电子血压计设计

电子血压计设计 目 录 摘 要 .................................................... 2 前言 ..................................................... 4 第一章 电子血压计装置总体概述 ............................ 6 1.1 电子血压计简介 .............................................. 6 1.1.1 电子血压计的介绍 ................................................................................................. 6 1.1.2 电子血压计功能简介 ............................................................................................. 6 1.1.3 电子血压计使用方法 ............................................................................................. 6 1.1.4 电子血压计的使用注意事项 ................................................................................. 6 1.2 电子血压计装置设计 ...................................... 7 1.2.1 设计总体要求 ......................................................................................................... 7 1.2.2 具体设计方案 ......................................................................................................... 7 1.3 电子血压工作原理 ............................................ 8 1.3.1 血压测量的工作原理 ............................................................................................. 8 1.3.2 电子血压计的工作原理 ......................................................................................... 8 第二章 硬件电路的设计 ................................... 10 2.1 传感器简介及电路设计 ....................................... 10 2.1.1 传感器简介 ........................................................................................................... 10 2.1.2 传感器电路设计 ................................................................................................... 11 2.2 AT89C51单片机的简介及性能 ................................. 12 2.2.1 AT89C51简介 ....................................................................................................... 12 2.2.2 主要性能参数 ....................................................................................................... 12 2.3 单片机电路设计 ............................................. 15 2.3.1 AT89C51的复位电路 ........................................................................................... 15 2.3.2 AT89C51的时钟电路 ........................................................................................... 15 2.3.3 AT89C51与液晶显示模块的电路连接................................................................ 16 2.4 液晶显示模块简介及其电路设计 ............................... 17 2.4.1液晶显示模块DM-1602简介 .............................................................................. 17 2.4.2液晶显示模块DM-1602电路设计 ...................................................................... 18 2.5其他电路设计 ............................................... 19 2.5.1电源电路 ................................................................................................................ 19 2.5.2线性阀PWM控制电路 ........................................................................................ 19 2.5.3充气PUMP控制电路 ........................................................................................... 20 第三章:软件系统流程及程序的设计 ........................ 21 3.1 程序流程图 ................................................. 21 3.2 程序流程说明 ............................................... 22 0 结论 .................................................... 23 参考文献 ................................................ 24致谢 .................................................... 