心率采集处理电路

　　心率采集处理电路
　　SoC 技术是一项很重要的电子应用技术，十分适合将其用于生物工程领域。为了满足低电压、低功耗的需要，本次系统设计选择SoC 技术用于生物信号处理。
　　心率是一项重要的生理指标。它是指单位时间内心脏搏动的次数，是临床常规诊断的生理指标。为了测量心率信号，有许多技术可以应用，例如：血液测量，心声测量，ECG测量等等。在混合信号SoC 的设计中，电路可以被分成两部分，模拟电路部分和数字电路部分。其中模拟电路很容易被数字电路干扰，这是因为数字电路部分本身就是一个高频的噪声源。作为一个混合信号的SoC，怎样处理模拟模块和数字模块的连接问题是一个挑战。

　用混合信号SoC 设计心率信号的处理系统，就需要低功耗和低电压的供给，所以电源电压为3.3V。系统框图如图一所示。

　　图1 系统框图
　　在图一中，传感器采用的是红外光电式传感器，用于把原始的心率信号转变为微电压信号。信号调理电路包括放大器、滤波器和比较器。调理电路的输入信号是传感器采集进来的原始心率信号，它的输出信号则是有一定电压幅度的脉冲信号。C51 处理部分是数字信号中央处理单元，它的输入信号是上面提到的脉冲信号，输出的是心率数据，通过CPU 核把信号显示出来。CPU 核是EZL-8051。
　　3 心率信号的采集
　　将一对红外线发射与接收探头置于动脉一侧，当指尖的血流量随心脏跳动而改变时，红外线接收探头便接收到随心脏周期性地收缩和舒张的动脉搏动光脉冲信号，从而采集到心脏搏动信号。
　　图2 是单光束直射取样式光电传感器。这类槽型光耦由高功率的红外光电二极管和红外光匹配性能强、透镜敏感度高、集电极电流范围大的光敏三极管组成。由于血液中的血红蛋白对近红外线具有吸收作用的生物效应，因而此类传感器灵敏度高、输出信号稳定。其性能指标如表1 所示。

　　（a）外观图 b）内部结构示意图
　　图2 单光束直射取样式光电传感器
　　表 1 单光束直射取样式光电传感器的技术指标
　　心率采集处理电路
　　经红外光电传感器采集到的原始心率信号的波形如图3 所示。

    图 3 红外光电传感器采集到的原始心率信号波　

　由图3 可知，通过红外光电传感器集到的原始心率信号极其微弱（变化幅值在±10mV之间），非常容易受到外围电路的干扰。因此，系统必须单独为信号调理电路提供电源。同时，电路板的布局布线也会对信号产生较大的影响。因此，在设计电路板时要对主要信号线与电源地线进行设计。根据图3 所示的原始心率信号波形可以得到波形整体的变化趋势，但其中掺杂了很强的杂波和干扰信号。因此，要对传感器采集到的心率信号进行放大、整形和滤波处理。其中放大整形电路如图4 所示。

　图4 放大整形电路
　　图4 中的虚线框部分为红外光电传感器。图中两个三极管构成了达林顿管，可以有效地防止可见光的干扰，对采集到的微弱心率信号也有较好的增益。传感器采集到的心率信号（图中A 点）经过放大和整形后的信号波形（图中B 点）已经比较平滑，B 点信号的变化幅值为0.8V 左右，但还存在一定程度的电压偏置量。经第二级放大可得0～10V 的脉冲信号（图中C 点），并且已去除掉大部分干扰，信号也相对稳定，同时也去掉了电压偏置量。放大整形电路的输出信号波形（即图中C 点信号的波形）如图5 所示。

   图5 放大整形电路的输出信号波形
　　由图5 可以看出，输出信号具有标准的上升沿和下降沿，且电压变化量为标准量。
　　心率采集处理电路工作的基本过程
　　心率采集处理电路如图所示。该部分电路主要由脉搏次数红外检测采集电路模块、信号抗干扰电路模块、信号整形电路模块等三个主要的电路模块组成。其中，红外线发射管D1和红外线接收管Q1组成了红外检测采集电路;R2与C1、C2与C3、 R4与C4和IC1a共同构成了信号抗干扰电路组，它们分别承担了对信号的低通滤波、干扰光线的光电隔离、残余高频干扰的滤除等任务。另外，IC1b、 C5与R10、IC1c则共同组成了信号整形电路模块。
　　　首先，红外检测采集电路中D1发射红外线，而Q1则接收相应组织的半透明度，同时转换为电信号。由于脉搏一般在50次/分~200次/分之间，对应的频率范围在0.78Hz~3.33Hz之间，因此经红外检测采集到并转换得到的电信号频率就非常低。为了防止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号就必须先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频干扰。电路中采用R2和C1来完成滤除高频干扰的任务。
　　然后，由于本心率计设计的适用场所为室外，因此它必然会遇到强光辐射的情况。为了避免在接收正常脉搏红外线时受到强光的干扰，电路中设计使用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简单的光电隔离电路，从而实现了对于干扰光线的隔离。此外，为了防止前面对于高频干扰滤除的不够彻底，电路中还设计连接了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除干扰，同时将前面的信号放大200倍左右。
　　经前面处理得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波，接下来必须对这个信号经过整形。先是通过比较器IC1b将正弦波转换成方波。利用R8可以实现将比较器的阈值调定在正弦波的幅值范围之内的目的。接下来，从IC1b的7引脚输出的方波信号经C5、R10构成的微分电路，进行微分处理后将成为正负相间的尖脉冲。为了稳定脉冲的输出，电路设计时是将此脉冲输入到单稳多谐振荡器IC1c的反相输入端，并利用IC1c的输出来作为后极工作的实际使用脉冲。
　　IC1c在工作时，凡有输入信号时，它会在输入信号后沿到来时输出高电平，从而使C6通过R11充电。大约持续20ms之后，IC1c同相输入端的电位会因C3充电电流减小而降低，当此电位低于反相输入端的电位时（尖脉冲已过去很久）， IC1c就将改变状态并再次输出低电平。这20ms的脉冲时间是与脉搏同步的，这种脉冲在电路工作时是与红色发光二极管D3的闪烁情况相对应的。
　　经过IC1c之后的脉冲就是后面单片机控制电路所需的实际脉冲，通过R12送到单片机P3.3引脚后，就可实现后面的计数和显示了。
　　IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V电源电压，在电路中是通过R14、R15对9V分压并经IC1d缓冲而得到的。这样的设置，就使得即使电池电压降低到6V，本电路也能实现正常工作。