信號阻抗為1kΩ或更小時，若直流漏電流一定，那么輸入電壓的誤差大約為±0．6LSB（1kΩ×3μA＝3mV）（設8098中ADC的Vref＝5V）；當R漏增加到2kΩ以上時，由于3μA的漏電流引起的外部誤差至少為1LSB（5mV）；此外，若R源大于15kΩ，將大大降低ADC的精度。為此，要求接入8098模入端的信號源的內阻應足夠小（Rs漏＜2kΩ）。
　　　　　　　　　　　　　
　　為降低ADC對噪聲的靈敏度，在模入端加接一個外部電容（漏電流應小），并在電容之前串接一個小電阻。外接電容和外加信號源內阻R源一起構成一個低通濾波器。串接的小電阻的作用是限制過壓狀態下的輸入電流。設R源＝1kΩ，低通濾波器的截止頻率f0為100Hz，則由

得C≈1．6μF。
　　綜上所述，采用的具體接口電路如圖2所示。其中，二極管D1、D2的作用是限制過壓狀態下的輸入電流。如圖2所示，可將輸入電流限制在0．7／270Ω≈2．6mA以下。
　　　　　　　　　　　　　
　　LCD有段式和點陣式兩種。點陣式LCD又可分為字符點陣和圖形點陣。由于本文在LCD上要顯示的是圖形信息，故采用圖形點陣LCD—TM12864A。TM12864A把LCD、LCD控制器HD61202、LCD驅動器HD61203制作在一塊印制電路板上，構成一個LCD模塊，其LCD為128×64點陣。從印制電路板上引出信號線，以便和微控制器相連。每片HD61202帶有512字節的顯示RAM，RAM內的數據與顯示屏上的像素相對應。TM12864A采用兩片HD61202分別控制左右半屏的顯示。TM12864A可直接同微控制器連接，HD61202通過數據總線來接收微控制器的指令和數據，共有指令口和數據口兩個通道用來接收微控制器發送的指令碼以及與微控制器進行數據交換；它的片選信號線（CS1、CS2、）、口選信號線（D／I）、讀寫信號線（R／W），直接受微控制器控制。TM12864A內部不帶字符發生器，所以只適用于圖形工作方式。TM12864A的內部框圖、工作特性及指令說明，見參考文獻〔3〕。
　　完整的硬件電路原理圖如圖3所示。
　　　　　　　　
　　　　　　　　
3　軟件設計
　　心電信號屬于低頻信號（其有效頻譜為50Hz以下）〔4〕，典型心電圖如圖4所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　其中QRS波群的時間短，波的幅值變化大（成人0．06～0．1秒；兒童0．04～0．08秒）〔5〕，這就決定采樣頻率不能太低。另外，液晶顯示屏（128×64點陣）中用124列來顯示心電信號（其余4列用來顯示縱坐標軸），為了在一屏上得到一個完整的心電信號，采樣頻率又不能太高（一個采樣數據對應顯示屏上一點，一屏可顯示124個采樣數據）。綜合上述兩方面因素，確定采樣頻率為200次／秒。這樣，采樣間隔為0．005秒，一屏可顯示0．005×124＝0．62秒。一個人的心率若按75次／分計，則其心電周期為60／75＝0．80秒。
　　系統采用16kRAM來存貯采集到的數據，則能存貯的時間長度為：
　　　　　　　　　　　　　　　
存貯的采樣點數為：
　　　　　　　　　　　　　　　
　　系統采用HSO命令來啟動A／D轉換，利用A／D中斷來讀入轉換結果并重復啟動A／D轉換，直
到采集時間（40．96秒）到為止。　
? 　限于篇幅，這里不再提供系統流程圖。
4 結束語
　　采用本文所述的方法，液晶顯示屏縱軸（幅值軸）分辨能力可達5／40＝0．125V（按輸入8098模入通道的最大模擬量為5V，液晶顯示屏用0～40行來顯示ECG信息）。橫軸（時間軸）的分辨能力可達0．005秒。由于本系統采樣頻率最高可達7．2kHz，所以也可用于對一般的低頻信號進行采集、貯存和顯示。如能改進軟件編程算法，或提高單片機運算速度，來實現實時顯示采集到的心電信號，則將進一步提高系統的實用性。

1　何立民主編．單片機應用技術選編（二）．北京：北京航空航天大學出版社，1994
2　趙依軍等編．8098單片機原理及系統設計技術．武漢：華中理工大學出版社，1990
3　深圳天馬微電子公司．How To Use LCD DOT MAX－TRIX MODULE．1995
4　宗賢鈞編著．現代生物醫學儀器．原子能出版社，1985　　
5　洛陽衛生學校．臨床心電圖手冊．1974