原標題：基于AD574在心電采集系統中的應用方案

基于AD574 A/D轉換芯片+AT89S51單片機在心電采集系統中的應用方案

一、引言

心電監測作為對人體心臟活動進行動態檢測與分析的有效手段，在臨床醫療和人體健康評估中具有重要意義。心電采集是心電監測的首要步驟，通過高精度的數據采集系統，能夠獲取準確、可靠的心電信號，為后續的分析和診斷提供有力支持。本文詳細介紹了一種基于AD574 A/D轉換芯片和AT89S51單片機的心電采集系統應用方案，旨在提供一套完整、實用的心電信號采集與處理解決方案。

二、主控芯片選型及作用

1. AT89S51單片機

型號概述：
AT89S51是美國ATMEL公司生產的一款低功耗、高性能的CMOS 8位單片機。該單片機集成了4K字節的可系統編程Flash只讀程序存儲器，采用高密度、非易失性存儲技術，兼容標準8051指令系統及引腳。其強大的功能和高性價比，使其廣泛應用于各種控制領域。

主要特性：

• 程序存儲器：4K字節Flash閃速存儲器，支持在線系統編程（ISP）。

• RAM：128×8字節內部RAM，滿足數據存儲需求。

• I/O口：32個可編程I/O口線，支持靈活的輸入輸出配置。

• 定時器/計數器：2個16位定時/計數器，用于定時控制和計數操作。

• 中斷系統：6個中斷源，支持中斷喚醒和中斷服務程序，提高系統響應速度。

• 串行通信：全雙工串行UART通道，支持串行數據通信。

• 電源管理：支持空閑和掉電模式，降低功耗。

在設計中的作用：
AT89S51單片機作為心電采集系統的主控芯片，負責整個系統的控制邏輯和數據處理。具體作用包括：

• 控制心電信號的采集過程，包括啟動A/D轉換、讀取轉換結果等。

• 存儲心電數據到內部RAM或外部存儲器，以便后續分析和處理。

• 通過串行通信接口與外部設備（如PC機）進行數據傳輸，實現遠程監控和數據分析。

2. AD574 A/D轉換芯片

型號概述：
AD574是美國Analog Devices公司生產的12位逐次逼近式A/D轉換器，內部集成了轉換時鐘、參考電壓源和三態輸出鎖存器，可以直接與8位或16位微型機總線接口。其高分辨率和快速轉換時間，使其成為高精度數據采集系統的理想選擇。

主要特性：

• 分辨率：12位，提供高精度的模擬到數字轉換。

• 轉換時間：15～35μs，滿足實時數據采集需求。

• 輸入范圍：支持單極性0～10V和雙極性±5V輸入，適應不同應用場景。

• 接口方式：三態輸出鎖存器，可直接連接系統數據總線。

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

在設計中的作用：
AD574 A/D轉換芯片在心電采集系統中，負責將心電模擬信號轉換為數字信號，供單片機進一步處理。具體作用包括：

• 高精度地轉換心電模擬信號為12位數字信號，確保數據準確性。

• 在單片機的控制下，啟動轉換過程并反饋轉換結束信號。

• 通過三態輸出鎖存器，將轉換結果直接送入單片機進行數據處理和存儲。

三、系統硬件設計

1. 系統總體結構

心電采集系統主要由心電信號采集電路、A/D轉換電路、單片機控制電路和存儲電路組成。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 心電采集系統總體結構框圖

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

2. A/D轉換電路：將處理后的心電模擬信號轉換為數字信號，供單片機處理。

3. 單片機控制電路：控制A/D轉換過程，讀取轉換結果，并存儲到內部RAM或外部存儲器。

4. 存儲電路：用于存儲大量心電數據，供后續分析和處理。

2. 心電信號采集電路

心電信號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。放大電路對信號進行放大處理，提高信號幅度。濾波電路則用于去除噪聲和干擾信號，確保信號的干凈和準確。

3. A/D轉換電路

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

圖2 AD574與AT89S51單片機接口電路圖

在接口電路中，AD574的啟動轉換信號由單片機的P1.0腳控制，轉換結束信號通過中斷或查詢方式讀取。轉換結果分兩次輸出，高8位和低4位分別通過不同的地址讀取。為確保信號的穩定性和準確性，AD574的電源部分需采取濾波和穩壓措施。

4. 單片機控制電路

單片機控制電路以AT89S51為核心，通過編程實現對整個系統的控制。控制程序包括A/D轉換啟動、轉換結果讀取、數據存儲和串行通信等部分。在控制過程中，單片機需根據實際需求設置采樣速率和存儲容量等參數。

5. 存儲電路

存儲電路用于存儲心電數據，以便后續分析和處理。由于心電數據量較大，通常采用外部存儲器進行擴展。在本系統中，擴展了一片靜態的6264RAM作為存儲介質，該存儲器與單片機的接口電路如圖3所示。

圖3 6264RAM與單片機接口電路圖

四、系統軟件設計

系統軟件設計主要包括A/D轉換程序、數據存儲程序和串行通信程序等部分。在A/D轉換程序中，單片機通過控制AD574的啟動轉換信號和讀取轉換結果信號，實現心電信號的模/數轉換。數據存儲程序則將轉換結果存儲到內部RAM或外部存儲器中。串行通信程序則負責將存儲的數據通過串行接口傳輸到外部設備進行分析和處理。

五、系統性能與誤差分析

系統性能主要包括分辨率、轉換時間、采樣速率和存儲容量等指標。在本系統中，AD574的分辨率為12位，轉換時間為25μs，采樣速率為1kS/s，存儲容量為8K字節。這些指標均滿足心電采集系統的需求。

誤差分析方面，主要考慮A/D轉換器的量化誤差、電源噪聲干擾和電路布局等因素對系統性能的影響。通過采取適當的抗干擾措施和電路設計優化，可以最大限度地減小誤差提高系統性能。

六、結論

本文介紹了一種基于AD574 A/D轉換芯片和AT89S51單片機的心電采集系統應用方案。該系統具有高精度、高可靠性和實時性等特點，適用于臨床醫療和人體健康評估等領域。通過詳細的硬件電路設計和軟件編程實現心電信號的采集、處理和存儲功能，為心電監測提供了一種有效的解決方案。