25 附 录 ................................................... 26 附录A 参考程序 ................................................ 26 附录B元件清单 ................................................. 32 附录C 主电路图 ................................................ 33 附录D中英文翻译 ............................................... 34 1 电子血压计的设计 摘 要 现代社会的迅速发展，导致环境日益恶化，不健康的生活习性与不科学的饮食习惯，导致人类疾病越来越多的出现。其中，有着人类第一无形杀手称号的高血压病，已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名，长期危害着人体健康，让饱受高血压折磨的患者痛不欲生。如何便捷有效地测量与监控高血压，从而有效预防与治疗高血压，成为人们对抗高血压病的首要问题。于是，设计一台便捷的测量血压的装置，成为重中之重。 家用电子血压计，主要是用于家庭。家庭医疗保健已成为现代人的医疗保健时尚。过去人们测量血压必须到医院才行，而今只要拥有了家用电子血压计，坐在家里便可随时监测血压的变化，如发现血压异常便可及时去医院治疗，起到了预防脑出血、心功能衰竭等疾病猝发的作用。本文将详细介绍我们设计的智能型血压测量装置。 关键词:ASDX 001;AT89C51;液晶显示;压力测量。 2 THE DESIGN OF ELECTRONIC DEVICE ABSRACT The rapid development of modern society, leading to deteriorating environment, unhealthy living habits and unscientific eating habits, leading to the emergence of an increasing number of human diseases. Which has one invisible killers of the human hypertension, and has gradually risen to the top ranks of human disease, a long-term hazard to human health, so that patients suffering from hypertension pain. How convenient and effective measurement and monitoring hypertension, and thus effective prevention and treatment of hypertension, a confrontation hypertension is the most important issue. Therefore, design a convenient measurement of blood pressure devices, has become a priority. This article will detail the design of our intelligent blood pressure measuring devices. Home Blood Pressure Monitor, mainly for home. Home health care has become a fashionable modern health care. Measuring blood pressure in the past people have to go to the hospital for the job now as long as the electronic blood pressure monitor has a home, sit at home monitoring of blood pressure can be at any time, such as abnormal blood pressure can be found in time to the hospital for treatment, prevention plays a cerebral hemorrhage, heart failure The role of diseases such as burst. Keyword: ASDX 001、AT89C51、liquid crystal show that the module、Pressure measurements. 3 前言 在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。对于上了年纪的人，血压是一个重要的健康信号。随着生活水平的提高，时下老年人对自己的血压越来越关注。高血压是世界最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一，它的危害非常的巨大，据有关统计资料显示，我国现有的高血压患者已达一亿，并且每年新增人数在300万以上。从高血压目前的危害来看，高血压病已成为人类的头号隐形杀手病。高血压病不但是长期危害人体健康的一种慢性病，而且它还是脑中风、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、肾衰等疾病的祸首，因此被人们称为“无形杀手”。 (1)高血压可以胀破脑血管，引起脑中风。世界卫生组织曾宣布，人类因疾病死亡，脑中风占第一位。高血压病人发生脑血管病的为77.3,。因为长期的血压升高，可导致脑部已硬化的小动脉形成微动脉瘤，当血压突然升高时，微动脉瘤就会被胀破而出血;也可以由高血压引起脑部小动脉痉挛或血管闭塞，造成部分脑组织缺氧、坏死、点状出血或脑水肿，使血管破裂。血压越高，危险越大。高血压患者在情绪激动、发烧，或者屏气排便时，可引起血压突然升高，容易发生脑出血。因此，预防脑中风就必须预防和治疗高血压。 (2)高血压会发展为高血压心脏病。如果血压长期升高，就会增加心脏负担，为了克服血管的阻力，左心室要用比正常时大得多的力量把血液压出去，每日每时每刻的加大负荷，心脏就会逐渐增厚肥大。心脏增厚肥大并非好事，心脏越肥大，缺血越严重，首先危害的是心脏供血不足，最终还可导致心脏收缩无力而发生心力衰竭。 (3)高血压可以造成肾损害。高血压不但可以促使肾动脉硬化，而且可以使肾发生硬化(肾硬化症)。高血压还可促成肾缺血，又造成肾素分泌增加，使血压进一步升高，形成恶性循环，容易出现高血压脑痛、视网膜出血或尿毒症。 高血压对人体的损害是全身性的，也是造成死亡的恶魔，直接威胁着人的生命，所以，对高血压这个无形杀手，不可掉以轻心。 治疗高血压病，首先是要测量准确的血压。测量血压的仪器称为血压计。血压计可分为直接式和间接式两种。两种血压计的工作原理是不相同的，直接式是用压力传感器直接测量压力变化;间接式的工作原理则是控制从外部施加到被测部位上的压强，并将控制的结果与其相关的柯氏音的产生和消失的信息加以判断。前者不管对动脉或静脉都可连续测试，而后者只能测量动脉的收缩压和舒张压。 间接法测量仪器有汞柱血压计、随机零点血压计、弹簧表式血压计、自动电子血压计、间歇式长时间血压测量计、皮肤小动脉血压测定计等。