一種反射式紅外心率檢測儀設計

　　為了測量心率信號，有許多技術(shù)可以應用，例如：血液測量，心聲測量，ECG測量等等。本文探討利用血液的高度不透明性及組織與血液透光性的極大差異，通過(guò)光電脈搏傳感器獲取脈搏信號，經(jīng)過(guò)模-數轉換(A/D)后，采樣數據經(jīng)數字化分析處理，以實(shí)現對人體心率的測量。

　　1 心率檢測儀組成及工作原理

　　心率檢測儀的主要組成如圖1所示。由光電傳感器采集脈搏信號，經(jīng)過(guò)前置放大、濾波、單片機uPSD3234A自帶的A/D轉換模塊采樣得到脈搏信號的數據并存入存儲器中;單片機對所得的數據進(jìn)行數字信號處理并計算出心率值，結果送顯示模塊和存儲器中。

　　1.1 心率信號采集預處理電路

　　脈搏信號采集預處理電路主要是將脈搏波轉換成電信號，并進(jìn)行初步高頻濾波預處理。其關(guān)鍵部分就是光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。

　　反射式不僅可以精確測得血管內容積變化，而且在實(shí)際應用中反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當照射部位的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，紅外線(xiàn)接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號，從而采集到心臟搏動(dòng)信號。

　　本設計采用了反射式紅外傳感器。圖2所示，光電式脈搏傳感器采用紅外對管KP-2012F3C和KP-2012P3C,反射式排列。KP-2012F3C具有良好的表皮照明度，電流一般設在20mA,亮度由軟件通過(guò)PWM電流來(lái)進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區域，發(fā)出穩定光強的光。

　　KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結構來(lái)增強對微弱信號放大。經(jīng)晶體管檢測出來(lái)的信號采樣時(shí)分兩路。一路是直流信號線(xiàn)路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機的A/D轉換通道口0,可用來(lái)檢測晶體管是否處于有效工作狀態(tài);另一路是交流信號線(xiàn)路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級濾波成形電路然后再輸入單片機的A/D轉換通道1.該濾波電路為兩級帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個(gè)區間的頻譜攜帶了大量與冠心病病變有關(guān)的信息，故考慮到今后功能的擴展，預處理電路的上下限頻率設計為48Hz和0.86Hz.

　　圖2 脈搏信號采集預處理電路

　　1.2 uPSD3234單片機

　　本文采用ST(意法半導體)公司的新型單片機uPSD3234作為系統的核心部件，它以增強型MCS-51內核8032單片機為基礎，具有豐富的外圍設備，集成了PSD(ProgrammableSystemDevice,可編程外圍器件)模塊，并含有大容量FLASH和RAM的存儲器，集成I2C和USB接口電路，數字顯示(DDC)通道，5個(gè)脈寬調制(PWM)控制器，4路8位AD轉換器，可編程邏輯器件(PLD)，是一個(gè)典型的具有SOC特征的高速單片機。因此不需要增加復雜的外圍電路就完全能滿(mǎn)足設計要求。

　　uPSD3234片內的USB模塊支持低速的USB1.1通信協(xié)議，心率檢測儀采樣數據以及信號處理過(guò)程中得到的數據就可以傳輸到PC機存儲及進(jìn)一步的分析處理。

　　2 心率信號數字處理及算法

　　在測量過(guò)程中，預處理電路探測到的脈搏信號容易受到外界干擾，需要對干擾噪聲進(jìn)行處理。

　　一般可以通過(guò)兩種途徑對噪聲處理：一是增加濾波電路;二是從數字信號處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會(huì )使成本增加，并影響儀器的便攜性，另外由于干擾的不確定性，濾波的效果不會(huì )很好。軟件濾波盡管會(huì )占用一定的系統資源，但成本低、可靠性高、穩定性好，在處理速度允許的條件下，具有靈活、方便、功能強的優(yōu)點(diǎn)。本文主要采用數字濾波的方法來(lái)進(jìn)行處理，其中最重要的算法是匹配濾波算法。

　　所謂匹配濾波器就是使濾波器輸出信噪比在某一特定時(shí)刻達到最大并由此導出的最佳線(xiàn)性濾波器。匹配濾波原理：設輸出信噪比最大的最佳線(xiàn)性濾波器的傳輸函數為H(ω)，濾波器輸入信號與噪聲的合成波為：

　　式(1)中，s(t)為輸入數字信號，其頻譜函數為S(ω)，n(t)為高斯噪聲。

　　由于該濾波器是線(xiàn)性濾波器，滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理，因此，濾波器輸出也由輸出信號和輸出噪聲兩部分組成，即：

　　式(2)中，輸出信號的頻譜函數為S0(ω)，其對應的時(shí)域信號為：

　　濾波器輸出噪聲的平均功率為：

　　所以，在抽樣時(shí)刻t0,線(xiàn)性濾波器輸出信號的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為：

　　從式(3)可見(jiàn)，在輸入信號給定的情況下，輸出信號比r0只與濾波器傳輸函數H(ω)有關(guān)。根據施瓦茲不等式：

　　根據帕塞瓦爾定理有：

　　式(5)中，E為輸入信號的能量，故得關(guān)系式：

　　根據施瓦特不等式中等號成立的條件X(ω)=kY*(ω)，k為任意常數，可得不等式中等號成立的條件為：

　　式(7)中，K為常數，通?？蛇x擇為k=1.

　　S*(ω)是輸入信號頻譜S(ω)的復共軛。該濾波器在給定時(shí)刻t0能獲得最大輸出信噪比2E/n0。

　　這種濾波器的傳輸函數H(ω)除相乘因子Ke-jωt0外，與信號頻譜的復共軛相一致，所以稱(chēng)該濾波器為匹配濾波器。

　　易得到匹配濾波器的脈沖響應為：

　　紅外線(xiàn)接收探頭獲取的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號的數字匹配濾波的過(guò)程是通過(guò)輸入信號序列s(n)與匹配濾波器的沖擊響應序列h(n)求卷積的方法來(lái)實(shí)現的。