基于单片机的脉象信号检测系统设计
时间：2022-12-02 14:00:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黄鹂娟
(陕西服装工程学院,陕西 西安 712046)
脉搏是临床检查和生理学科研中常用的生理学现象,包括了表现心肌和毛细血管状况的主要生理学信号。
人体内各器官的健康状况、疾病等信号将以一定方法显示在脉搏中或在脉象中。
人体脉象中含有大量关于心肌、内外循环系统以及中枢神经各系统的动态信息,因此,人们能够利用脉波图像得到多种具有检测价值的生物信息,并能够预测人体内某些器脏构造和功能的变化与趋向。
同时脉搏测定还为血压测定、血液检测及其他的一些生物测量技术提供了一个重要生理参考信息。
1.1 脉象信号检测系统
微型计算机可以处理数字信号,因此,脉象信号被转换成正电信号,然后再经过放大扩展到0 ～5 V 电平的模拟量。
采集空气温度、压强、流速和运动方向的模拟量,并转换成数值物理量,然后传输到PC 机进行数据存储、数据处理、屏幕显示或打印,相应的系统称为数据收集和管理系统。
1.2 脉象信号的特点
关于人类冲动的信息是一种在时间域内具有强周期性的概周期信息。
其频谱成分大致分布在0 ～100 Hz,人体表面电流约为0 ～5 mV。
特征频率低,变化缓慢,信号微弱。
记录的前提是信息主要来自活体,信号接收器的阻抗很高,通常伴随着巨大的背景噪声和影响。
2.1 脉象传感器及脉象信号的提取
脉象图像探测器的类型繁多,主要包括单部分、三部分、单点、多点、刚性接触式、柔性接触式、压力型、硅杯式、液态汞、液态水、子母型等。
脉象图像探头的主要原材料有变形薄膜、压电检测晶体、单晶硅、感光器件、压电PVDF 薄膜等,而其中较为普遍的是单部分单点变形薄膜,而在近年来则正向着三部分的多点式发展。
本文采用了一个L 型脉象波传感器,该传感器提取电流信息,振幅通常为van MV。
由于该传感器是零导体五导体压阻式,因此具备了灵敏度高、频谱响应好、线性程度好、抗干扰能力强、体积小、重量轻、安全可靠等优点。
2.2 脉象信号放大器设计要求
脉象信号的主要特点为微弱、低频。
但是,因为由脉冲图像信号传感器得到的信号一般是MV 量级,所以需要在模数转换前完成信号调制,对信息的调节也应当具备某些必要的特征。
首先,集成电路中需要有较大的共模抑制比。
其次,集成电路的高输入阻抗也是一项十分重要的参数。
高输入阻抗也能有效减少信号接收器内阻的损失,与生理信息的低信号幅度相比,IC 调节的低噪音和低漂移等技术指标也十分关键。
综上所述,对某些频率较低、电流变化慢、信号幅度较小的生理信号,如脉搏信号采集,因为信号接收器的高电阻,所以常常伴随着背景噪声和干扰电流的增加。
集成电路的基本特点主要包括:(1)前置高功率增益放大器的增强倍数一般应在80 dB ～120 dB。
(2)共模抑制比高。
信号增益放大器必须具有良好的抗干扰性能,通常要求共模抑制比大于60 dB。
(3)输入阻抗比高,一般不小于2 MΩ,有的甚至达到100 MΩ,否则被测信号会产生较大偏差,削弱整体抗干扰能力。
(4)低噪声。
如果信号增益放大器本身的信噪比很高,它会淹没有用的微弱信息,因此输入信噪比必须高于PV 的量级。
(5)在中间层和功率相位改善后,低漂移将直接影响记录,因此必须尽可能降低由前置放大器温度变化引起的零偏移。
(6)高安全性。
(7)大型线性工作区等。
2.2.1 高共模抑制比
放大器必须具有良好的抗干扰能力,并能抑制低工频干扰或其他输入信号的负面影响。
假设集成电路的共模抑制比为120 dB,输入信息对共模信号的负面影响将大幅减少,共模V 信号将相当于共模1 μV 差模信息。
共模抑制比也是放大器的一项重要技术指标。一般生物电信息放大器的共模抑制比通常要求为60 dB～80 dB,而高性能信息放大器的共模抑制比高于100 dB,这意味着它可以在共模和信号差模0.1 μV 下产生相同的100 mV 干扰输出[1]。
2.2.2 高输入阻抗
由于生物体具有复杂性和特性,其等效信号接收器的内部输出阻抗值往往很大,这就意味着生物信号源的内部传输电压幅值不仅较低,而且电源电压也非常差。所以,生物信号放大器的前端设备都应该拥有较大的输入阻抗值,高的输入阻抗能够有效减少对生物信号源内部高压的影响,减少生物信号的衰减。
经近似估计,如果设计放大电路的信号输入与阻抗约为10 MΩ,则信号源的内阻比和扩展电路的信号输入阻抗比为1/100,上述因素引起的失真和偏差可以省略或不记录。
2.2.3 低噪声、低偏移
与输入信号幅值较小的脉象信息相比较,中药生药调理电路的低噪音、低偏移技术指标尤为重要。
由于高压电源会形成非常大的热噪声,这导致输入信号的音质特别差。
所以,为了得到具备一定峰值信噪比的输出信号,对放大器的最低噪声特性有更严格的规定。
理想的生物电放大器能够控制外部干扰,并将其削弱到与信号放大器信噪比相同的量级。
因此,由于放大电路的内部噪声,放大器可以释放的信息有一个下限,即放大电路的低噪声水平已成为放大项目的限制性要求。