这些血压计都是根据不同需要而设计的，如随机零点血压计是为克服目测等人为误差而较准确地研究血压变化时应 4 用;间歇式长时间血压测量计则是用来连续24小时监测血压变化的;皮肤小动脉血压测定计是为幼儿、婴儿、新生儿而设计的;由于智能化的发展，电子血压计可自动向充气袖带内充气及显示血压值的读数。指套式电子血压计只需将一个指套戴在手指上，就可自动测量血压，更为方便。需要注意的是，这些自动电子血压计测得的血压值可能与汞柱式血压计测得的血压值有一定差数，应预先进行校验，并记住这一差数。 传统的血压计是模拟的血压计。此类血压计操作比较复杂，测量精度不够，而且受环境影响较大。且时常需要校准精度，需用一只准确的汞柱血压计或血压表一同校验。其方法是将听诊器上“Y”形管取下，其两端分别接准确的血压计(血压表)和校验的弹簧表式血压表，第三端接臂带及气阀，这样利用同一压力，观察要校验的血压表与准确的血压计(血压表)的读数是否葙伺，如不同则说明该校验的血压表已不准确，如读数相同，仅零位有偏差时，并不影响实际使用。如发现血压表指针不能回复零位时，切勿擅自调节螺钉，以免损害表内机芯，此时应将血压表送到生产厂家或指定服务部维修。因此，此类血压计的使用与维护相对麻烦。为了让广大血压计使用者更方便的使用与维护血压计，也让更多的人学会使用血压计进行简单的血压测量，我们设计出一台操作便捷，测量精确，无需维护的测量血压的装置，以帮助人们对抗高血压。 5 第一章 电子血压计装置总体概述 1.1 电子血压计简介 1.1.1 电子血压计的介绍 该产品重量轻，便携，可放入医生护士口袋。无水银，增强环保性，避免了因水银泄露而造成的污染事故。操作简单易懂，特别适合家庭使用。 1.1.2 电子血压计功能简介 该血压计以压力传感器测得血压值，再将血压数据通过A/D转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由控制核心单片机控制，经主程序处理数据之后，在液晶显示器上把数据显示出来。 1.1.3 电子血压计使用方法 在使用本产品时应掌握正确的测量方法。首先，袖带位置须与心脏高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整个胳膊平伸在高于心脏位置的桌子上，或用垫子将胳膊垫得过高;其次，每天要在固定时间和同样状态下，以相同的姿势测量血压;第三，应该在安静的状态下进行测量，测量前安静休息10,20分钟，深呼吸2,3次;第四，饭后或运动后至少休息一小时再进行测量;第五，不要在浴后、吸烟、饮酒、喝咖啡后测血压;第六，要在没有尿意时测血压。第七，测量时应保持心情舒畅，没有疲劳感，不紧张。 1.1.4 电子血压计的使用注意事项 1(不应使本产品受到强烈冲击。如碰撞、跌落等; 2(要避免在高温和直射阳光下存放; 3(绑带和计量器要避免沾水或受潮; 4(长时间不用，应将电池取出; 5(冬季温度低于5?C时不要使用，由室外进入室内要过一会儿再开机。 6 1.2 电子血压计装置设计方案 1.2.1 设计总体要求 电子血压计是传感技术和微电脑技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务:?感应血流的压力;?判别高压和低压;?在屏幕上显示测量结果。 感受血流压力离不了传感器，民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。在各种传感器中有一类是利用压电效应的，有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料。其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器。另外，血压会通过电子血压计的液晶显示屏进行显示。 1.2.2 具体设计方案 在这里介绍一下有关血压的基本知识，血压是血液在血管内流动时对血管壁的侧压力。血压分收缩压和舒张压。当心室收缩向动脉泵血时，血压升高，其最高值为收缩压。心室舒张时，血压降低，其最低值为舒张压。血压通常以上肢肪动脉测得的血压为代表，正常成年人上胶动脉的收缩压为90-140毫米汞柱，舒张压为60-90毫米汞柱。血压过低或过高都是疾病的征象。 血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩、舒张而不断变化，而人的心脏的收缩频率即心率比较低，一般在30-300b/min，由此血压脉动镶号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号，我的设计是采用内部自带的10位8通道A/D转换模块构成的采样模块。 本设计是基于AT89C51单片机的设计，具体装置方案如下图1-1所示: 图1.1电子血压计设计方案 7 1.3 电子血压工作原理 1.3.1 血压测量的工作原理 是根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大的时候，气袖的压力微是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。 收缩压判断的确定:通常采用最大的振幅法，即在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比<=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。 Ps=P|Ui=Ks*Um Ks=0.58 舒张压判断的确定:也是用最大的振幅法来判定，不过是在脉搏波振幅包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比<=Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。 Pd=P|Ui=Kd*Um Kd=0.77 血压信号以及收缩舒张压的位置如图1-2所示 图1.2 血压交直流信号及收缩压和舒张压位置 先找出最大振幅值 Amax ,在往前找幅值为0. 58Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压,往后找幅值为0. 77Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压,将计算出的收缩压和舒张压结果输出至液晶驱动器显示。 1.3.2 电子血压计的工作原理 马达在充气时，袖带内部产生压力，数字压力传感器ASDX 001感应到该压力值， 8 经过放大以及滤波电路后，由单片机89C51的第1脚读入，进行A/D转换后由单片机89C51的第1脚读入。单片机在程序的控制下，严格按照ASDX 001压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进运算，然后经LCD-1602液晶显示模块进行显示。 9 第二章 硬件电路的设计 2.1 传感器简介及电路设计 2.1.1 传感器简介 ASDX 001属于微型结构压力传感器ASDX DO系列。ASDX系列是Sensym 公司检定合格的ICT 代表产品的一种增强型品种。也是工业水平领先的一种SDX系列传感器增强型。ASDX 001 传感器的外形尺寸要比SDX稍大，能提供高电平(4.0 V测量范围)的输出电压，价格便宜。ASDX 001压力传感器内置专用集成电路(ASIC)经全面CI校准并有温度补偿。ASDX 001压力传感器采用标准DIP封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。ASDX 001采用了IC兼容性，无需额外的元件或电子电路，就可容易地连接最常用的微控制器和微处理器。 