基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

　　本文提出了一種基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。方案以單片機(jī)uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，采用匹配濾波等數(shù)字信號(hào)處理方法得到心率數(shù)據(jù)，將微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心率的測(cè)量。

　　脈搏波源于心臟搏動(dòng)并由心臟向外周動(dòng)脈傳播。它所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血液特征。心率是一項(xiàng)重要的生理指標(biāo)。它是指單位時(shí)間內(nèi)心臟搏動(dòng)的次數(shù)，是臨床常規(guī)診斷的生理指標(biāo)。

　　為了測(cè)量心率信號(hào)，有許多技術(shù)可以應(yīng)用，例如：血液測(cè)量，心聲測(cè)量，ECG測(cè)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，通過光電脈搏傳感器獲取脈搏信號(hào)，經(jīng)過模-數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）后，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化分析處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心率的測(cè)量。

　　1 心率檢測(cè)儀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　心率檢測(cè)儀的主要組成如圖1所示。由光電傳感器采集脈搏信號(hào)，經(jīng)過前置放大、濾波、單片機(jī)uPSD3234A自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣得到脈搏信號(hào)的數(shù)據(jù)并存入存儲(chǔ)器中；單片機(jī)對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并計(jì)算出心率值，結(jié)果送顯示模塊和存儲(chǔ)器中。

　　圖1數(shù)字化心率檢測(cè)儀原理框圖

　　1.1心率信號(hào)采集預(yù)處理電路

　　脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行初步高頻濾波預(yù)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(cè)得血管內(nèi)容積變化，而且在實(shí)際應(yīng)用中反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，紅外線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(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

　　本設(shè)計(jì)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(duì)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(shè)在20mA，亮度由軟件通過PWM電流來進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。

　　圖2脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路

　　KP- 2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)放大。經(jīng)晶體管檢測(cè)出來的信號(hào)采樣時(shí)分兩路。一路是直流信號(hào)線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道口0，可用來檢測(cè)晶體管是否處于有效工作狀態(tài)；另一路是交流信號(hào)線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級(jí)濾波成形電路然后再輸入單片機(jī)的A /D轉(zhuǎn)換通道1.該濾波電路為兩級(jí)帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊(yùn)含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個(gè)區(qū)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(kuò)展，預(yù)處理電路的上下限頻率設(shè)計(jì)為48Hz和0.86Hz.