人體脈搏信號檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第1章緒論1.1 研究背景和意義隨著社會和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對生命現(xiàn)象的認(rèn)識也越來越深入，生物醫(yī)學(xué)信號的檢查是對人體健康狀況評估的手段。在醫(yī)院里，通過檢查必要的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，醫(yī)生可以對病人健康程度做一個評估，并且根據(jù)數(shù)據(jù)診斷出病患所得的疾病以及康復(fù)狀況。同時，醫(yī)藥保健類產(chǎn)品早已經(jīng)不是醫(yī)院的專利，以家庭為單位，幾乎每個家庭都配備了必要的醫(yī)療保健類用品1-3o在適宜的醫(yī)療設(shè)備條件下，病人可以不依靠醫(yī)生的輔助，自己采集醫(yī)學(xué)生理數(shù)據(jù)，通過醫(yī)學(xué)根據(jù)對此參數(shù)分析，評估健康水平或者診斷自身是否有疾病?，F(xiàn)代的醫(yī)療儀器給人民生活帶來了便捷，在智能化、便攜式、可靠性、安全性等方面都有了很大的提高。儀器在實(shí)現(xiàn)

2、功能的同時都有不同的特點(diǎn)，有的儀器便于攜帶，有的儀器操作簡單。當(dāng)然，結(jié)合眾多優(yōu)點(diǎn)的儀器無疑受到消費(fèi)者的青睞。以醫(yī)院為單位，因?yàn)闇y量出來的數(shù)據(jù)可以直接提供給醫(yī)生作為診斷或評估病人身體狀況的參考，所以這類醫(yī)療儀器性能高、功能強(qiáng)大、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。而對于以家庭或個人來說，在保證功能的同時，方便測量生理數(shù)據(jù)、便于攜帶、價格低廉、智能化這些特點(diǎn)是此類醫(yī)療儀器發(fā)展的趨勢。作為諸多生理信號的一種，脈象信號蘊(yùn)含著豐富的信息，從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)（波形）、強(qiáng)度（波幅）、速率（波速）和節(jié)律（周期）等方面的綜合信息,在很大程度上反映

3、出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征40許多中醫(yī)文獻(xiàn)分析脈象的形成和西醫(yī)分析雖然表、述各有不同，但是有相同的科學(xué)原理。人體循環(huán)系統(tǒng)由心臟、血管、血液所組成，負(fù)責(zé)人體氧氣、二氧化碳、養(yǎng)分及廢物的運(yùn)送。血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。當(dāng)大量血液進(jìn)入動脈將使動脈壓力變大而使管徑擴(kuò)張，在體表較淺處動脈即可感受到此擴(kuò)張，即所謂的脈搏1。正常人的脈搏和心跳是一致的。脈搏的頻率受年齡和性別的影響，嬰兒每分鐘120-140次，幼兒每分鐘90-100次，學(xué)齡期兒童每分鐘80-90次，成人為60-100次/分，老年人為55-60次/分。正常人脈率規(guī)則，不會出現(xiàn)脈搏間隔時間長短不一

4、的現(xiàn)象，脈搏強(qiáng)弱均等，不會出現(xiàn)強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。成人脈率每分鐘超過100次，稱為心動過速；每分鐘低于60次，稱為心動過緩20綜上所述，脈搏信號對于人體心腦血管系統(tǒng)和整體健康水平都有很好的反映，因此研制出一種能夠?qū)γ}搏信號進(jìn)行檢測、分析的脈搏分析儀器就擁有重要的意義：其一，對于前期心腦血管疾病預(yù)防和中期病情監(jiān)護(hù)，安全、方便、快捷的評估心腦血管健康狀況的設(shè)備對人體心腦血管系統(tǒng)功能進(jìn)行監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)病情，實(shí)時把握健康狀況，并準(zhǔn)確做出診斷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。對于危重病人既可用于檢查治療，可及早發(fā)現(xiàn)致命性病變。其二，對一般人則可用于早期健康評估和病人身體狀況的愈后檢查。通過脈搏信號的檢測和分析，可以結(jié)合其

5、他生理參數(shù)，對人體亞健康狀態(tài)的早期病變進(jìn)行預(yù)測。脈搏信號檢測不需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，且操作簡便擁有無創(chuàng)性的特點(diǎn)，在心腦血管和臨床醫(yī)學(xué)檢查、治療、用藥、康復(fù)、保健等方面都有著良好的應(yīng)用前景。因此，診脈建立切實(shí)可行的客觀指標(biāo)，即脈診客觀化，乃是繼承和發(fā)揚(yáng)中醫(yī)脈學(xué)迫切需要解決的首要問題，在此同時實(shí)現(xiàn)可視化，對于疾病人群和健康人群的分類有著重大的意義。利用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)仿真中醫(yī)診脈，用科學(xué)的分析方法從不同角度分析脈搏波數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)客觀化和可視化指標(biāo)的重要手段。應(yīng)用脈診的客觀指標(biāo)就可以使脈診有了共同的客觀標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，促進(jìn)相互討論和交流脈診的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果，促進(jìn)中醫(yī)脈學(xué)的現(xiàn)代化和快速發(fā)展，提高中醫(yī)臨床診斷

