来源时间为：2020-07-03
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ID：技术让梦想更伟大
作者:李肖遥
本作品是大学时期的，校内电子设计竞赛一等奖
人体生命体征模拟器--电赛专题
设计要求
设计一款模拟人体生命体征模拟器，要求其能准确模拟人体生命的各种体征（呼吸，心跳，体温，声音）；并且能够对相关参量进行有效控制。以呼吸或者心跳体征为主要模拟实现的功能：
输入电压：5V或者12V
频率可控范围：
0.2-0.8Hz（人体正常呼吸的频率范围）
1-3Hz（人体心跳频率范围）
频率控制步进：1
幅度调节范围：0-100（幅度大小不做规定）
通过上位机进行状态控制（通信方式和上位机平台形式可自选）
总体框图
1.初始设计方案比较
方案一:在传动系统的基础上采用直流电机作为驱动，配合测速编码器进行PWM闭环控制来稳定步进频率，这样在方案思想上是可以达到频率方面的要求的，但是在幅度控制方面，我们尝试在转动片上加上步进电机来控制改变幅度，却出现幅度在断电后再次上电状态不确定，因此放弃了此方案。
方案二:采用舵机作为传动系统的驱动，因为舵机具有良好的即走即停效果，一般的舵机便可具有一定大小的扭矩，通过控制舵机信号PWM的占空比来控制舵机摆动的幅度，控制频率方面可以通过在不同的时间给舵机不同PWM可以幅度和频率上进行较为精确的控制，我们选用SD5数字舵机来进行驱动，效果较为理想，因此选择此方案来进一步完善。
2.单元电路设计与元器件的选择以及软件平台
我们在此选择的通过7.2V镍铬电池，采用线性稳压芯片LM2940来稳定输出5V电压，分别给16位单片机芯片和舵机供电，焊接键盘来做外部控制。
4个220uf的电容C1，C2，C3，C4.
一个3KΩ电阻,
一个9013NPN三极管，
一个无源蜂鸣器，
一个12864液晶显示器，
一个飞思卡尔MC9S12XS128MAL型号16位单片机最小系统，
一个SD5数字舵机
6个LED灯
2.15V稳压电源:
直流稳压是通过国家半导体公司生产的LM2940稳压5V芯片将镍铬电池7.2V直流电降压转换成稳压输出的5V电压的，LM2940最大输出电流有1A，典型的输入输出电压压降为0.5V，还有就是过流保护，过压保护这样一般电源芯片都有的东西,接着就是典型电路图，一般接发直接按照典型电路图来接就OK了，图为直流稳压电源方框图。
5V稳压电源
2.2最小系统控制器芯片介绍
最小系统
飞思卡尔MC9S12XS128MAL型号16位操作芯片,该最小系统芯片内部模块非常齐全,内部主要模块有PWM模块，SCI串口通信模块，PIT定时器计数器模块，ADC模块等.芯片处理性能上该芯片内部带有PLL锁相环倍频模块，最高倍频可达120ＭHz,兼顾稳定性和处理速度，我们选用倍频到80MHz。
2.3舵机控制原理：
舵机控制原理图
2.4软件开发平台：
本次编写调试程序使用的是CodeWarrior编译软件平台，充分利用其强大的在线调试模式，为程序调试过程提供了很大的便利其使用界面如图
软件开发平台
CodeWarrior的功能强大，可用于大部分单片机、嵌入式系统的开发。用户可在新建工程时将芯片的类库添加到集成环境开发环境中，工程文件一旦生成就是一个最小系统，用户无需再进行繁琐的初始化操作，就能直接在工程中添加所需的程序代码。利用CodeWarrior和配套的BDM。用户可以进行一系列的调试工作，如监视寄存器状态、修改PC指针、设置断点等，这样能快速地帮助我们找到软件或硬件的问题。
Hiwave下载调试界面
在源程序编译、连接通过后，就可以进行程序下载了。下载前，先将单片机上已经存在的程序擦除，然后点击Load，将bin文件夹下生成的后缀为.abs的文件打开，就可以完成下载。
2.5BDM开发工具：
BDM开发工具
后台调试模式（BackgroundDebugMode）是当代单片机普遍采用的调试方式之一，在BDM模式下主要可以实现以下3个方面的功能：首先是应用程序的下载与在线更新。在BDM模式下，可以对Flash做写入和擦除操作，故可以在产品出厂前即将应用程序下载的产品当中去，也可以在产品出厂后更应用程序。
