基于單片機的脈象信號檢測系統設計

黃鸝娟

(陜西服裝工程學院,陜西 西安 712046)

0 引言

脈搏是臨床檢查和生理學科研中常用的生理學現象,包括了表現心肌和毛細血管狀況的主要生理學信號。 人體內各器官的健康狀況、疾病等信號將以一定方法顯示在脈搏中或在脈象中。 人體脈象中含有大量關于心肌、內外循環系統以及中樞神經各系統的動態信息,因此,人們能夠利用脈波圖像得到多種具有檢測價值的生物信息,并能夠預測人體內某些器臟構造和功能的變化與趨向。 同時脈搏測定還為血壓測定、血液檢測及其他的一些生物測量技術提供了一個重要生理參考信息。

1 相關概念概述

1.1 脈象信號檢測系統

微型計算機可以處理數字信號,因此,脈象信號被轉換成正電信號,然后再經過放大擴展到0 ～5 V 電平的模擬量。 采集空氣溫度、壓強、流速和運動方向的模擬量,并轉換成數值物理量,然后傳輸到PC 機進行數據存儲、數據處理、屏幕顯示或打印,相應的系統稱為數據收集和管理系統。

1.2 脈象信號的特點

關于人類沖動的信息是一種在時間域內具有強周期性的概周期信息。 其頻譜成分大致分布在0 ～100 Hz,人體表面電流約為0 ～5 mV。 特征頻率低,變化緩慢,信號微弱。 記錄的前提是信息主要來自活體,信號接收器的阻抗很高,通常伴隨著巨大的背景噪聲和影響。

2 脈象信號的提取及調理

2.1 脈象傳感器及脈象信號的提取

脈象圖像探測器的類型繁多,主要包括單部分、三部分、單點、多點、剛性接觸式、柔性接觸式、壓力型、硅杯式、液態汞、液態水、子母型等。 脈象圖像探頭的主要原材料有變形薄膜、壓電檢測晶體、單晶硅、感光器件、壓電PVDF 薄膜等,而其中較為普遍的是單部分單點變形薄膜,而在近年來則正向著三部分的多點式發展。 本文采用了一個L 型脈象波傳感器,該傳感器提取電流信息,振幅通常為van MV。 由于該傳感器是零導體五導體壓阻式,因此具備了靈敏度高、頻譜響應好、線性程度好、抗干擾能力強、體積小、重量輕、安全可靠等優點。

2.2 脈象信號放大器設計要求

脈象信號的主要特點為微弱、低頻。 但是,因為由脈沖圖像信號傳感器得到的信號一般是MV 量級,所以需要在模數轉換前完成信號調制,對信息的調節也應當具備某些必要的特征。 首先,集成電路中需要有較大的共模抑制比。 其次,集成電路的高輸入阻抗也是一項十分重要的參數。 高輸入阻抗也能有效減少信號接收器內阻的損失,與生理信息的低信號幅度相比,IC 調節的低噪音和低漂移等技術指標也十分關鍵。 綜上所述,對某些頻率較低、電流變化慢、信號幅度較小的生理信號,如脈搏信號采集,因為信號接收器的高電阻,所以常常伴隨著背景噪聲和干擾電流的增加。 集成電路的基本特點主要包括:(1)前置高功率增益放大器的增強倍數一般應在80 dB ～120 dB。 (2)共模抑制比高。 信號增益放大器必須具有良好的抗干擾性能,通常要求共模抑制比大于60 dB。 (3)輸入阻抗比高,一般不小于2 MΩ,有的甚至達到100 MΩ,否則被測信號會產生較大偏差,削弱整體抗干擾能力。 (4)低噪聲。 如果信號增益放大器本身的信噪比很高,它會淹沒有用的微弱信息,因此輸入信噪比必須高于PV 的量級。 (5)在中間層和功率相位改善后,低漂移將直接影響記錄,因此必須盡可能降低由前置放大器溫度變化引起的零偏移。 (6)高安全性。 (7)大型線性工作區等。