6、水平。應(yīng)用脈診的客觀指標(biāo)，可以研究中醫(yī)名家的診脈特點(diǎn)，有利于吸取經(jīng)驗(yàn)和觀點(diǎn)?，F(xiàn)代脈搏信號儀器實(shí)現(xiàn)脈診指標(biāo)的客觀化和可視化是通過測量脈搏信號，畫出脈象圖，測量圖上各個指標(biāo)來進(jìn)行的。因此，脈象圖是實(shí)現(xiàn)脈診客觀化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。脈診所得脈象的各種信息可用脈搏傳感器放在切脈部位的皮膚上，以不同的壓力取法畫出脈象曲線，這種脈象曲線稱為脈象圖。以此為心腦血管疾病作診斷，這也為無創(chuàng)傷診斷開辟了一條新途徑?，F(xiàn)代脈象診斷就要實(shí)現(xiàn)可視化，可以通過分析脈搏圖，測量脈搏圖的參數(shù)。脈搏圖指標(biāo)在很多資料中命名方法各有不同，在實(shí)際中還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。去除醫(yī)生主觀因素，運(yùn)用科學(xué)的分析手段，對脈象信號進(jìn)行分析，是勢在必行的。1

7、.2 人體脈搏信號檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀I(lǐng)860年法國的Vierordt研制出第一臺彈簧杠桿式脈搏描記器，使脈象研究由示意圖階段進(jìn)入示波圖階段6。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，脈象儀不斷發(fā)展，國內(nèi)外的學(xué)者制造出了有代表性、性能各異的脈診儀器。脈診儀器研究的重點(diǎn)是傳感器的設(shè)計(jì)，到現(xiàn)在為止，研究人員已經(jīng)研制出種類繁多的傳感器來模擬中醫(yī)切脈時的手指，采集脈搏信號記錄并分析?，F(xiàn)階段，用于脈象信息采集的傳感器根據(jù)其工作原理可分為：壓力傳感器、光電式脈搏傳感器、傳聲器和超聲多普勒技術(shù)9-11。其中，壓力傳感器用的最多，因?yàn)樗菍毫π盘栟D(zhuǎn)換為電信號，是最接近中醫(yī)切脈的模擬醫(yī)生手指的功能。它還包括壓電式傳感器,壓阻型傳感器

8、和壓磁式傳感器9,10o(1)壓電式傳感器利用壓電材料的特性將脈搏的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)壓電式12材料的不同可分為壓電晶體式傳感器、壓電陶瓷式傳感器、壓電聚合物傳感器和復(fù)合壓電材料傳感器。其中以PVDF壓電薄膜傳感器用的最多。壓阻型傳感器主要利用電阻率隨應(yīng)力變化的性質(zhì)制成的，目前它的應(yīng)用最為廣泛，壓阻式傳感器根據(jù)壓力的傳導(dǎo)方式不同可分為固態(tài)壓阻式傳感器、液壓傳感器和氣導(dǎo)式傳感器。(3)壓磁式傳感器也稱作磁彈性傳感器，是近年來國內(nèi)外新興的一種新型傳感器。它的作用原理是建立在磁彈性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，即利用這種傳感器將作用力變換成傳感器導(dǎo)磁率的變化，并通過導(dǎo)磁率的變化輸出相應(yīng)變化的電信號。但因理論

9、和技術(shù)上尚未成熟，限制了其廣泛應(yīng)用。(4)光電容積式脈搏傳感器此種傳感器測量部位是指端，由指總動脈分兩路從指干兩側(cè)通向指尖，再由豐富的冠狀小動脈彌散至毛細(xì)血管，然后從靜脈回流。用一束光線透過指端的毛細(xì)血管床，由于人體手指末端微血管床隨著動脈搏動而發(fā)生血管容積的變化，因?yàn)殡S著脈搏搏動前后對光的吸收量不同，透過手指的光強(qiáng)也隨之變化，利用光敏元件可測出這種隨血管容積的變化而變化的光強(qiáng)信號，轉(zhuǎn)換成電信號輸出，以此反映出脈搏波的變化情況即獲得指端容積脈搏波信號13,14。(5)超聲多普勒技術(shù)國外對脈搏波的研究，在儀器上正朝著超聲顯像方面發(fā)展，脈搏圖也進(jìn)入了由示波圖到聲像圖研究的新階段。動脈脈搏除發(fā)出壓力