众所周知,扩展的最小噪声特性主要取决于前级。通过合理设置反向膨胀的增益调整分布,使当前级的最大噪声系数较小,从而实现良好的低噪声特性。
因此,低噪声前期设计是整个逆扩工程的关键任务[2]。
2.3 脉象信号检测系统的结构梳理
脉测监控管理系统是指以脉搏传感器为转换元件,将所收集到的用来测定脉象跳动的脉象信息转换成电讯号,再用电子仪器加以测试与指示的设备。
本管理系统的基本构成包括脉搏传感器、信息分析处理、单片机控制电路、数字显示器、供电等主要组成部分。(1)利用脉搏传感器将非电能信息转换成电能的转换器件。
信号处理即进行脉搏传感器所收集到的高低频信息的模拟集成电路(包含增强、滤波、整形等)。
(2)数字单片机集成电路即使用数字单片机本身的定时器中断计算功能对输入信号的脉搏电平经过计算,得到心率。(3)数字显示,即将单片机计算结果用8 个LED 数码管静态扫描数据来表示,以便于直接准确地读取数据。
五供电系统即向感应器、信息分析处理、单片机模块等供应的开关电源,应该是5 V～-9 V 的交流或低直流输出的稳定开关电源[3]。
3.1 系统硬件设计
3.1.1 单片机的选择
单片微型计算机是上位机与下位机之间进行数据的通信中枢,所以要求串联型的通信接口。
有3 种方式供选择:(1)使用多串口式的单片机模块;(2)采取通过异步串口方式扩充硬件芯片;(3)使用普通I/O 接口模拟进行串联型通信。
第3 种方式最简便经济,而且还能够进行高速率通信。
此外,考虑到对硬件系统资源的充分利用,所以文章选用了AT89C51HMOS 工艺技术的八位单片机模块。
其主要产品在硬件系统资源和功能、系统软件命令和程式上与Intel80C3X 单片微型计算机基本相同,在实际使用中也能够进行更换。在单片机AT89C51 内有FLASH 程序存储器,既能够用常规的编程器编写,又能够直接上网使其保持编程状况并对其程序设计,程式速度极快。
AT89C5X 产品也能够看作是Intel 80C3x 的内核技术和Atmel FLASH 技术的结合体。
它给许多嵌入式系统带来了灵活性、低廉的方案[4]。
3.1.2 传感器的选择
(1)光电式传感器。
血流是很高不通透的液态物质,但光线在普通组织中的透过性却要比在血流中大数十倍。
人们根据上述特性,就可以利用电光效应或手指的脉搏感应器来拾取脉搏信息。
反向偏压的光敏二极管,它的反方向电压带有随光照强度增大而加大的光电效应特征,在一定发光强度区域内,光敏二极管的反方向电压和发光强度呈线性关系。
指端血管的容量和透光度随心搏发生变化时,将使光伏发电三极管二极管接收不同的光强,而由此产生的光电流响应也均随之作一定改变。目前常用于测量脉搏的光伏发电传感器主要包括红外线对管和红外线放射管。
将对管夹在指端处,通过指尖的血液含量便会随着心脏的跳动而变化,红外线对应的信息便会产生一定的改变,通过采集并对信息进行放大、过滤、比较便能够获得理想的信息。
现在,国际市场上的心率计已广泛使用这些感应器来收集信息,由于心率计的红外管接收与发出均在人手指的同一边,所以不必考虑因每个人手指情况差异而带来的困扰。
由于收到的都是血液中漫反射回来的光,此信息便能够更准确地测出毛细血管内积变化。
(2)集成传感器。
目前,市面上已经有了许多种类的集成化心电感应器,它敏感度高,集成度高,很直接地就能够表现出心率的变化规律,而且还包括了滤波器等抗干扰电路,波浪状经过放大后即可进行处理使用。
缺点则是售价十分高昂。
根据本系列的设计特点和对经费的考虑,文章最终选定了光电式传感器。
该传感器价格比较低廉,但同时输出电流变化比较明显,因此能够达到该试验的目的。
3.2 系统软件设计
3.2.1 定时器/计数器中断程序流程的设计
T0 是计时器,T1 则是定时器。
T0,T1 的中断请求来自输入单片机中脉象频率为1 Hz 的脉象频率信息。当T0 暂停运行后,由T1 检查代表的时间是否超过60 s,如果没有超过60 s 则继续测试,如果超过60 s 则关闭T1,暂停T0,并读取脉搏次数,设计数结束的时间标志为一,T0 暂停则采取边凸式触发方法,在达到测试状态后的时间来一个脉象信号,脉搏频次加1,由T1 定时为1 min,再累加就得出每分钟的脉搏频次。
3.2.2 显示程序的设计
这个设计表示的主要内容为被检测者1 min 的脉搏频次。
在中断程序得到结论后,数码管就显示测试中的脉搏次数。
制定方案后,要使硬件焊接能取得预想的效果,就必须使用软件模拟调试电路,然后在protues 中实现对系统的仿真,模拟电路如图1 所示。
图1 系统仿真效果
本文设计的测试仪系列实现简便、功用安全、用途较广,很有实用价值。
此次工程设计虽已完成,但其中仍有许多缺点,如产品设计程序不简单、电路板产品设计不漂亮、光伏发电传感器检测灵敏度不高、数码管显示器部分设备不完善等。
随着技术的进展,势必会使测试仪的功用越来越强大和完善,其应用范围将不断扩大,也将会为人们的日常生活增添更多的便利与精彩。
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