所有ASDX DO压力传感器的精度在满量程范围内为。具有可用单一5 Vdc,0.2% 供电电压土作的特性。传感器的设计和制造均遵循ISO 9001标准。此系列传感器可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。 传感器的输出是一个16进制格式的己校正的压力值，其分辨率为12位。 (该压力传感器可用于测量绝压、差压和表压。范围从1PSI到100PSI1kg/cm2约等于14.5psi)，绝压型传感器有一个内部真空参比值(基准值)，因此可直接输出一个与绝压成比例的信号。差压型装置允许在传感膜片的任一侧施加压力，可用于表压和差压的测量。 数字压力传感器ASDX 001的结构 (1)外部结构: 10 图2.1 ASDX 001外部结构图 (2)内部结构 ASDX 001的内部结构主要包括4部分: ?多路分配器;?模/数转换器;?微控控制;?模/数转换器。 +Vs 220nF多路模/数模/数C 微控制器输出分配器转化器转化器 ASIC接地图 2.2 ASDX 001内部结构图 2.1.2 传感器电路设计 ASDX 001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。工作电压为正5负。由+Vs脚引入正5负电压，Vout为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的1脚，ASDX 001的地脚为GND脚，接地。 因此，这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Vout连接到AT89C51单片机的1脚上即可，如图2-3所示: 图 2.3 ASDX 001与单片机的连接电路原理图 11 2.2 AT89C51单片机的简介及性能 2.2.1 AT89C51简介 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压 ,高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM ),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机能应用许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。 AT89C51的封装如图2-4所示 图2.4 AT89C51封装图 2.2.2 主要性能参数 (1)主要特性: ?4K字节可编程闪烁存储器;寿命:1000写/擦循环;数据保留时间:10年 ?全静态工作:0Hz-24Hz ?三级程序存储器锁定 ?128*8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 12 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示: 口管脚 (备选功能) P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) 13 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 (3)振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4)芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 14 2.3 单片机电路设计 2.3.1 AT89C51的复位电路 在复位引脚RST引出两个电阻一个电容组成手动复位电路，如下图: 图 2.5 单片机复位电路 2.3.2 AT89C51的时钟电路 AT89C51的+5V电源由40脚引入，第20脚接地，第18脚和第19脚间由12MHz的晶振及两个20pF的无极性电路组成一个时钟振荡电路。如图所示: 15 图 2.6 单片机时钟电路 2.3.3 AT89C51与液晶显示模块的电路连接 液晶显示模块所要的数字信号从AT89C51的P0.0-P0.7口引出，分别对应的接DM-162的D0-D7端口，完成数据传输，液晶显示模块的控制引脚RS、PR、E分别接到89C51的P3.5、P3.6、P3.7口，以实现微处理器对液晶显示模块的控制。如图所示: 16 图2.7 单片机与显示屏的电路连接原理图 2.4 液晶显示模块简介及其电路设计 2.4.1液晶显示模块DM-1602简介 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 本次设计采用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示模块DM-162，共有16个引脚。 第1脚:VSS为地电源 第2脚:VDD接5V正电源 第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度 第4脚:RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 17 第5脚:RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 ,14脚:D0,D7为8位双向数据线 第7 第15,16脚:空脚 2.4.2液晶显示模块DM-1602电路设计 VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。PS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当PS和PR共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当PS为低电平PR为高电平时可以读忙信号，当PS为高电平PR为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。如图2-8所示: 18 图2.8液晶显示模块电路 2.5其他电路设计 2.5.1电源电路 电子血压计是一种需要电源的设备，其电源为两节AAA型普通电池或充电电池。但电子血压计包括了一般电子器件、单片机、还有高耗能的电动器件---电动机!这些器件在瞬间工作时其电流消耗远大于正常工作运转的电流消耗，会造成电源电压的突然降低，而电压降低对单片机影响就会比较大，所以为了降低电压降低带来的影响，保证系统的稳定运转,需选用稳定的电源电路,如下图: 图2.9 电源电路原理图 2.5.2线性阀PWM控制电路 泄气速率以PWM(Pulse Width Modulation 脉宽调变)方式控制，MCU将依据压力值之泄气变化调整泄气速率在规格范围内。C1与C2做为 稳定电源与滤波作用，减少PWM控制避免电源变动造成电压不稳。 采用SC03A75型号的专用放气阀,配合一纯机械匀速放气阀(放弃速度4mmHg/m)。 具体工作方式:当充气到200KPA时，开始漏气，由IC发出一个低电平信号给第3脚，经R12流过到Q2，使Q2导通，输出一个3.3V的电压给L1，使L1开始工作，D1保护Q2和L1的正常工作而设计。如图2-10所示: 19 图2.10 线性阀PWM控制电路 2.5.3充气PUMP控制电路 PUMP control讯号控制PUMP动作，R27为限流电阻。 具体工作方式:由IC的4脚输出一个低电平约(0.6V)信号给R27，经Q1导通，VBT为Q1提供3V的电压，Q1导通输出一个3.2V的电压经PUMP，使PUMP导通。D2 为保护二极管，使PUMP能稳定工作。