10、搏動的信息之外，還有管腔容積、血流速度、脈管的三維運(yùn)動等多種信息，僅用壓力脈圖難以全部定量地反映脈象構(gòu)成要素的指標(biāo)。隨著醫(yī)學(xué)超聲顯像診斷技術(shù)的發(fā)展，超聲多普勒技術(shù)在脈象客觀化的研究中已經(jīng)日益受到重視，取得了一定的進(jìn)展。當(dāng)然，傳感器探頭種類也很多，有單探頭、雙探頭和多探頭的傳感器。(1)單探頭傳感器的研究現(xiàn)在檢測人體脈象信息的裝置，主要是帶有一個單點(diǎn)式脈象傳感器的脈象儀，這類儀器是用的最多最廣泛的、時間也是最久的。人們用這類儀器已能初步識別十幾種常見脈象，這些儀器的深入應(yīng)用推動了我國脈象客觀化的研究。目前常用的單觸頭壓力脈搏傳感器在整體結(jié)構(gòu)上主要采用了表帶式和支架式兩種形式。表帶式結(jié)構(gòu)一般是通過

11、尼龍綁帶將傳感器綁扎在被測者的腕部，操作方便、簡單，記錄的脈圖受人體體位和呼吸的干擾較小。支架式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳感器固定在加壓機(jī)構(gòu)上，無須綁扎被測者的腕部，因而可以避免綁扎所引起的附加張力，與醫(yī)者手指切脈的情景較為相符。但是由于人體體位和呼吸的影響，被測者手腕與傳感器之間的相對位置難以保持穩(wěn)定，檢測過程中會產(chǎn)生較大的呼吸干擾和雜散振動干擾。另有一種是指套式的單觸頭壓力脈搏傳感器結(jié)構(gòu)。美國J.H.Laub在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)的一種脈搏波動檢測裝置將壓力傳感器分別并排固定于食指、中指、無名指的手套前端，按在被測者的寸、關(guān)和尺三部上，用三支電動描記筆同時記錄三部脈的波形，用于進(jìn)行脈象分析，并且可以將

12、醫(yī)者的取脈壓力也同時顯示出來。用這種結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行脈象信息檢測，很好地模擬了手指切脈的情景，如果通過一定的設(shè)計(jì)使指套前端具有良好的力傳導(dǎo)性能的話，那么在診脈過程中除了由傳感器檢測脈波之外，醫(yī)者還能根據(jù)指端對脈搏波動的感受來進(jìn)行各種靈活的指法變化，從而測得不同取脈壓力下脈搏波動的動態(tài)變化。這種指套式結(jié)構(gòu)所具有的良好模擬特性使得它具有一定的實(shí)用性，但是也有文獻(xiàn)指出，這種結(jié)構(gòu)形式難以保證醫(yī)者指端與被測者腕部之間的位置相對穩(wěn)定，以至于記錄的脈圖波形缺乏足夠的穩(wěn)定性，而且檢測結(jié)果的重復(fù)性較差8,15o單探頭脈象傳感器反映的信息比較局限，這是因?yàn)閱吸c(diǎn)式脈象傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，限制了更多的脈搏信息及血管力學(xué)

13、參數(shù)的測定。單探頭、單部位的檢測方法與中醫(yī)實(shí)際臨床“三部九候”的切脈方法上有一定的差異，主要有下列兩方面不足8:第一，單探頭傳感器無法區(qū)分血管軸向張力和徑向搏動力。第二，單探頭傳感器加脈取壓時，換能器受到皮膚軟組織的反壓力不但與受壓組織的變形量有關(guān)，還與“皮膚-軟組織-動脈管”力學(xué)特性有關(guān)?，F(xiàn)有檢測方法無法區(qū)分軟組織變形量和無法區(qū)分軟組織變形程度及軟組織固有的彈性、硬度等力學(xué)參數(shù)對切脈壓力的影響程度。(2)雙探頭傳感器的研究設(shè)計(jì)了雙探頭復(fù)合式脈象傳感器，即由外圍傳感器和中心傳感器組成雙探頭傳感器。中心傳感器測得單純垂直方向的力，而外圍傳感器測得脈搏搏動力、皮膚切向張力等的綜合力對兩路信號進(jìn)行運(yùn)

14、算，能區(qū)分血管徑向搏動力、軸向張力、血管等效硬度等力學(xué)指標(biāo)。雙探頭傳感器的臨床意義：目前國內(nèi)對弦、平、滑等脈象的線性判別標(biāo)準(zhǔn)，由于受到單探頭傳感器件功能上的限制，只能根據(jù)波形形態(tài)來分析計(jì)算。利用雙探頭傳感器檢測的脈象數(shù)據(jù)，可能做出深刻地揭示；雙探頭傳感器所測得的脈象力學(xué)指標(biāo)有可能為判斷有關(guān)血管的固有彈性、硬度等力學(xué)性質(zhì)提供客觀標(biāo)準(zhǔn)，利用雙探頭傳感器在無損檢測血壓、心血管功能狀態(tài)以及建立中醫(yī)脈象的力學(xué)指標(biāo)、補(bǔ)充脈象的判斷標(biāo)準(zhǔn)等方面都可以進(jìn)行深入的研究。(3)三探頭傳感器的研究三探頭壓力式傳感器組合取脈時，撓動脈被加壓以致阻斷并被強(qiáng)制地分為三個有生理意義的小區(qū)。三點(diǎn)的脈搏特征是不同的、有特殊生理意

