六通道数据采集及处理系统的研制

1 引言

单片计算机应用系统在生物医学微信号的采集及处理方面具有广阔的应用前景。本文介绍我们根据实际需要研发的一款六通道数据采集及处理的单片计算机应用系统，共生产样机两台，都投入了实际应用。该系统分别对六个来自传感器的微弱电信号进行放大，经A/D转换器转换为数字信号，在PC机的控制下，用单片计算机对这些数据进行初步的处理，然后把这些数据传送给PC机。通过选择不同的传感器，系统可用于各种生物医学微信号的采集及处理，具有一定的通用性。

2 系统硬件电路的设计

图1 系统组成方框图

如图1所示，系统由传感器、微信号放大、A/D转换、单片计算机接口、串行通信等部分组成。来自传感器的微弱电信号经信号放大电路放大后送入A/D转换器，此电信号经A/D转换器转换成数字信号后送入单片计算机进行初步的数字处理，并经串行通信接口传送给PC机。同时，PC机的指令也可通过串行通信接口传送给单片计算机。

现将系统各部分分别介绍如下：

2.1 微信号放大电路

微信号放大电路采用美国Burr-Brown公司生产的精密数据放大器INA118。该运放具有精度高、温漂低的特点，其内部结构如图2所示[1]。

INA118有八只脚，第1、8脚间外接一放大倍数控制电阻Rg，3、2脚分别为正、反向输入端，7、4脚为+5V、-5V电源输入端，6脚为输出端，5脚为参考电压端，一般与地相接。

图2 INA118内部结构图

A1、A2、Ra、Rb和Rg组成第一级放大电路，根据运算放大器的“虚短”特性，有VA=VIN-，VB=VIN+。所以流过Rg的电流为

A3、Rc、Rd、Re和Rf组成第二级放大电路，此级为一差分放大电路，由于Rc=Rd，Re=Rf，故其电压放大倍数为[2]

由上式看出，要改变INA118的放大倍数，只要改变Rg的大小即可。在实际电路中，Rg采用一只1KΩ的精密电位器构成放大倍数可调的放大电路，如图3所示。

由于系统要对来自六个传感器的信号分别进行放大，所以使用了六片INA118（U1~U6）组成六通道信号放大电路。六片INA118的反向输入端 VIN-分别通过J1接线口的第1~6脚接六个传感器的信号输出端；正向输入端则并接在一起，通过J1口的第8~10脚接到六个传感器的另一端，同时通过一个1KΩ的电阻接地，以降低共模输入分量，提高放大器的放大精度。

电位器W1~W6是电压放大倍数调节电位器，可根据需要分别对U1~U6的放大倍数进行调节。本系统中分别把六个通道的放大倍数都预设为–200倍。 U1~U6的输出端Vo1~Vo6分别接到A/D转换器U7的AIN0~AIN5六个输入端，以便把放大后的电压信号转换成数字信号。

2.2 A/D转换电路

模数转换电路采用德州仪器公司开发的串行A/D转换器TLC2543，它是一种11通道、12位、高精度（最大±1/4096的线性误差）、快速（在工作温度范围内转换时间为10μs）的模数转换器[3]，其内部结构如图4所示。

TLC2543内部由通道选择器、输入地址寄存器、采样保持电路、12位的模数转换器、输出寄存器、并→串转换器以及控制逻辑电路等7个部分组成。通道选择器根据输入地址寄存器中存放的地址选择输入通道，并将输入通道中的信号送到采样保持电路中，然后在12位数模转换器中将采样的模拟量转换成数字量，存放到输出寄存器中，这些数据经过并行→串行转换器转换成串行数据，由DOUT端输出到微处理器中。

图4 TLC2543内部结构方框图

模数转换电路如图5所示。TLC2543的模拟信号输入端AIN0~AIN5分别接六路来自INA118的电压信号Vo1~Vo6，各路信号的选择通过编程设定；AIN6~AIN10以及负参考电压端REF-都接地。 为片选信号输入端，片选信号来自单片计算机AT892051的P1.7脚（该信号由软件编程产生），当 为低电平时，允许TLC2543输入输出数据，当 为高电平时禁止其输入输出数据；DOUT为转换数据输出端，转换结果输出到单片计算机AT892051的P1.6端，输出方式可由高位到低位逐位输出，也可由低位到高位逐位输出，具体方式由编程确定；DIN为串行数据输入端，来自单片机P1.5脚的命令字（含通道选择、输出数据长度、输出顺序、极性选择等信息）由此端输入，输入方式为先高位后低位。SCLK为输入输出同步时钟端，该时钟信号来自AT892051的P1.4脚（信号通过软件编程产生）；当数据传送开始后，每个SCLK信号的上升沿，由单片机向TLC2543输入一位命令字（前8个上升沿），同时由TLC2543向单片机输出一位转换结果（前 8、12或16个上升沿）。TLC2543的正参考电压端REF+接+3.0V标准电压。

标准电压+3.0V由电源集成电路TL431产生。由于TL431的第1、2脚间的电压差为标准电压2.5V，而第1脚的工作电流可以忽略，所以TL431