BDM模式的另一功能是做单片机内部资源的配置与修复，程序的加密处理等。一些MCU的内部寄存器只能在BDM模式下操作，特别是一些单片机内部电源配置的寄存器。BDM的第三个功能是做应用程序的动态调试。S12系列单片机的BDM调试模式有这种功能。和很多现代单片机一样，S12单片机CPU内部使用了4级流水线结构，这种结构使得CPU的读取指令，解释指令，执行指令等操作看起来好像是并行的。
3.系统原理分析和软件设计与实现
3.1金属片周期运动的原理分析
在程序中，通过1ms定时中断，在中断中计数，当计数标志位Timecnt等于周期时间（所需频率的倒数）时，给舵机一个PWM波，由于舵机需要反应时间，所以在Timecnt等于一半周期的时候给另外一个PWM波，
0T/2(PWM(A2))T(PWM(A1))
心跳频率是1~3HZ,步进1，即步进0.02HZ,相应的周期T=1/f;用一个数组存放所有的频率对应的周期时间，f=1HZ,T=1s,Timecnt=1000;f=1.02HZ,T=0.98S,Timecnt=980;
依此类推，此数组可用visualC 6.0编写程序，得到数组的100个元素的值。
当要改变频率的值时，改变计数变量Timecnt所等于的值，这些值存放在数组里，我们可以通过上位机或者是按键来改变所选择的数组元素，这样实现精确控时输出占空比变化的PWM波；
当频率为1HZ时选择数组的第一个元素值1000，然后当计数变量等于1000，即1s时间到，周期循环；
当频率为1.02HZ时选择数组的第二个元素值980，依此类推可实现金属片所有的运动频率。
3.2软件设计流程图
此处保密，忽略
3.3软件算法及流程
系统的软件编写是基于MC9S12XS128单片机，主要用到S12芯片中的PWM模块，TIM模块、I/O模块以及SCI模块，PIT模块等模块化设计。PWM模块主要用来控制舵机的运转；TIM模块主要是用在了延时时间模块，I/O模块主要是用来分配给按键和LED灯、信息采集；SCI模块主要用在无线串口调试模块；PIT模块用于定时中断。
3.3.1PIT模块
PIT模块
在图中可以看到6个定时器模块，MicroTimer0、MicroTimer1、Timer0、Timer1、Timer2、Timer3，其中前两个是8位的，后四个是16位的。从图中可以看出PIT模块是以总线时钟（BusClock）为基准时钟的，总线时钟通过8位MicroTimer0和MicroTimer1倍频形成两个基时钟，即MicroTimerBase0和MicroTimerBase1，这两个基时钟通过16位Timer给PIT提供时钟（通过寄存器PITMUX设置）。其实相对于PIT模块是一个24位的定时器。通过给PITLD0和PITMTLD0的值，来设置定时中断时间，timercycle=定时周期=(PITMTLD0 1)*(PITLD0 1)*(1/fBus)=1ms。
3.3.2显示键盘接口模块
系统使用LCD12864作为显示器件，将金属条运动所对应的频率，幅度，经过数据处理转换进行实时生命体征各个参数（频率，幅度）液晶显示，同时使用5个功能按键实现频率和幅度以及呼吸和心跳模式的切换的设定，分别接入单片机的5个外部中断接口，功能依次为“频率 ”、“频率-”、“幅度-”、“幅度 ”，“心跳和呼吸模式切换”当有键按下后，进入中断服务子程序，通过判断标志位确定哪个键按下，执行相应功能。
3.3.3SCI模块
系统使用SCI0串口中断，采用蓝牙方案，蓝牙方案低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得Bluetooth技术甚至可以应用于极微小的设备中。
SCI模块
3.3.4PWM模块
系统采用PIT和PWM模块来控制实现输出占空比变化的脉冲波。在一个周期时间内，通过周期的一半时间点和周期的末点来给定不同的占空比，从而实现舵机来回周期性的摆动，从而达到模拟心跳及呼吸运动的目的。这里使用PIT中断精确定时，给S-D5舵机的PWM波的频率为200HZ,舵机响应速度较好。
4.机械传动模拟介绍及操作说明
4.1通过给舵机不同占空比的脉冲，使舵机转动不同大小的角度；
4.2舵机转动带动转轴上的传动片绕传动片顶端的转轴转动；
4.3传动片带动传动条，使传动条在滑道的束缚下沿滑到做周期性往返运动；
作品操作说明：
操作方式一：
手工焊接7支按键，第一个“频率 ”，第二个“频率-”，第三个“幅度-”,第四个“幅度 ”，第五个“模式切换”
操作方式二：