2.2.1 高共模抑制比

放大器必須具有良好的抗干擾能力,并能抑制低工頻干擾或其他輸入信號的負面影響。 假設集成電路的共模抑制比為120 dB,輸入信息對共模信號的負面影響將大幅減少,共模V 信號將相當于共模1 μV 差模信息。 共模抑制比也是放大器的一項重要技術指標。一般生物電信息放大器的共模抑制比通常要求為60 dB～80 dB,而高性能信息放大器的共模抑制比高于100 dB,這意味著它可以在共模和信號差模0.1 μV 下產生相同的100 mV 干擾輸出[1]。

2.2.2 高輸入阻抗

由于生物體具有復雜性和特性,其等效信號接收器的內部輸出阻抗值往往很大,這就意味著生物信號源的內部傳輸電壓幅值不僅較低,而且電源電壓也非常差。所以,生物信號放大器的前端設備都應該擁有較大的輸入阻抗值,高的輸入阻抗能夠有效減少對生物信號源內部高壓的影響,減少生物信號的衰減。 經近似估計,如果設計放大電路的信號輸入與阻抗約為10 MΩ,則信號源的內阻比和擴展電路的信號輸入阻抗比為1/100,上述因素引起的失真和偏差可以省略或不記錄。

2.2.3 低噪聲、低偏移

與輸入信號幅值較小的脈象信息相比較,中藥生藥調理電路的低噪音、低偏移技術指標尤為重要。 由于高壓電源會形成非常大的熱噪聲,這導致輸入信號的音質特別差。 所以,為了得到具備一定峰值信噪比的輸出信號,對放大器的最低噪聲特性有更嚴格的規定。 理想的生物電放大器能夠控制外部干擾,并將其削弱到與信號放大器信噪比相同的量級。 因此,由于放大電路的內部噪聲,放大器可以釋放的信息有一個下限,即放大電路的低噪聲水平已成為放大項目的限制性要求。 眾所周知,擴展的最小噪聲特性主要取決于前級。通過合理設置反向膨脹的增益調整分布,使當前級的最大噪聲系數較小,從而實現良好的低噪聲特性。 因此,低噪聲前期設計是整個逆擴工程的關鍵任務[2]。

2.3 脈象信號檢測系統的結構梳理

脈測監控管理系統是指以脈搏傳感器為轉換元件,將所收集到的用來測定脈象跳動的脈象信息轉換成電訊號,再用電子儀器加以測試與指示的設備。 本管理系統的基本構成包括脈搏傳感器、信息分析處理、單片機控制電路、數字顯示器、供電等主要組成部分。(1)利用脈搏傳感器將非電能信息轉換成電能的轉換器件。 信號處理即進行脈搏傳感器所收集到的高低頻信息的模擬集成電路(包含增強、濾波、整形等)。 (2)數字單片機集成電路即使用數字單片機本身的定時器中斷計算功能對輸入信號的脈搏電平經過計算,得到心率。(3)數字顯示,即將單片機計算結果用8 個LED 數碼管靜態掃描數據來表示,以便于直接準確地讀取數據。

五供電系統即向感應器、信息分析處理、單片機模塊等供應的開關電源,應該是5 V～-9 V 的交流或低直流輸出的穩定開關電源[3]。

3 基于單片機的脈象信號檢測系統設計

3.1 系統硬件設計

3.1.1 單片機的選擇

單片微型計算機是上位機與下位機之間進行數據的通信中樞,所以要求串聯型的通信接口。 有3 種方式供選擇:(1)使用多串口式的單片機模塊;(2)采取通過異步串口方式擴充硬件芯片;(3)使用普通I/O 接口模擬進行串聯型通信。 第3 種方式最簡便經濟,而且還能夠進行高速率通信。 此外,考慮到對硬件系統資源的充分利用,所以文章選用了AT89C51HMOS 工藝技術的八位單片機模塊。 其主要產品在硬件系統資源和功能、系統軟件命令和程式上與Intel80C3X 單片微型計算機基本相同,在實際使用中也能夠進行更換。在單片機AT89C51 內有FLASH 程序存儲器,既能夠用常規的編程器編寫,又能夠直接上網使其保持編程狀況并對其程序設計,程式速度極快。 AT89C5X 產品也能夠看作是Intel 80C3x 的內核技術和Atmel FLASH 技術的結合體。 它給許多嵌入式系統帶來了靈活性、低廉的方案[4]。