如图2-11所示 图2.11充气PUMP控制电路原理图 20 第三章:软件系统流程及程序的设计 3.1 程序流程图 开始 计算最大脉搏幅度 0.77倍和0.58倍 A/D采样 数据处理子程序 N 数据处理 子程序 计算收缩压、舒张 压及心率 最大脉显示数据 搏幅度 Y 保存最大幅度 返回 图3.1程序流程图 21 3.2 程序流程说明 主程序依此调用5个模块: (1)处理模块 判断键盘的当前状态(是否开/关电源)，执行相应的操作。 (2)测量模块 测量信号为二路，压力传感器的信号经放大送AD1，作为静态血压信号;隔直后经再次放大送AD2，作为脉搏波信号。由于传感器的AD为10位，因此最高精度可达1/1024。采样后的信号经信号处理模块的处理，最终计算得到收缩压。舒张压和心率。 (3)信号处理模块 主要功能是脉搏波的判断和检测，主要分为两步:第一步，对A/D采样的脉搏波信号进行低通滤波处理，排除因外界干扰造成的信号读数的误差;第二步，采用相关运算，最大程度的排除因手臂的运动造成的误差。在这基础上，信号，得到波形的峰值(供判断收缩压，舒张压和平均压)，得到每个脉搏波的时间。 (4)显示模块 主要显示3种信息:测量过程显示当前压力值、漏气速率;测量结束后分别以mmHgH和Kpa方式滚动显示收缩压、舒张压及心率;校准状态下显示当前压力值、漏气速率。 (5)串行通信模块 采用PC机主叫的中断方式，一旦接到PC机发来的命令，对血压进行初始值的设定，主要包括起始加压值，每次的压力递增值和最高压力限制。 22 结论 目前常用的血压测量系统大多存在两大缺点:其一，需要大量的连线才能把现场传感器的信号送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也高;其二，线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗;其三，电源带动电器元件电压不稳定导致测量数据误差偏大。为了克服这些缺点，一种基于数字化技术的系统应运而生。研究和开发温度测量装置既可为人民生活服务，也满足工业生产的要求。本次设计的目的，一方面是工业现代化的客观需要，另一方面，也对于即将要步入社会的大学生是一个有益的尝试。 本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压记录仪，使每次测量结果完全透明，实时分析结合回顾分析，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性;设计的集成式A/D传感器大大降低了因为线路复杂而造成的信号干扰;并且使信号传输更为快速准确性也大大提高，降低了产品成本。 但同时由于我能力有限设计方面也有缺陷，如由于成本限制，采用的芯片并不是最新版本，系统计算速度上不如同类产品;能源消耗量还没有完全优化。望读者给予建议或意见。 23 参考文献 [1]康华光.电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社，1998 [2]《电子制作》第2004年合定本 [3] 李银华.《电子线路设计指导》[M].北京航空航天大学出版社 [4] 王鹏巨,杨原茂，田孝文，周山宏，用示波法实现动脉血压的自动检测 [5] 刘晓风.测振式自动血压测量中的一种脉搏波检测方法，中国医疗器械杂志，1990 年第14 卷第2 期 [6] 孟凡水.电子血压计性能评价问题探讨[J].中国医疗器械杂志,2003,(3):194。 [7]梁亚梅,黄欢,曾建新.腕式电子血压计与汞柱台式血压计测量血压的比较[J] [8] 汪吉鹏.微机接口原理与技术[M].高等教育出版社.1997 [9] 邱关源、罗先觉.电路[M].高等教育出版社.2000 [10] 孟立凡、蓝金辉.传感器原理与应用[M].电子工业出版社.2001 [11] 来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京航空航天大学出版社.2005 [12]王晓明.电动机的单片机控制[M].第2版.北京航空航天大学出版社.2001 [13] 阮德生.自动测试技术与计算机仪器系统设计[M].西安电子科技大学出版.1997 [14] 赵光胜.现代高血压学[M].人民军医出版社.1999 [15]MotorolaSemiconductorTechnicalDATA[J].2002 [16]LarryGaddy.[SelectinganA/Dconverter][M].ApplicationBulletinofburr-brown.1998 [17]MauroUrsino&CristinaCristalli:"AMathematicalstudyofSomeBiomechanicalFactorsAffecti ngtheOscillomet-ricBloodPressureMeasurement,"IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,V ol.43,Aug.1996 24 致谢 经过本次毕业设计，使我能够把大学四年中系统所学的理论知识和实际应用得以结合，总结出了很多实践设计中的技术经验。同时接触到电子产品的一些新技术，了解到电子产品的发展趋势。在设计期间，通过刘习文老师的悉心指导，使我在设计思路上更加明了。在刚开始我使用PIC单片机进行设计，但由于所学的单片机是89C51，在汇编语言上面遇到了很大障碍，最后放弃了利用PIC单片机的设计，转向用51单片机进行设计，特别感谢刘习文老师对我在编程方面的指导，使我对单片机编程思路有了更加清晰的认识，在软件方面也有了很大的提高，了解到要编好一个程序首先要有丰富程序积累并多去动手做实验、调试。 在设计同时我也认识到自己在技术方面的种种不足，以及在设计思路上面的欠缺，我会在以后的学习生活中注意提高自己的种种不足，同时非常感谢学校老师们的谆谆教诲，在离开大学，走进工作岗位之际，我会记住老师们的教导，将自己所学的知识贡献社会。 25 附 录 附录A 参考程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit DQ=P1^0;//ASDX001与单片机连接口 sbit RS=P3^5; sbit RW=P3^6; sbit EN=P3^7; unsigned char code str1[]={"blood pressure: "}; unsigned char code str2[]={" "}; uchar data disdata[5]; uint tvalue;//压力值 uchar tflag;//压力正负标志 /*************************lcd1602程序**************************/ void delay1ms(unsigned int ms)//延时1毫秒(不够精确的) {unsigned int i,j; for(i=0;i0;i--) { DQ = 0; //给脉冲信号 dat>>=1; DQ = 1; //给脉冲信号 if(DQ) dat|=0x80; 28 delay_asdx001(10); } return(dat); } void asdx001wr(uchar wdata)/*写数据*/ {unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i--) { DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_asdx001(10); DQ = 1; wdata>>=1; } } read_pressure1()/*读取压力值并转换*/ { asdx001rst(); asdx001wr(0xcc);//*跳过读序列号*/ asdx001wr(0x44);//*启动压力转换*/ asdx001rst(); } read_pressure2() {uchar a,b; asdx001wr(0xcc);//*跳过读序列号*/ asdx001wr(0xbe);//*读取压力*/ a=asdx001rd(); b=asdx001rd(); tvalue=b; tvalue<<=8; tvalue=tvalue|a; if(tvalue<0x0fff) tflag=0; else {tvalue=~tvalue+1; 29 tflag=1; } return(tvalue); } /*******************************************************************/ void asdx001disp1()//压力值显示 { uchar flagdat; disdata[0]=tvalue/1000+0x30;//百位数 disdata[1]=tvalue%1000/100+0x30;//十位数 disdata[2]=tvalue%100/10+0x30;//个位数 disdata[3]=tvalue%10+0x30;//小数位 if(tflag==0) flagdat=0x20;//正压力不显示符号 else flagdat=0x2d;//负压力显示负号 if(disdata[0]==0x30) {disdata[0]=0x20;//如果百位为0，不显示 if(disdata[1]==0x30) {disdata[1]=0x20;//如果百位为0，十位为0也不显示 } }} void asdx001disp2() {uchar flagdat; wr_com(0xc3); wr_dat(flagdat);//显示符号位 wr_dat(disdata[0]);//显示百位 wr_dat(disdata[1]);//显示十位 wr_dat(disdata[2]);//显示个位 wr_dat(0x2e);//显示小数点 wr_dat(disdata[3]);//显示小数位 wr_com(0xca); wr_dat(0xdf); wr_dat(0x43); 30 } /********************主程序***********************************/ void main() { init_play();//初始化显示 while(1) { read_pressure1();//读取压力 read_pressure2();//读取压力 asdx001disp1();//显示 asdx001disp2();//显示 } } 31 附录B元件清单 序号 名称 标号 规格 数量 1 单片机 U1 89c51 1 2 LCD U2 1602 1 3 传感器 U3 ASD0001 1 4 稳压器 U4 7805 1 5 按键 SW-1/2 PNP 2 6 电池 AAA 1.5V 2 7 继电器 L1 3mV/5V 1 8 电动机 M1 2A/5V 1 9 二极管 D1/2/3 500mA 3 10 开关三极管 Q1 PNP 1 11 晶体管 Q3 NKT129 1 12 石英晶体 Y1 12MHz 1 13 双运算放大器 T1 ,,, 1 14 稳压二极管 D3 ,, 1 15 极性电容 C1 470uF/10V 1 16 无极性电容 C2 100pF 1 17 无极性电容 C3 10uF 1 18 无极性电容 C4/5 20pF 2 19 滤波电容 C6/7 10uF 2 20 滤波电容 C8 0.1uF 1 21 滤波电容 C9 1000uF 2 22 滤波电容 C8 104pF 1 23 电阻 RP1 10K 8 24 电阻 R9/12 1K 2 25 电阻 R10 10K 1 26 电位器 R11 10K 1 27 电阻 R13 200 1 28 电阻 R14 50K 1 29 电阻 R15/16 5K 2 30 电阻 R17 100K 1 31 电阻 R18 2K 1 32 开关三极管 Q2 NPN 1 32 附录C 主电路图 5VRP15VU31116Vs2152314Vout413100pFL13512GNDC2INDUCTOR IRON611C1D1ASDX00171047uF/10VDIODE895V10K*8U1Q2039U2P1.0VccPNPR11138013P1.1P0.0D7VDD10KR121K237112P1.2P0.1D6VO336211P1.3P0.2D5VSSS2R134353P1.4P0.3D4SW-PB2005344P1.5P0.4D3633510P1.6P0.5D2PSR9732695VP1.7P0.6D1PR831781KRST/WTPP0.7D0EC3930P3.0/RxDEA/Vpp1029DH-162P3.1/TxDALE/PROGR101128P3.2/INTOPSEN10K10uF1227P3.3/INT1P2.75V1326P3.4/T0P2.61425P3.5/T1P2.51524P3.6/WRP2.41623P3.7/WDP2.3Q11722XTAL2P2.2PNP1821XTAL1P2.11920GNDP2.0MG189C51MOTOR AC C420pFD2Y1DIODE12MHzC520pF S1SW-PBU4Q35CNKT12912Vid+5VR177805100KR14R15DND350K4KC6C8G10uF0.01uF3T1A83R18C911000uF22KLM358AAA*243VC7R1610uF6K 33 附录D中英文翻译 微机发展简史 IEEE的论文 剑桥大学，2004/2/5 莫里斯 威尔克斯 计算机实验室 剑桥大学 第一台存储程序的计算开始出现于1950前后，它就是1949年夏天在剑桥大学，我们创造的延迟存储自动电子计算机(EDSAC)。 最初实验用的计算机是由象我一样有着广博知识的人构造的。我们在电子

工程

路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理

方面都有着丰富的经验，并且我们深信这些经验对我们大有裨益。后来，被证明是正确的，尽管我们也要学习很多新东西。最重要的是瞬态一定要小心应付，虽然它只会在电视机的荧幕上一起一个无害的闪光，但是在计算机上这将导致一系列的错误。 在电路的设计过程中，我们经常陷入两难的境地。举例来说，我可以使用真空二级管做为门电路，就象在EDSAC中一样，或者在两个栅格之间用带控制信号的五级管，这被广泛用于其他系统设计，这类的选择一直在持续着直到逻辑门电路开始应用。在计算机领域工作的人都应该记得TTL，ECL和CMOS，到目前为止，CMOS已经占据了主导地位。 在最初的几年，IEE(电子工程师协会)仍然由动力工程占据主导地位。为了让IEE 认识到无线工程和快速发展的电子工程并行发展是它自己的一项权利，我们不得不面对一些障碍。由于动力工程师们做事的方式与我们不同，我们也遇到了许多困难。让人有些愤怒的是，所有的IEE出版的论文都被期望以冗长的早期研究的陈述开头，无非是些在早期阶段由于没有太多经验而遇到的困难之类的陈述。 60年代的巩固阶段 60年代初，个人英雄时代结束了，计算机真正引起了重视。世界上的计算机数量已经增加了许多，并且性能比以前更加可靠。这些我认为归因与高级语言的起步和第一个操作系统的诞生。分时系统开始起步，并且计算机图形学随之而来。 综上所述，晶体管开始代替正空管。这个变化对当时的工程师们是个不可回避的挑战。他们必须忘记他们熟悉的电路重新开始。