15、義的。這種組合式的脈搏傳感器，特別是“中突型”結(jié)構(gòu)的，一是能測出撓動脈內(nèi)血流狀態(tài)；二是能比較壓阻點(diǎn)近遠(yuǎn)心側(cè)脈波的差別；三是能獲得有關(guān)脈搏波傳播速度的信息；四是能夠鑒別脈波的拍變化的偽差；五是能大致估計(jì)整體外周阻力與首部外周阻力對脈波形態(tài)的影響。同步三部脈象，并與單探頭壓力式傳感器檢測單部脈象的結(jié)果進(jìn)行比較，得出以下幾個初步結(jié)論：二者在最佳脈壓力上有差，單部脈象檢測在最佳取脈壓力下的脈圖主峰波高度與在這個壓力下三部脈象同步檢測所建立的主峰波高度有顯著差異，測取的脈圖在形態(tài)上歸平、弦、滑等類，沒有發(fā)現(xiàn)本質(zhì)上的差別，對三部脈象同步檢測時測取的寸、關(guān)、尺脈圖進(jìn)行形態(tài)歸類，也無明顯區(qū)別，但幅值差別較大，

16、且因人而異8,9o1.3 本課題完成的主要內(nèi)容本文設(shè)計(jì)了一種人體脈搏信號檢測系統(tǒng)，利用了現(xiàn)代的傳感器技術(shù)，把光學(xué)傳感器測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于低功耗，節(jié)能。本文主要研究內(nèi)容包括：(1)脈搏醫(yī)學(xué)界理論，脈搏圖的發(fā)展和現(xiàn)狀。(2)設(shè)計(jì)了脈搏波信號采集系統(tǒng)，包括硬件和軟件部分。信號采集硬件以MSP430單片機(jī)為控制核心，利用其低功耗技術(shù)，采集脈搏數(shù)據(jù)，使得信號通過串口進(jìn)入計(jì)算機(jī)。低功耗還體現(xiàn)在濾波電路和比較電路的放大器件選用MCP6002。(3)把光學(xué)傳感器測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的。

17、在液晶顯示屏上顯示出脈搏跳動數(shù)值，對不合格的心率信號進(jìn)行語音報(bào)警。本論文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章，緒論。介紹課題的目的和意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及本課題所研究的內(nèi)容。第2章，人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。按照低功耗、廉價、便攜、易操作、易升級等要求對檢測系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。第3章，人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。介紹了人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)選擇：傳感器的選擇，控制器的設(shè)計(jì)，顯示器件的選擇以及硬件電路設(shè)計(jì)。第4章，人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。第5章，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及調(diào)試。第6章，結(jié)論與展望，說明了儀器可改進(jìn)和提高的部分和需要進(jìn)一步研究的地方。第2章系統(tǒng)需求分析和總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)對整個系

18、統(tǒng)的開發(fā)有重要的作用，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)決定了系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，并且對后續(xù)的開發(fā)、升級有著重要的影響。市場上的脈象采集儀器大都是脈診儀器，采集脈搏圖精細(xì)、準(zhǔn)確，但是這類儀器儀表價錢昂貴、大型笨重、需要醫(yī)生專家使用，不便于小醫(yī)院或家庭使用，本文設(shè)計(jì)的儀器有價格低、便攜式、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。2.1 人體脈搏信號檢測原理本文設(shè)計(jì)的是人體脈搏信號檢測系統(tǒng)。具工作原理是首先通過脈搏傳感器把測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時檢測脈搏次數(shù)的目的。在數(shù)碼管上顯示出脈搏跳動數(shù)值，對不合格的心率信號進(jìn)行語音報(bào)警。系統(tǒng)便于被測人攜帶，突破了測量空間的限制，當(dāng)需要檢測時只需要硬件和普通的計(jì)算機(jī)連接，安裝相

19、應(yīng)的軟件就可以進(jìn)行實(shí)時采集和檢測。在進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)之前，需要考慮以下幾點(diǎn)：(1)完成基本的功能。即系統(tǒng)能夠?qū)鈱W(xué)傳感器測到的信號轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示；(2)能夠有自身的優(yōu)點(diǎn)。例如本系統(tǒng)的低功耗、便攜式；(3)易于對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和日后的升級；(4)操作方法簡單，方便使用者。確定系統(tǒng)整體功能和特點(diǎn)后，就開始進(jìn)行任務(wù)的劃分。系統(tǒng)包括兩個部分，上位機(jī)和下位機(jī)。下位機(jī)主要是單片機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)采用單片機(jī)系統(tǒng)，主要是因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)易于設(shè)計(jì)者開發(fā)，容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和儀器功能特點(diǎn)，便于擴(kuò)展功能和以后的升級，經(jīng)濟(jì)廉價。在個人計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)上位機(jī)主要是因?yàn)楝F(xiàn)在計(jì)算機(jī)比較普及，應(yīng)用廣

