基于A(yíng)DC841的脈搏測量?jì)x系統設計方案

引言
　　脈搏測試儀是用來(lái)測量一個(gè)人脈搏跳動(dòng)次數的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現代醫學(xué)上具有重要的作用。目前檢測脈搏的儀器雖然很多，但是能實(shí)現精確測量、精確顯示且計時(shí)功能準確等多種功能的便攜式全數字脈搏測量裝置很少。隨著(zhù)人們生活環(huán)境和經(jīng)濟條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類(lèi)、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類(lèi)死亡的主要原因之一。因此，認識、預防及早期發(fā)現這些疾病是十分必要的。
　　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，歷來(lái)都受到中外醫學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過(guò)“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現出的形態(tài)(波形)、強度(波幅)、速率(波速)和節律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征，因此對脈搏波采集和處理具有很高的醫學(xué)價(jià)值和應用前景。但人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號， 脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必需經(jīng)過(guò)放大和后級濾波以滿(mǎn)足采集的要求。

1 基本結構模塊
　　1．1 脈搏波檢測電路
　　目前脈搏波檢測系統有以下幾種檢測方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應變式脈搏傳感器。近年來(lái)光電檢測技術(shù)在臨床醫學(xué)應用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測病人各種癥狀信息。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫學(xué)儀器工作的專(zhuān)家和學(xué)者的重視。本系統設計了指套式的透射型光電傳感器，實(shí)現了光電隔離，減少了對后級模擬電路的干擾。
　　傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定對應關(guān)系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。所用光電式傳感器由發(fā)光二級管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指，經(jīng)過(guò)手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏二極管輸出信號的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。
　　1．2 脈搏信號拾取電路
　　紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個(gè)二極管能產(chǎn)生0．4_V電壓，0．5mA電流。BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長(cháng)都是940nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強度就越大。在圖1中，R0選100 Ω是基于紅外接收二極管感應紅外光靈敏度考慮的。R0過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，PBW83型紅外接收二極管無(wú)法區別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號。反之，R0過(guò)小，通過(guò)的電流偏大，紅外接收二極管也不能準確地辨別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號。當紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時(shí)，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“0”。當手指處于測量位置時(shí)，會(huì )出現二種情況：一是無(wú)脈期，雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有1 μA的暗電流會(huì )造成Vi電位略低于2．5V。二是有脈期，當有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。

　　1．3 信號采集及處理系統
　　由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運動(dòng)的干擾。傳統的光電脈搏波信號檢測電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測靈敏度，這種設計思路導致了檢測信號動(dòng)態(tài)范圍縮小，在受到運動(dòng)干擾時(shí)，將導致由于干擾信號而帶來(lái)的光電脈搏波信號檢測的飽和失真。本系統采用過(guò)采樣技術(shù)，通過(guò)對信號的高速采樣來(lái)提高采樣精度，相當于用高分辨率的ADC對信號進(jìn)行模數轉換，達到了提高信噪比并改善動(dòng)態(tài)范圍的效果。因此本系統對經(jīng)過(guò)光電轉換后的信號進(jìn)行模數轉換而不需要任何信號調理(放大和濾波)電路。
　　1．4 過(guò)采樣技術(shù)的應用
　　所謂過(guò)采樣技術(shù)是指以遠遠高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣的方法。由信號采樣量化理論可知，若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號的幅度隨機分布，則量化噪聲的總功率是一個(gè)常數，在0～fs的頻帶范圍內均勻分布。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4 倍，則信噪比提高4倍，相當于A(yíng)／D的分辨率提高1位。
2 軟件設計
　　2．1 程序設計
　　本文選用ADI公司的單片機ADC841，其內部集成了速度可達400k的12位逐次逼近型ADC，分辨率為0．6mv／LSB。從軟件需求和單片機速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102．4kHz，為便于計算，將過(guò)采樣倍數k定為64，則下抽取后采樣率為偽：fs／k=1600Hz，是頻率為 400Hz載波的四倍，滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理。由于過(guò)采樣倍數k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來(lái)計算，獲得的ADC有效分辨率能提高3 位，最后能達到約15位精度，其分辨率可達到0．0763mv／LSB。設置ADCCON1=#0B2H，ADCCON2=#00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有 16位自動(dòng)重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計的是機器周期數，TH2和TL2內容的自動(dòng)重裝載通過(guò)寄存器RCAP2H和RCAP2L來(lái)實(shí)現。對這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為#0FFCAH。
　　2．2 程序源代碼

3 結束語(yǔ)
　　本系統模擬電路簡(jiǎn)單，由ADC841芯片實(shí)現脈搏信號采集，信號處理和脈搏次數的計算等功能，因此體積小，功耗低，系統穩定性高。本系統可實(shí)現脈搏波的實(shí)時(shí)存儲并可實(shí)現與上位機(PC機)的實(shí)時(shí)通訊， 因此可作為多參數病人中心監護系統的一個(gè)模塊完成心率檢測和脈搏波形顯示。

.