基于STC89C52的多通道脉搏采集系统设计

0 引言
    脉诊之所以重要是由于脉象能传递机体各部分的生理病理信息，是窥视体内功能变化的窗口，可以为诊断疾病提供重要依据。但是传统脉诊主要依赖于医者的经验和主观判断，再加上被诊者的个体差异使得脉象的辨认、识别缺乏统一、精确的标准。因此，脉搏采集系统的研制有助于脉诊的客观化研究。脉搏采集系统设计难点在于如何模拟医者手指，在最佳取脉压力下获取清晰的脉搏波谱，并根据不同的压力变化，完成对寸、关、尺三个脉位复杂脉象的提取和识别。
    自20世纪50年代以来，对于脉学的理论、脉诊方法、临床诊断和实验研究等方面均开展了大量工作，取得了较大的进展。英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波。1860年首次出现杠杆和压力鼓式描述脉搏图，1890年开始采用换能的方式，出现了杠杆式光学脉搏描述器。20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆式脉搏描记器引用到中医脉诊的研究中来。自70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的换能器以模拟中医切脉的手指，采集并记录了脉搏信号。
    国内外典型的脉象诊断仪如：由北京医疗器械总厂生产的BYS-14型脉象仪和北京斯脉福生产的28脉脉象仪能对脉搏波进行检测重现，并能识别临床中医常见37种脉象图。ZM-Ⅲ型智能脉象仪由上海中医药大学研制，是我国当前较先进的一种脉象仪，能自动采集脉象信号，并将中医脉象的位、数、形、势和脉图的各项特征参数作自动分析处理。为了达到分层取脉的目的，日本Colin公司研制生产的CMB-3000／2000型桡动脉脉波检测仪利用张力法测量原理进行无损伤连续血压监测。
    本文主要从脉搏传感器的选择，信号调理电路的设计，取脉压力的自动控制以及信号的初步处理等方面介绍寸、关、尺三处脉位在浮、中、沉等不同状态下的信号采集，为脉诊客观化的进一步研究奠定了基础。

1 脉搏信号的特点
    脉搏信号的特点如下：
    (1)强干扰下的微弱信号。由于脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50 Hz的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。
    (2)频率低但能量相对集中的信号。人体的脉搏频率非常低，约为0．5～4 Hz，一般情况下为1 Hz左右，脉搏信号可看成一个准直流信号，也可看成是一个低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝大多数分布于1～5 Hz，而病人脉搏在1 Hz以下和较高频段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相当一部分的能量分布。
    (3)复杂且易变的随机信号。脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，又受环境、时间、气候的影响，表现出同一个人在不同的时间、地点有不同的脉象，有时也会有不同的疾病表现出相同的脉象。

2 采集系统的设计要求
    (1)传感器的选取。由于不同类型的传感器原理不同，所获取的原始波形也是不尽相同的。本系统中，选用的传感器是BP300T压力传感器和PVDF压电薄膜传感器。
    (2)隔离、放大、滤波整形电路等硬件电路的设计。
由于所提取的信号非常微弱，且富于变化，需要附加多重滤波电路。
    (3)以STC89C52为核心的实时采集系统。经过调理的模拟信号通过A／D转换，采集到单片机中，并立即通过串口与上位机进行通信，将数据进行传输。
    (4)压力自动控制。通过单片机对气泵和电磁阀的控制，达到对腕带压力实时控制的目的。
    (5)脉搏波形重现。通过上位机软件对采集到的数据进行波形重现。

3 系统方案设计
    系统以单片机STC89C52为核心，外设电路由传感器，信号调理电路，A／D转换器组成，系统的结构框图如图1所示。

    系统的硬件实现方案总体设计如图2所示。
    系统部分功能如下：
    压电传感器  作为测量电路的最前端，其作用是将脉搏的动态信息转换为电压信号，方便采集，是整个采集系统的关键。
    BP300T压力传感器  用于对整个加压过程的压力监测，实现在不同的取脉压力下对脉搏信号进行采集。
    前置放大和二级放大电路  对微弱的脉搏生物信号进行合适的放大，使其满足电压的转换条件。
    带通滤波电路  脉搏波信号微弱，频率低，容易受到外界干扰，所以必须使用滤波器将信号频带外的干扰去除。[page]