20、泛；計(jì)算機(jī)可以提供軟件平臺,有利于人機(jī)交互；計(jì)算機(jī)存儲量大，采集到的脈搏波數(shù)據(jù)可以存儲到計(jì)算機(jī)硬盤，方便數(shù)據(jù)庫存儲和調(diào)用；計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，處理速度快，如果后序欲對脈搏波數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行算法分析，我們可以繼續(xù)使用現(xiàn)代的分析軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。2.2 人體脈搏信號檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能系統(tǒng)的功能主要包含以下幾個部分：第一部分，首先是數(shù)據(jù)采集部分，用傳感器采集與心跳同頻率的信息。第二部分，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)多種功能，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號調(diào)理電路，通過對脈搏信號進(jìn)行測量，進(jìn)而對信號進(jìn)行處理，最后在液晶顯示屏上實(shí)時顯示出脈搏數(shù)值，對不合格的患者心率信號進(jìn)行語音報(bào)警。完成一次測量時間10s,脈搏測量精度：0士次/分鐘

21、。當(dāng)然，在實(shí)現(xiàn)這些基本功能的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行功能拓展，例如對脈搏信號進(jìn)行采集、顯示、存儲、查詢等。具體來說可以先對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集人體脈搏信號:經(jīng)過處理后進(jìn)行無線傳輸。上位機(jī)軟件也可進(jìn)行多種功能拓展，包括患者個人信息記錄和采集顯示，數(shù)據(jù)查詢和分析處理。2.3 人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行硬件的總體設(shè)計(jì)需要考慮到以下幾點(diǎn)：首先，人體的生物信號多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻的弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，而對于需要測量的人體脈搏來說，它的強(qiáng)度小，所引起傳感器的電信號也比較微弱，而且變化頻率隨心臟搏動頻率，大約一分鐘幾十次。所以，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)

22、采集儀器呈現(xiàn)多種特點(diǎn)。第一，小型化。在滿足功能的同時，逐步淘汰大型笨重采集儀器。第二，低功耗和便攜式。節(jié)約了電能，和過去相比，使用時間變長，便攜式儀器用電池作為電源就能工作。第三，智能化。用戶在使用時用更少的操作和說明就能完成功能。第四，傳輸速度快。運(yùn)用各種方式和標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇臁５谖?，多功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)電路框圖如圖2-1所示，主要包括取樣電路、放大電路、比較電路和MCU處理電路及顯示電路。首先，使用壓電傳感器采集與心跳同頻率的信息，送至MCU后，然后軟件對信號進(jìn)行處理，最后在液晶顯示屏出數(shù)值，對不合格的心率信號進(jìn)行語音報(bào)警。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于脈搏

23、傳感器的選取。硬件的選擇從脈搏傳感器開始。目前脈搏傳感器種類繁多，性能各異，從工作原理可分為光電傳感器、傳聲器、超聲多普勒檢測技術(shù)和壓力傳感器。本文期望找到一種可以與中醫(yī)指壓切脈的特點(diǎn)相符合，能夠正確反映中醫(yī)脈象的特征的傳感器，要模仿中醫(yī)診斷就需要找尋把壓力變化信號轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。本文選取的光電傳感器，利用的是光電檢測原理。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。光電式傳感器是

24、以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。光電傳感器中最常見普遍的光敏二極管做紅外接收二極管和光面三極管做紅外發(fā)送三極管。1 .光敏二極管光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是

25、它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小(4D3D2DIDO0XXKXXX00L201111E101C1HIB1AIF1G22E2D2c2H2B2h2F2G33E3D3C明353A3F3G44E404c4B4B4A4F455E505C5M5B5A5F66EACX6BEA6F6G2.LCD顯示程序設(shè)計(jì)LCD顯示程序的設(shè)計(jì)一般先要確定LCD的初始化、光標(biāo)定位、確定顯示字符后，顯示流程如圖3-7顯示。圖3-7LCD顯示程序流程圖3.5 脈搏信號檢測系統(tǒng)

26、硬件電路設(shè)計(jì)3.5.1 脈搏傳感器測試電路該傳感器是可以配套Arduino使用的一個心率傳感器，本質(zhì)是一個帶有放大和消噪功能的光學(xué)放大器，通過佩戴在手指末端或者耳垂等毛細(xì)血管末端來檢測血液量的變化從而得到人體的實(shí)時心率。該傳感器只有三根線，電源、地和信號線，信號線輸出模擬信號，利用相應(yīng)的上位機(jī)程序，可以方便的顯示脈搏波形，將配件中的透明貼膜粘在傳感器表面防止手指上的汗液將電路短路，背面沾上黑色圓形鉤貼。將傳感器緊貼手指指肚，再用綁帶纏繞，做到傳感器和皮膚緊密接觸即可。將pulsesensor與電路板相連，通過USB線將數(shù)據(jù)上傳電腦。通電后，pulsesensor的LED發(fā)出綠光，電腦屏幕上的脈

