基于单片机设计的脉搏测量仪

0 引言
    脉搏测试仪是用来测量一个人脉搏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分，因此，在现代医学上具有重要的作用。目前检测脉搏的仪器虽然很多，但是能实现精确测量、精确显示且计时功能准确等多种功能的便携式全数字脉搏测量装置很少。随着人们生活环境
和经济条件的改善，以及文化素质的提高，其生活方式，保健需求以及疾病种类、治疗措施等发生了明显的变化。但在目前，我国的心脑血管疾病仍呈逐年上升趋势。其发病率和死亡率均居各种疾病之首，是人类死亡的主要原因之一。因此，认识、预防及早期发现这些疾病是十分必要的。
    从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形)、强度(波幅)、速率(波速)和节律(周期)等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征，因此对脉搏波采集和处理具有很高的医学价值和应用前景。但人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号， 脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必需经过放大和后级滤波以满足采集的要求。

1 基本结构模块
1．1 脉搏波检测电路
    目前脉搏波检测系统有以下几种检测方法：光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来光电检测技术在临床医学应用中发展很快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检测病人各种症状信息。用光电法提取指尖脉搏光信息受到了从事生物医学仪器工作的专家和学者的重视。本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离，减少了对后级模拟电路的干扰。
    传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。所用光电式传感器由发光二级管和光敏二极管组成，其工作原理是：发光二极管发出的光透射过手指，经过手指组织的血液吸收和衰减，由光敏二极管接收。由于手指动脉血在血液循环过程中呈周期性的脉动变化，所以它对光的吸收和衰减也是周期性脉动的，于是光敏二极管输出信号的变化也就反映了动脉血的脉动变化。
1．2 脉搏信号拾取电路
    红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生0．4_V电压，0．5mA电流。BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图1中，R0选100 Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，PBW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“0”。当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期，虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有1 μA的暗电流会造成Vi电位略低于2．5V。二是有脉期，当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。

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1．3 信号采集及处理系统
    由于光电脉搏波属于缓慢变化的微弱生理信号，信噪比低，极易受到环境噪声和肢体运动的干扰。传统的光电脉搏波信号检测电路都采用高增益放大器，以获得较高的检测灵敏度，这种设计思路导致了检测信号动态范围缩小，在受到运动干扰时，将导致由于干扰信号而带来的光电脉搏波信号检测的饱和失真。本系统采用过采样技术，通过对信号的高速采样来提高采样精度，相当于用高分辨率的ADC对信号进行模数转换，达到了提高信噪比并改善动态范围的效果。因此本系统对经过光电转换后的信号进行模数转换而不需要任何信号调理(放大和滤波)电路。
1．4 过采样技术的应用
    所谓过采样技术是指以远远高于奈奎斯特(Nyquist)采样频率的频率对模拟信号进行采样的方法。由信号采样量化理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化电平，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率是一个常数，在0～fs的频带范围内均匀分布。因此量化噪声电平与采样频率成反比，如果提高采样频率，则可以降低量化噪声电平，而由于基带是固定不变的，因而减少了基带范围内的噪声功率，提高了信噪比，从而提高分辨率，并且采样频率每提高4倍，则信噪比提高4倍，相当于A／D的分辨率提高1位。

2 软件设计
2．1 程序设计
    本文选用ADI公司的单片机ADC841，其内部集成了速度可达400k的12位逐次逼近型ADC，分辨率为0．6mv／LSB。从软件需求和单片机速度出发，将ADC采样率fs定为102．4kHz，为便于计算，将过采样倍数k定为64，则下抽取后采样率为伪：fs／k=1600Hz，是频率为400Hz载波的四倍，满足奈奎斯特采样定理。由于过采样倍数k为64，按每提高4倍采样率就能提高一位分辨率来计算，获得的ADC有效分辨率能提高3位，最后能达到约15位精度，其分辨率可达到0．0763mv／LSB。设置ADCCON1=#0B2H，ADCCON2=#00H。定时器2是一个具有16位自动重装载功能的定时器，作定时器用时，TH2和TL2计的是机器周期数，TH2和TL2内容的自动重装载通过寄存器RCAP2H和RCAP2L来实现。对这四个寄存器都进行初始化，自动装载值为#0FFCAH。
2．2 程序源代码
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3 结束语
    本系统模拟电路简单，由ADC841芯片实现脉搏信号采集，信号处理和脉搏次数的计算等功能，因此体积小，功耗低，系统稳定性高。本系统可实现脉搏波的实时存储并可实现与上位机(PC机)的实时通讯， 因此可作为多参数病人中心监护系统的一个模块完成心率检测和脉搏波形显示。