3.1.2 傳感器的選擇

(1)光電式傳感器。

血流是很高不通透的液態物質,但光線在普通組織中的透過性卻要比在血流中大數十倍。 人們根據上述特性,就可以利用電光效應或手指的脈搏感應器來拾取脈搏信息。 反向偏壓的光敏二極管,它的反方向電壓帶有隨光照強度增大而加大的光電效應特征,在一定發光強度區域內,光敏二極管的反方向電壓和發光強度呈線性關系。 指端血管的容量和透光度隨心搏發生變化時,將使光伏發電三極管二極管接收不同的光強,而由此產生的光電流響應也均隨之作一定改變。目前常用于測量脈搏的光伏發電傳感器主要包括紅外線對管和紅外線放射管。 將對管夾在指端處,通過指尖的血液含量便會隨著心臟的跳動而變化,紅外線對應的信息便會產生一定的改變,通過采集并對信息進行放大、過濾、比較便能夠獲得理想的信息。 現在,國際市場上的心率計已廣泛使用這些感應器來收集信息,由于心率計的紅外管接收與發出均在人手指的同一邊,所以不必考慮因每個人手指情況差異而帶來的困擾。 由于收到的都是血液中漫反射回來的光,此信息便能夠更準確地測出毛細血管內積變化。

(2)集成傳感器。

目前,市面上已經有了許多種類的集成化心電感應器,它敏感度高,集成度高,很直接地就能夠表現出心率的變化規律,而且還包括了濾波器等抗干擾電路,波浪狀經過放大后即可進行處理使用。 缺點則是售價十分高昂。

根據本系列的設計特點和對經費的考慮,文章最終選定了光電式傳感器。 該傳感器價格比較低廉,但同時輸出電流變化比較明顯,因此能夠達到該試驗的目的。

3.2 系統軟件設計

3.2.1 定時器/計數器中斷程序流程的設計

T0 是計時器,T1 則是定時器。 T0,T1 的中斷請求來自輸入單片機中脈象頻率為1 Hz 的脈象頻率信息。當T0 暫停運行后,由T1 檢查代表的時間是否超過60 s,如果沒有超過60 s 則繼續測試,如果超過60 s 則關閉T1,暫停T0,并讀取脈搏次數,設計數結束的時間標志為一,T0 暫停則采取邊凸式觸發方法,在達到測試狀態后的時間來一個脈象信號,脈搏頻次加1,由T1 定時為1 min,再累加就得出每分鐘的脈搏頻次。

3.2.2 顯示程序的設計

這個設計表示的主要內容為被檢測者1 min 的脈搏頻次。 在中斷程序得到結論后,數碼管就顯示測試中的脈搏次數。

4 軟件仿真調試

制定方案后,要使硬件焊接能取得預想的效果,就必須使用軟件模擬調試電路,然后在protues 中實現對系統的仿真,模擬電路如圖1 所示。

圖1 系統仿真效果

5 結語

本文設計的測試儀系列實現簡便、功用安全、用途較廣,很有實用價值。 此次工程設計雖已完成,但其中仍有許多缺點,如產品設計程序不簡單、電路板產品設計不漂亮、光伏發電傳感器檢測靈敏度不高、數碼管顯示器部分設備不完善等。 隨著技術的進展,勢必會使測試儀的功用越來越強大和完善,其應用范圍將不斷擴大,也將會為人們的日常生活增添更多的便利與精彩。