27、搏波形剛開始還是很凌亂的，等待采集數(shù)據(jù)一段時間后就會有相應(yīng)的脈搏波形顯示出來，同時電路板上的LED燈也會隨著佩戴者的每一次心跳而閃爍。傳感器硬件測試電路圖，如下圖3-8所示：圖3-8傳感器硬件測試電路圖正常情況下測得的心率，如圖3-9所示:圖3-9正常情況下測得的心率圖為了進(jìn)一步驗(yàn)證傳感器的有效性，游泳后再次測量，脈搏波形如圖所示:圖3-10游泳后測得的心率圖從圖3-9與3-10圖的對比可以發(fā)現(xiàn)，游泳后脈搏明顯加快，波動次數(shù)變多3.5.2 脈搏信號整形電路脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過放大和后級濾波以滿足采集的要求，也即對信號進(jìn)行整形處理，整形電路主要包括濾波電路和信號比較電路

28、。放大器件選取了MCP6002,內(nèi)部集成了兩個運(yùn)放，一個用來濾波，一個用來比較電路。相比常用的放大器LM324,電壓較低，耗能少。濾波電路設(shè)計(jì)，如圖3-11所示:圖3-11濾波電路電路圖2.0Vh-1.0V.nv-w-1.0Hz3.0Hz10Hz30Hz100HzV(V0)Frequency圖3-12濾波電路AC分析結(jié)果影響電路信號的是高頻的信號，按人體脈搏在運(yùn)動后最高跳動次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)即4HZ算來設(shè)計(jì)低通濾波器，而且頻率很低(如脈搏50次/分鐘為0.78Hz,200次/分鐘為3.33Hz),并且還伴有各種噪聲干擾，故該信號要經(jīng)過R、C低通濾波，去除高頻干擾。采用簡單的二階電路當(dāng)R21=

29、R20=R,C4=C5=C時，A(s)=1/13sRC(sRC)(sRC)令f0=1/2nRC,通帶的截止頻率f=0.37f0,R=3K,C=4.7Uf,經(jīng)計(jì)算f=4.1HZ。符合要求。濾波電路AC分析結(jié)果如圖3-12所示：3.0V_信號比較電路：將一個模擬電壓信號與一個參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。本設(shè)計(jì)電壓比較器選用LM324,如圖3-13所示，經(jīng)過隔直流信號、濾波后信號為最大的幅值600mv左右，最小的幅值-1.3v類似正弦波信號，信號輸入到電壓比較器的正極。選取比較信號,取中間值200mv則R22/R23=25,所以R22=10K,R23=400。工作電壓為+5v,輸出為5v高電

30、平和0v低電平。實(shí)際中輸出為4.2v的高電平，單片機(jī)能夠識別，無影響。圖3-13比較電路3.5.3 單片機(jī)控制器電路圖3-14MSP-EXP430G2553實(shí)物圖選用MSP430G2553的實(shí)物圖，如圖3-14所示。MSP-EXP430G2553硬件板上包含：LaunchPad仿真器插座電路板(MSP-EXP430G2);0.5米長的小型USB-B線纜;兩顆MSP430閃存器件。MSP430G2553:具有8通道10位ADC、片上比較器、觸控式I/O、通用串行接口、8kB閃存、和256字節(jié)SRAM的低功耗16位MSP430微控制器。兩個插座式10引腳印刷電路板(PCB)連接器。USB調(diào)試與編程

31、接口無需驅(qū)動即可安裝使用，且具備高達(dá)9600波特率的UART串行通信速度；支持所有采用PDIP14或PDIP20封裝的MSP430G2xx和MSP430F20xx器件；兩個通用數(shù)字I/O引腳分別連接至綠光和紅光LED;兩個按鈕可實(shí)現(xiàn)反饋和器件復(fù)位。具外圍電路圖，如圖3-15所示：圖3-15MSP-EXP430G2553外圍電路圖3.5.4 報(bào)警電路圖3-16為報(bào)警電路，成人在安靜時，每分鐘脈搏為60-100次。當(dāng)被測人員的脈搏超出正常范圍，蜂鳴器就會報(bào)警。蜂鳴器與家用電氣上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL點(diǎn)評基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以

32、，即此一個管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機(jī)的P01管腳通過一個與門來控制，當(dāng)P01管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當(dāng)P01管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。圖3-16報(bào)警電路3.5.5 顯示器件連接電路SMS0601液晶屏控制器需要提供控制信號,這些信號由單片機(jī)提供，如圖3-17所示:圖3-17SMS0601電路圖MSP430G2553的P1.3,P1.4分別與SMS0601的串行數(shù)據(jù)輸入引腳（DI）,

33、用行移位脈沖輸入引腳（CLK）連接。3.5.6 信號調(diào)理電路硬件圖人體脈搏檢測系統(tǒng)的信號調(diào)理電路原理圖，如圖3-18所示:圖3-18信號調(diào)理電路原理圖D信號調(diào)理電路完成了信號的低通濾波，以及信號的放大，經(jīng)過信號調(diào)理單元，幾毫伏的脈搏信號的電壓被放大為2V-3V左右。信號整形單元則將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為同頻率的脈沖。脈沖信號，送到單片機(jī)的P1.0引腳上,單片機(jī)利用IO口信號捕獲的方式，記錄脈沖信號每一個上跳沿到來的時刻，從而計(jì)算出每一個脈沖的間隔時間，實(shí)現(xiàn)對脈搏頻率的計(jì)算。然后將該數(shù)據(jù)送到顯示單元進(jìn)行顯示。顯示單元選擇液晶屏SMS0601,對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示。調(diào)理電路原理圖所