只能说他们鼓起勇气接受了挑战，尽管这个转变并不会一帆风顺。 小规模集成电路和小型机 很快，在一个硅片上可以放不止一个晶体管，由此集成电路诞生了。随着时间的推移，一个片子能够容纳的最大数量的晶体管或稍微少些的逻辑门和翻转门集成度达到了一个最大限度。由此出现了我们所知道7400系列微机。每个门电路或翻转电路是相互独立的并且有自己的引脚。他们可通过导线连接在一起，作成一个计算机或其他的东西。 34 这些芯片为制造一种新的计算机提供了可能。它被称为小型机。他比大型机稍逊，但功能强大，并且更能让人负担的起。一个商业部门或大学有能力拥有一台小型机而不是得到一台大型组织所需昂贵的大型机。 随着微机的开始流行并且功能的完善，世界急切获得它的计算能力但总是由于工业上不能规模供应和它可观的价格而受到挫折。微机的出现解决了这个局面。 计算消耗的下降并非起源与微机，它本来就应该是那个样子。这就是我在概要中提到的“通货膨胀”在计算机工业中走上了歧途之说。随着时间的推移，人们比他们付出的金钱得到的更多。 硬件的研究 我所描述的时代对于从事计算机硬件研究的人们是令人惊奇的时代。7400系列的用户能够工作在逻辑门和开关级别并且芯片的集成度可靠性比单独晶体管高很多。大学或各地的研究者，可以充分发挥他们的想象力构造任何微机可以连接的数字设备。在剑桥大学实验室力，我们构造了CAP，一个有令人惊奇逻辑能力的微机。 7400在70年代中期还不断发展壮大，并且被宽带局域网的先驱组织Cambridge Ring所采用。令牌环设计研究的发表先于以太网。在这两种系统出现之前，人们大多满足于基于电报交换机的本地局域网。 令牌环网需要高可靠性，由于脉冲在令牌环中传递，他们必须不断的被放大并且再生。是7400的高可靠性给了我们勇气，使得我们着手Cambridge Ring.项目。 精简指令计算机的诞生 早期的计算机有简单的指令集，随着时间的推移，商业用微机的设计者增加了另外的他们认为可以微机性能的特性。很少的测试方法被建立，总的来说特性的选取很大程度上依赖于设计者的直觉。 1980年，RISC运动改变了微机世界。该运动是由Patterson 和 Ditzel发表了一篇命名为精简指令计算机的情况论文而引起的。 除了RISC这个引人注目缩略词外，这个标题传达了一些指令集合设计的见解，随之引发了RISC运动。从某种意义上说，它推动了线程的发展，在处理器中，同一时间有几个指令在不同的执行阶段称为线程。线程不是个新概念，但是它对微机来说是从未有过的。 RISC受益于一个最近的可用的方法的诞生，该方法使估计计算机性能成为可能而不去真正实现该微机的设计。我的意思是说利用目前存在的功能强大的计算机去模拟新的设计。通过模拟该设计，RISC的提倡者能够有信心的预言，一台使用和传统计算机相同电路的RISC计算机可以和传统的最好的计算机有同样的性能。 模拟仿真加快了开发进度并且被计算机设计者广泛采用。随后，计算机设计者变的多些可理性少了一些艺术性。今天，设计者们希望有满屋可用计算机做他们的仿真，而不只是一台， X86指令集 除非出现很大意外，要不很少听到有计算机使用早期的RISC指令集了。INTEL 8086及其后裔 35 都与x86密切相关。X86构架已经占据了计算机核心指令集的主导地位。被认为是相当成功的RISC指令集现在的生存空间越来越小了。 对于我们这些从事计算机学术研究的人，X86的统治地位让我们感到失望。毫无疑问，商业上对于x86的生存会有更多的考虑，但是这里还有很多原因，尽管我们多么希望人们考虑其他的方面。高级语言并没有完全消除对机器原始编码的的使用。我们仍需要不断提醒我们自己:我们应该严格的与先前的应用在机器层面上保持兼容。然而，情况也许有所不同，如果Intel的主要目的是为是生产一个好的RISC芯片。有一个已经取得了更大的成功，我所说的i860(不是i960,它们有一些不同)。从许多方面来说，i860是个卓越的芯片，但是它的软件借口不适合在工作站上应用。 对于x86取得胜利的最后有一件有意思的事情。直接应用先前x86的实现方式对于满足RISC处理器的持续增长的速度要求，是不可能的。因此，设计者们没有完全实现RISC指令集，尽管这不是很明显。表面上，一片现代的x86芯片包含了隐藏实现的部分，好象和实现RISC指令集的芯片一样。当致命的异常发生时，X86引入的代码是，经过适当的篡改后，被转化为它的内部代码并且被RISC芯片处理。 对于以上RISC运动的总结，我非常信赖最新版本的哈里斯和培生出版社的有关计算机设计的书籍。请参考特殊计算机体系构造，第三版，2003，P146，151-4，157-8 IA-64指令集 很久以前，Intel 和 Hewlett-Packard引进了IA-64指令集。这最初主要是为了满足通常的64位地址空间问题。在这种情况下，随后出现了MIPS R4000和Alpha。然而，人们普遍认为Intel应该与x86构架保持兼容，可令人疑惑的是恰恰相反。 进一步说，IA-64的设计与其他所有的指令集在主要实现方式上有所不同。特别的，每条指令它需要附加的6位。这打乱了传统的在指令字长和信息内容的平衡，并且它改变了编译器作者的原先的大纲。 尽管IA-64是个全新的指令集，但Intel发表了一个令人困惑的声明:基于IA-64的芯片将与早期的x86芯片保持兼容。很难弄懂它所指的是什么。 最新的称为Itaninu IA-64处理器显然需要特殊的兼容性的硬件，尽管如此，x86编码运行的相当慢。 由于以上的复杂因素，IA-64的实现需要更大的体积相对与传统的指令集，这暗示着更大的消耗。因此，在任何情况下，作为常识和一般性的标准，Gordon Moore在访问剑桥最近开放的Betty and Gordon Moore 图书馆时所反复强调。在听到他说问题出现在Intel内部也许有所不同，我很不理解。但是我已经作好了准备，去接受这样的事实，我已经完全不了解半导体经济学了。 AMD已经定义了一种64位的与x86更加兼容的指令集，并且他们已经取得了进展。这种片子并不是很大。很多人认为这才是Intel应该做的。(在这篇演讲稿被提交之前，Intel表示他们将销售一系列本质上与AMD兼容的芯片) 更小晶体管的出现 36 集成度还在不断增加，这是通过缩小原始晶体管以致可以更容易放在一个片子上。进一步说，物理学的定律占在了制造商的一方。晶体管变的更快，更简单，更小。因此，同时导致了更高的集成度和速度。 这有个更明显的优势。芯片被放在硅片上，称为晶片。每一个晶片拥有很大数量的独立芯片，他们被同时加工然后分离。因为缩小以致在每块晶片上有了更多的芯片，所以每块芯片的价格下降了。 单元价格下降对于计算机工业是重要的，因为，如果最新的芯片性能和以前一样但价格更便宜，就没有理由继续提供老产品，至少不应该无限期提供。对于整个市场只需一种产品。 然而，详细计算各项消耗，随着芯片小到一定程度，为了继续保持产品的优势，移到一个更大的圆晶片上是十分必要的。尺寸的不断增加使的圆晶片不再是很小的东西了。最初，圆晶片直径上只有1到2英寸，到2000年已经达到了12英寸。起初，我不太明白，芯片的缩小导致了一系列的问题，工业上应该在制造更大的圆晶片上遇到更多的问题。现在，我明白了，单元消耗的减少在工业上和在一个芯片上增加电子晶体管的数量是同等重要的，并且，在风险中增加圆晶片厂的投资被证明是正确的。 集成度被特殊的尺寸所衡量，对于特定的技术，它是用在一块高密度芯片上导线间距离的一半来衡量的。目前，90纳米的晶片正在被建成。 对Murphy’s定理的怀疑 1997年3月，在Cavendish实验室建立一百周年纪念庆典上，Gordon Moore被邀作为一名演讲者。在他演讲的过程中，我第一次了解到这样一个事实，我们可以使得硅芯片既快并且消耗低，从而违反在英国被称为Murphy’s 定律或 Sod’s 定律。