随着计算机技术和测控技术的不断发展，在以单片机为核心的数据采集系统中，需要实现单片机和计算机之间的数据交换，并以此来发挥单片机和计算机各自的长处，提升整个系统的性能价格比。在计算机网络和工业控制系统中，经常需要采用串行通信来实现远程数据传输。目前，有多种接口标准可用于串行通信，包括RS232、RS422、RS485等。RS232 是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。但是，RS232 通信存在着传输速度慢、传输距离短、信号容易受到干扰等不足，其应用局限性已日益突出。而RS485 通信采用差分方式来消除噪声，即信号在发送前会分解为正负2 条线路，当到达接收端时将信号相减，使噪声相互抵消，还原成原来的信号，这种方式对共模干扰抑制能力较强，已广泛应用于工业控制等领域。
要实现单片机与计算机之间的RS485 通信，一般可以采用2 种方法：一种方法是在单片机与计算机两端分别采用RS232 与RS485 电平转换装置；另一种方法是采用RS485 通信卡，并将其插在计算机主板上。采用前一种方法的优点是硬件装置安装简便，软件编程相对简单；缺点是通信速率被限制在20 kb/s以内。第二种方法的优点是通信距离较远，速率较高，可达10 Mb/s;缺点是需要安装通讯卡和驱动程序，并进行必要的设置。本文采用第二种方法。
电路设计
采用UART 串行总线进行通信，因为UART 是一种广泛应用于远距离、低速率、低成本通信的串行传输接口，由于其具有数据线少的特点，在数字系统设计中得到了大量应用。基本的UART 通信只需要两根数据线（RXD、TXD）即可完成数据的相互通信，接收和发送都是全双工形式，其中RXD 是接收端，TXD 是发送端。
C8051F020 单片机有2 个UART（UART0 和UARTl），以UART0 为例，它的TxD 和RXD 分别与数字I/0 引脚PO。O 和PO.1 复用，通过交叉开关配置寄存器进行选择。由于MAX485 工作在半双工状态，它与单片机连接时的接线比较简单，只需要用单片机某一个引脚（如PO.2）来控制RE 和DE 这2 个引脚。PCL-846B 通信卡有4 个通道，选择通道1 与单片机进行通信，另外将通道2 和通道4 进行连接，以自发自收的方式实现通信卡的自检。单片机与外部电路的连接关系如图2 所示。
在使用RS485 通信卡进行通信时，当信号传递到通信线路两端时，如果阻抗不匹配，可能会产生信号反射问题。信号反射会造成信号的失真和变形，从而导致通信错误。其解决方法就是在通信线路的两端各连接一个终端匹配电阻，保证阻抗匹配。当通信距离较短， 一般在小于300 m 时，可不使用终端电阻。当通信距离大于300 m 时，应当使用终端电阻，其阻值必须与通信线路的线性阻抗相同。电阻值一般选取120 Ω左右，当通信距离较长时，可以选用300 Ω。
心血管类疾病已经成为威胁人类身体健康的重要疾病之一，而清晰有效的心电图为诊断这类疾病提供了依据，心电采集电路是心电采集仪的关键部分，心电信号属于微弱信号，其频率范围在0.03～100 Hz 之间，幅度在0～5 mV 之间，同时心电信号还掺杂有大量的干扰信号，因此，设计良好的滤波电路和选择合适的控制器是得到有效心电信号的关键。基于此，本文设计了以STM32 为控制核心，AD620 和OP07 为模拟前端的心电采集仪，本设计简单实用，噪声干扰得到了有效抑制。
主控模块电路设计
主控模块的STM32F103VET 单片机是控制器的核心，该单片机是ST 意法半导体公司生产的32 位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，其内核采用ARM公司最新生产的Cortex—M3 架构，最高工作频率72 MHz、512 kB 的程序存储空间、64 kB 的RAM，8 个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3 个SPI、5 个USART、一个USB、一个CAN、一个SDIO，并集成有3 个ADC 和一个DAc，具有100 个I/O 端口。主控单片机管脚排列图如图2 所示。
前置放大电路的设计
前置放大电路是模拟信号采集的前端，也是整个电路设计的关键，它不仅要求从人体准确地采集到微弱的心电信号，还要将干扰信号降到最低，由于心电信号属于差分信号，所以电路应采用差动放大的结构，同时要求系统具有高共模抑制比、高输入阻抗、低漂移等特点。因此，选择合适的运算放大器至关重要，这里选择仪用运放AD620 实现前置放大，AD620 具有高精度、低噪声、低输入偏置电流低功耗等特点，使之适合ECG 监测仪等医疗应用。AD620 的放大倍数由1 与8 脚之间的反馈电阻决定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心电信号中含有较大的直流分量，因此前置放大电路的放大倍数不能过大，在这里选择放大约10倍，因此反馈电阻R6 取约5 kΩ，为提高电路的共模抑制能力，这里用一个OP07检测R10，R4 上的共模信号驱动导线屏蔽层，消除分布电容。同时用另一个OP07运放和R5，C3，R7 组成右腿驱动电路，在R10，R4 上检测到的共模信号经反相放大器后经R7，反馈到人的右腿，进一步抑制了共模信号和50 Hz 工频干扰，这里右腿驱动有一个对交流电的反馈通路，交流电的干扰可能对人体产生危害，因此这里要注意做好绝缘措施，同时保护电阻R7 尽可能大，取1 MΩ以上。此外系统电源的不稳定也对心电信号的采集有较大影响，因此在本系统中，所有运放的电源脚都并联两个0.1μF 和10μF 的电容退耦，提高系统的稳定性，前置放大电路的
如图3 所示。
带通滤波器的设计
从前置放大电路输出的心电信号还含有较大直流分量和肌电信号，基线漂移等干扰成分，所需采集的有用心电信号在0.03～100 Hz 范围之间，因此需设计合理的滤波器使该范围内的信号得以充分通过，而该范围以外的信号得到最大限度的衰减，这里采用具有高精度，低偏置，低功耗特点的两个OP07 运放分别组成二阶有源高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器由C11，C17，R7，R10 组成，截止频率f1≈0.03 Hz，低通滤波器由R8，R9，C10，C13 组成，截止频率约为f2≈100Hz，系统带通滤波器的电路如图4 所示。
本设计实现的是以STM32 为控制核心，以AD620，OP07 为模拟信号采集端的小型心电采集仪，该设计所测心电波形基本正常，噪声干扰得到有效抑制，电路性能稳定，基本满足家居监护以及病理分析的要求，整个系统设计简单，成本低廉，具有一定的医用价值。