34、對應(yīng)的UDUT2RS匚口匚口沙口匚口RSftb萊匚二I匚二|力國w丸。*n口不LJo搔匚U隆匚ZlE3PCB圖,如圖3-19所示:OPulsetest20140412MIam_k(M你制I口IPT00aa圖3-19調(diào)理電路的PCB圖3.6 小結(jié)本章主要介紹了人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。首先介紹了脈搏檢測傳感器的選取，然后介紹了其后的硬件電路包括信號調(diào)理電路、單片機(jī)外圍電路等,并且詳細(xì)地描述了各個部分的原理和具體工作過程。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境MSP-EXP430G2LaunchPad的安裝包含三個簡單步驟：1 .下載所需調(diào)試軟件有多種不同的開發(fā)軟件工具都適用于MS

35、P-EXP430G2LaunchPad開發(fā)板。IAREmbeddedWorkbench?KickStartIDE和CodeComposerStudio(CCS)都具有免費(fèi)的限制版本。IAREmbeddedWorkbench允許編譯4kB的C代碼。CCS僅限于處理16kB的代碼。這里我們選擇CCS,因?yàn)樗哂懈蟮拿赓M(fèi)代碼空間。2 .安裝選定的IDE集成開發(fā)環(huán)境并將LaunchPad試驗(yàn)板連接至PCCCS已為在LaunchPad上開發(fā)基于MSP430G2xx的應(yīng)用完成了所有設(shè)置。當(dāng)軟件完成安裝后，IDE應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)作為USB:HID調(diào)試接口的MSP-EXP430G2LaunchPad。將附帶USB

36、線纜的MSP-EXP430G2LaunchPad插座電路板連接至PC,將自動開始安裝驅(qū)動。如果出現(xiàn)提示，要求提供軟件，則允許Windows自動安裝該軟件。3 .利用IDE集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開發(fā)主要步驟如下：(1)新建工程；(2)編輯程序文件并可以根據(jù)需要新建文件；進(jìn)行程序調(diào)試。編譯鏈接界面，調(diào)試界面，分別如圖4-1和圖4-2所示：圖4-1編譯鏈接界面圖4-2調(diào)試界面4.2 系統(tǒng)軟件總體框架基于單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序流程圖、中斷程序流程圖及顯示子程序組成。主函數(shù)程序的功能：可以通過MCU對I/O口的檢測其高低電平實(shí)現(xiàn)心電信號的采集，轉(zhuǎn)換和處理，最后液晶顯示屏顯示脈搏的值；同時還可以調(diào)用報(bào)

37、警程序停止計(jì)數(shù)。在主程序設(shè)計(jì)中我們先初始化，包括顯示模塊初始化等，然后通過判斷I/O是高電平還是低電平來實(shí)現(xiàn)是測量人體的脈搏值。單片機(jī)程序的好壞直接影響著系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，由于單片機(jī)的精確度非常高，所以該方法精度較高，脈搏測量精度：0次/分鐘，本程序的流程圖如圖4.3所示。圖4-3主函數(shù)4.3 脈沖計(jì)數(shù)程序T0是計(jì)數(shù)器，T1是定時器。T0負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)，T1負(fù)責(zé)定時，定時時間達(dá)到10s,讀取T0的計(jì)數(shù)值。相關(guān)的程序如下：/比較器的設(shè)置/CACTL1=CARSEL+CAREF0+CAON;/0.25Vcc=-comp/CACTL2=P2CA0+CAF;/P1.1=+compP1OUT|=0x00;

38、/定時器的設(shè)置CCTL1=CM_1+SCS+CAP+CCIE;/上升沿+CCI0A（P1.1輸入）+同步捕獲+捕獲中斷允許CCTL1=CM_2+SCS+CAP+CCIE;/下降沿+CCI0A（P1.1輸入）+同步捕獲+捕獲中斷允許/TACTL=TASSEL_2+MC_2+TACLR;/SMCLK時鐘+連續(xù)計(jì)數(shù)模式TACTL=TASSEL_1+MC_2+TACLR;/+ID_3;/ACLK時鐘+連續(xù)計(jì)數(shù)模式4.4 顯示驅(qū)動軟件本次設(shè)計(jì)SMS0601顯示的內(nèi)容是被測量者一分鐘的脈搏次數(shù)。設(shè)置的動態(tài)顯示方式是顯示的內(nèi)容在屏幕上從左向右移動。從中斷程序中取得結(jié)果后，顯示測試中的脈搏次數(shù)。在液晶屏顯示出