3．1 传感器的选择
    脉搏传感器的选择对于整个采集系统的设计非常重要。脉搏传感器的基本功能就是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电信号。因此要求传感器具有一定的检测重复性和线性，可以重复使用，而且测得的数据具有一定的精度；其次，环境温度对其影响较小，可以保证在较大范围内数据具有一定的精度；同时，还需具有一定的灵敏度和稳定性。
3．1．1 SC0073传感器
    该传感器采用压电复合材料作为换能元件，信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压信号输出。该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点。通过测试该型号传感器性能基本满足条件，但是信号稳定性欠佳，尤其是柱状的结构外形，导致其无法与腕带方便的配合。
3．1．2 HK-2000B脉搏传感器
    HK-2000B脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏组件、灵敏度温度补偿组件、感温组件、信号调理电路集成在传感器内。主要特点是灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、性能稳定可靠、使用寿命长。实验发现由HK-2000B提取信号绘制的脉搏波形清晰稳定，使用时无需搭建前置放大电路，但体积过大，无法对三个脉位进行同时测量。
3．1．3 PVDF压电传感器
    PVDF压电传感器由PVDF压电薄膜构成。与其他压电材料相比，PVDF压电薄膜具有压电系数大、频响宽、动态范围大、力电转换灵敏度高、机械性能强度高、声阻抗易匹配等特点，且重量轻、柔软不脆。对该传感器的测试如下：分辨率、灵敏度等指标均符合要求，而且得到的脉搏波形与HK-2000B获得质量相当。综合以上对比，本设计方案中选取PVDF压电传感器作为脉搏测量传感器。
3．1．4 BP300T压力传感器
    本系统中使用BP300T压力传感器监测腕带压力。BP300系列压力传感器是专为电子血压计开发的一款压力传感器，具有结构简单、性能稳定、可靠性好、通用性强等优点。
3．2 信号调理电路
    脉搏信号处理电路主要是对检测到的微弱脉搏电信号进行信号处理，并滤去多余的噪声信号。考虑到脉搏信号为超低频信号，极易引入工频干扰，而且采集到的脉搏电压信号幅度通常在0～20 mV之间，并不符合A／D转换器的输入电压的范围(一般为-5～+5 V)。鉴于以上特点，PVDF脉搏传感器和压力检测传感器均使用以下调理电路。
3．2．1 前置放大电路设计分析
    前置放大电路对于脉搏波信号采集来说至关重要，考虑到脉搏信号的特点，为了放大噪声环境中传感器输出的弱信号，对于放大器要求具有：极高的共模和差模输入阻抗；很低的输出阻抗；精确和稳定的增益；极高的共模抑制比。基于以上分析，选用ANALOG DEVICES公司生产的低功耗、高精度仪表放大器AD620作为前置放大的核心器件。

    图3是AD620的简化示意图，AD620由三个放大器组成，其内部采用“三运算放大器”典型电路，仅需要一只外接电阻便可使增益在1～1 000之间任意调节，其调节是通过1脚和8脚间的阻抗Rg来实现的。AD620管脚图如图4所示。前置放大电路结构如图5所示。

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3．2．2 带通滤波电路
    带通滤波器是一个允许特定频段的波通过、同时屏蔽其他频段的设备。可以由低通滤波器和高通滤波器串联组合而成。
    本系统的滤波电路采用双运放LM358。LM358是双运放集成电路，封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，其管脚图如图6所示。它内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。其主要特性：短路保护输出；真差动输入级；单电源工作：3．0～32 V；低输入偏置电流；具有内部补偿；共模范围扩展到负电源。带通滤波电路结构如图7所示。

3．2．3 二级放大电路
    其目的是把信号放大到适合A／D转换的要求，从而使前置放大器的放大倍数不至于太高而产生波形的失真。因为前置放大后信号的大小为50 mV，因此后级放大倍数为100。二级放大电路结构如图8所示。

3．3 A／D转换器和单片机
    本系统中采用美国TI公司生产的多通道、低价格的模数转换器TLC1543，这款芯片除了高速的A／D转换器和通用的控制能力外，内部还有14个A／D转换通道，其中11个通道可以作为外部输入的模拟电压，3个通道是芯片内部的自测电压。其采样一保持功能自动进行，管脚图如图9所示。

    本系统选用STC89C52单片机，可重复烧写10万次。STC89C52完全兼容AT89C51，AT89C52等系列单片机。[page]

3．4 压力控制模块
    压力控制模块由充气泵、充气电磁阀、放气电磁阀组成，控制核心是单片机，用三极管作为控制开关，如图10所示，充气泵和充气电磁阀配合使用，对整个测量过程进行加压，减压时充气泵、充气电磁阀关闭，放气电磁阀打开使腕带压力减小。

3．5 电源
    系统中AD620和LM358都需要±5 V供电，充气泵、电磁阀以及单片机需+5 V电源，为满足条件提出以下方案。
3．5．1 基于ICL7660的电源设计
    ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器。利用该转换芯片可以方便的产生所需电压。其设计原理如图11所示。

3．5．2 LM2940电源模块
    为了避免引入50 Hz工频信号对电路的干扰，因而选用干电池供电，干电池提供的电压为7．5 V。为了达到较好的供电质量，在电路中选择LM2940稳压芯片，将7．5 V左右的电压稳定到5 V。如图12所示。

    经过实验和比较，方案二中的设计较第一种设计更为稳定、便携，故使用该设计方案。

4 脉搏信号的再现和处理
    脉搏信号在上位机上的显示界面采用Visual Basic6．0创建，并利用其中的MSComm通信控件实现串行通信，所有的控制均通过人机交互界面直接操作，显示界面如图13所示。其中MSComm通信的函数说明如下：CommPort：设置或返回通信端口号；Settings：设置初始化参数，以字符串形式设定波特率、奇偶校验、数据位、停止位；PortOpen：设置或返回通信端口的状态，同时可打开和关闭端口；Input：用于从接收缓冲区返回并删除字符；Output：用于向发送缓冲区写数据或一个字符串。获得的测量数据在Matlab中进行处理和分析，仿真结果如图14所示。

5 结语
    通过对传感器、放大电路、滤波电路、电源模块、A／D转换器等几个方面详细的介绍，完成了多通道脉搏信号采集系统的设计过程。经实验调试，采集到的信号清晰平稳，噪声基本滤除，整个系统具有一定的稳定性。提取到的信号通过Matlab软件最终可以实现复杂脉象的识别。