Moore说在其它领域你也许不在二者之间做出取舍，但事实上，在硅片上，同时拥有二者是可能的。 在网上可得到一本相关的书籍，Murphy是在美国空军中从事人体重力加速度研究的工程师。然而在我们的学生时代就已经相当熟悉该定律，当时我们对于该定律有个更接近散文的名字而不是上面我们提到的那两个名字，我们称为General Cussedness定律。甚至它都曾出现在我们的试卷上。问题是这样，第一部分是关于该定律的定义，第二部分是应用该定律解决一道问题。我们的试题是:一、给出General Cussedness定律的定义;二、当一个骑自行车人围绕着圆做运动时，在任何情况下，考虑到风的因素得到一个平衡公式。 单片机 芯片每次的缩小，芯片数量将减少;并且芯片间的导线也随之减少。这导致了整体速度的下降，因为信号在各个芯片间的传输时间变长了。 渐渐地，芯片的收缩到只剩下处理器部分，缓存都被放在了一个单独的片子上。这使得工作站被建成拥有当代小型机一样的性能，结果搬倒了小型机绝对的基石。正如我们所知道的，这对于计算机工业和从事计算机事业的人产生了深远的影响 自从上述时代的开始，高密度CMOS硅芯片成为主导。随着芯片的缩小技术的发展，数百万的晶 37 体管可以放在一个单独的片子上，相应的速度也成比例的增加。 为了得到额外的速度。处理器设计者开始对新的体系构架进行实验。一次成功的实验都预言了一种新的编程方式的分支的诞生。我对此取得的成功感到非常惊奇。它导致了程序执行速度的增加并且其相应的框架。 同样令人惊奇的是，通过更高级的特性建立一种单片机是有可能的。例如，为IBM Model 91开发的新特性，现在在单片机上也出现了。 Murphy定律仍然在中止的状态。它不再适用于使用小规模集成芯片设计实验用的计算机，例如7400系列。想在电路级上做硬件研究的人们没有别的选择除了设计芯片并且找到实现它的办法。一段时间内，这样是可能的，但是并不容易。 不幸的是，制造芯片的花费有了戏剧性的增长，主要原因是制造芯片过程中电路印刷版制作成本的增加。因此，为制作芯片技术追加资金变的十分困难，这是当前引起人们关注的原因。 半导体前景规划 对于以上提到的各个方面，在部分国际半导体工业部门的精诚合作下，广泛的研究与开发工作是可行的。 在以前美国反垄断法禁止这种行为。但是在1980年，该法律发生了很大变化。预竞争概念被引进了该法律。各个公司现在可以在预言竞争阶段展开合作，然后在规则允许的情况下继续开发各自的产品。 在半导体工业中，预竞争研究的管理机构是半导体工业协会。1972年作为美国国内的组织，1998年成为一个世界性的组织。任何一个研究组织都可加入该协会。 每两年，SIA修订一次ITRS(国际半导体科学规划)，并且逐年更新。1994年在第一卷中引入了“前景规划”一词，该卷由两个报告组成，些于1992年，在1993年提交。它被认为是该规划的真正开始。 为了推动半导体工业的向前发展，后续的规划提供最好的可利用的工业标准。它们对于15年内的发展做出了详细的规划。要达到的目标是每18个月晶体管的集成度增加一倍，同时每块芯片的价格下降一半，即Moore定律。 对于某些方面，前面的道路是清楚的。在另一方面，制造业的问题是可以预见的并且解决的办法也是可以知道的，尽管不是所有的问题都能够解决。这样的领域在

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中由蓝色表示，同时没有解决办法的，加以红色。红色区域往往称为红色砖墙。 规划建立的目标是现实的，同时也是充满挑战的。半导体工业整体上的进步于该规划密不可分。这是个令人惊讶的成就，它可以说是合作和竞争共同的价值。 值得注意的是，促进半导体工业向前发展的主要的战略决策是相对开放的预竞争机制，而不是闭关锁国。这也包括大规模圆晶片取得进展的原因。 1995年前，我开始感觉到，如果达到了不可能使得晶体管体积更小的临界点时，将发生什么。怀着这样的疑惑，我访问了位于华盛顿的ARPA(美国国防部)指挥总部，在那，我看到1994年规 38 划的复本。我恍然大悟，当圆晶片尺寸在2007年达到100纳米时，将出现严重的问题，在2010年达到70纳米时也如此。在随后的2004年的规划中，当圆晶片尺寸达到100纳米时，也做了相应的规划。不久半导体工业将发展到那一步。 从1994年的规划中我引用了以上的信息，还有就是一篇提交到IEE的题目为CMOS终结点的论文和在1996年,月,号的Computing上讨论的一些题目。 我现在的想法是，最终的结果是表示一个存在可用的电子数目从数千减少到数百。在这样的情况下，统计波动将成为问题。最后，电路或者不再工作，或者达到了速度的极限。事实上，物理限制将开始让他们感觉到不能突破电子最终的不足，原因是芯片上绝缘层越来越薄，以致量子理论中隧道效应引起了麻烦，导致了渗漏。 相对基础物理学，芯片制造者面对的问题要多出许多，尤其是电路印刷术遇到的困难。2001年更新2002年出版的规划中，陈述了这样一种情况，照目前的发展速度，如果在2005年前在关键技术领域没有取得大的突破的话，半导体业将停止不前。这是对“红色砖墙”最准确的描述。到目前为止是SIA遇到的最麻烦的问题。2003年的规划书强调了这一点，通过在许多地方加上了红色，指示在这些领域仍存在人们没有解决的制造方法问题。 到目前为止，可以很满意的报道，所遇到的问题到及时找到了解决之道。规划书是个非凡的文档，并且它坦白了以上提到的问题，并表示出了无限的信心。主要的见解反映出了这种信心并且有一个大致的期望，通过某种方式，圆晶体将变的更小，也许到45纳米或更小。 然而，花费将以很大的速率增长。也许将成为半导体停滞不前的最终原因。对于逐步增加的花费直到不能满足，这个精确的工业上达到一致意见的平衡点，依赖于经济的整体形势和半导体工业自身的财政状况。 最高级芯片的绝缘层厚度仅有,个原子的大小。除了找到更好的绝缘材料外，我们将寸步难行。对于此，我们没有任何办法。我们也不得不面对芯片的布线问题，线越来越细小了。还有散热问题和原子迁移问题。这些问题是相当基础性的。如果我们不能制作导线和绝缘层，我们就不能制造一台计算机。不论在CMOS加工工艺上和半导体材料上取得多么大的进步。更别指望有什么新的工艺或材料可以使得半导体集成度每18个月翻一番的美好时光了。 我在上文中说到，圆晶体继续缩小直到45纳米或更小是个大致的期望。在我的头脑中，从某点上来说，我们所知道的继续缩小CMOS是不可行的，但工业上需要超越它。 2001年以来，规划书中有一部分陈述了非传统形式CMOS的新兴研究设备。一些精力旺盛的人和一些投机者的探索无疑给了我们一些有益的途径，并且规划书明确分辨出了这些进步，在那些我们曾经使用的传统CMOS方面。 内存技术的进步 非传统的CMOS变革了存储器技术。直到现在，我们仍然依靠DRAM作为主要的存储体。不幸的是，随着芯片的缩小，只有芯片外围速度上的增长——处理器芯片和它相关的缓存速度每两年增加一倍。这就是存储器代沟并且是人们焦虑的根源。存储技术的一个可能突破是，使用一种非传统的 39 CMOS管，在计算机整体性能上将导致一个很大的进步，将解决大存储器的需求，即缓存不能解决的问题。 也许这个，而不是外围电路达到基本处理器的速度将成为非传统CMOS.的最终角色。 电子的不足 尽管目前为止，电子每表现出明显的不足，然而从长远看来，它最终会不能满足要求。也许这是我们开发非传统CMOS管的原因。在Cavendish实验室里，Haroon Amed已经作了很多有意义的工作，他们想通过一个单独电子或多或少的表现出0和1的区别。然而对于构造实用的计算机设备只取得了一点点进展。也许由于偶然的好运气，数十年后一台基于一个单独电子的计算机也许是可以实现的。 英文原稿 40