39、脈搏數(shù)。#defineS_CLKLCD_OUT|=LCD_CLK/置位CLK端#defineS_DILCD_OUT|=LCD_DI/置位DI端/復(fù)位CLK端/復(fù)位DI端#defineR_CLKLCD_OUT&=LCD_CLK#defineR_DILCD_OUT&=LCD_DI流程圖，如圖4.4所示。顯小子程序*,取結(jié)果*1顯示測試中的脈搏數(shù).延時圖4.4顯示程序流程圖4.5 按鍵處理軟件按鍵的主要作用為控制測量的開始與中斷，也可以使得電路復(fù)位，這樣操作更加方便易行。復(fù)位電路很容易實(shí)現(xiàn)，只需要在復(fù)位加上適當(dāng)?shù)脑涂梢越M成單片機(jī)復(fù)位電路。電路只要按鍵SW-PB就可以導(dǎo)通電路，復(fù)位引腳低電平有效，

40、到達(dá)低電平的時候，單片機(jī)復(fù)位，從起始地址重新開始運(yùn)行程序。4.6 小結(jié)本章主要介紹了人體脈搏信號檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。首先介紹了脈搏信號檢測系統(tǒng)的總體架構(gòu)，然后介紹了脈沖計(jì)數(shù)程序，并對測量的準(zhǔn)確性和異常情況進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了改進(jìn)方法。最后描述了顯示驅(qū)動軟件和按鍵處理軟件。第5章系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及調(diào)試5.1 調(diào)試方案簡介系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)后，就要對其進(jìn)行測試。根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求，調(diào)試過程共分三大部分，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)（即系統(tǒng)調(diào)試）。電路按模塊逐個調(diào)試，各模塊調(diào)試通過后再聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過后再軟硬聯(lián)調(diào)。硬件調(diào)試可以將傳感器夾在人的手指處或者夾在耳垂上，盡量減少因?yàn)樯眢w抖動而

41、產(chǎn)生的干擾。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的硬件調(diào)試可分為兩大部分：模擬部分和純MCU部分。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，所以方便了對各電路功能模塊的逐級測試。斷開兩部分的連接點(diǎn)，先調(diào)試MCU部分。試著輸入一系列脈沖（用適當(dāng)?shù)碾娮杞诱龢O，間斷性地輸入），觀察MCU部分能是否能顯示；模擬部分借助示波器觀察波形效果如何。單片機(jī)軟件先在最小系統(tǒng)板上調(diào)試，確保工作正常之后，再與硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試，使系統(tǒng)的功能得以實(shí)現(xiàn)。5.2 脈搏傳感器信號調(diào)試在設(shè)計(jì)之前我們需要實(shí)際測試傳感器的輸出特性，這樣就可以為以后的設(shè)計(jì)提供參數(shù)和設(shè)計(jì)根據(jù)。我們使用數(shù)字示波器TDS2024B系列來測試傳感器。

42、示波器以個人計(jì)算機(jī)為平臺，使用示波器自帶的軟件。傳感器電源使用穩(wěn)定的3V微機(jī)電源，正極一端連接3V,負(fù)極接地，信號輸出端連接數(shù)字示波器的探頭，傳感器夾在手指上。如圖5-1所示，上面的黃線代表采集到的脈搏信號，下面的藍(lán)線代表轉(zhuǎn)化后相對應(yīng)的方波信號。圖5-2代表被測者的脈搏信號幅值過大時，出現(xiàn)的削頂”現(xiàn)象。5.3脈搏計(jì)數(shù)調(diào)試2*mzsorreajcbnezaoov25-Apr-H1621出碘QHzMPas:BBS帶寬限制200MHz1DX口怕ge而圖5-1心率信號波形圖圖5-2大幅值心率信號波形圖脈搏檢測系統(tǒng)上電后等待測試狀態(tài)，如圖5-3所示:圖5-3剛上電的電路測試狀態(tài)測量中顯示的數(shù)據(jù)，如圖5-

43、4所示:圖5-4測試中的電路狀態(tài)測量結(jié)束后顯示的脈搏次數(shù)，如圖5-5所示：圖5-5穩(wěn)定后的電路狀態(tài)根據(jù)晶體振蕩頻率計(jì)算出內(nèi)部定時器的基本參數(shù)，通過運(yùn)行一段時間可通過秒表來校正后，看時間誤差的量，以這個量為依據(jù)改變程序中的內(nèi)部定時器基本參數(shù)就可使時鐘調(diào)準(zhǔn)確。定時器中斷主要完成一分鐘的定時功能。單片機(jī)對一分鐘內(nèi)的脈沖次數(shù)進(jìn)行累加。模擬測試結(jié)果：首先，使用信號源輸入與脈搏信號相仿的信號，來測試整個系統(tǒng)的工作情況。我們設(shè)定輸入信號幅度為2.5v,偏置為1.98v,則模擬測試結(jié)果如下表2所示。表2模擬測試結(jié)果表所（HZ）理論值實(shí)際值0.530300%160600%1.590900%1.81081080%21201200%31801800%3.21921920%4240-可見，在3HZ以前，系統(tǒng)的測試結(jié)果非常準(zhǔn)確，但是在之后，由于濾波器的作用，結(jié)果無法顯示。由此可以得知，系統(tǒng)的測頻和濾波作用都實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。由于人體安靜情況下的脈搏信號頻率為1-2Hz,對于我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說足夠