作者：西安通信學(xué)院 郝東來 羅文 張海峰 朱沼宇
在消費(fèi)電子領(lǐng)域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)越來越受到消費(fèi)者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個(gè)思路，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款便攜式心率計(jì)，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及LED顯示和報(bào)警電路。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1為本系統(tǒng)的原理框圖。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
如圖1所示，從傳感器檢測(cè)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級(jí)和后級(jí)隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大后送入高通濾波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經(jīng)過低通濾波器濾除環(huán)境中的高頻干擾。處理完的信號(hào)送入后級(jí)繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)比較器和二極管整流后直接送入單片機(jī)處理，以驅(qū)動(dòng)顯示電路和報(bào)警電路。
系統(tǒng)硬件電路原理圖
圖2為電路原理圖，下面對(duì)各模塊進(jìn)行逐一描述。
圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖
1電壓跟隨和前置放大電路
電壓跟隨器的輸入信號(hào)，即脈搏傳感器信號(hào)從V+端輸入，反饋電阻置零，構(gòu)成一個(gè)同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級(jí)的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級(jí)的心音信號(hào)放大到V級(jí)，以供顯示和記錄使用。
根據(jù)心音脈搏信號(hào)的特性，要求放大器具有以下特性：
● 足夠高的增益，約800倍。
● 有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）
● 因?yàn)樾囊裘}搏信號(hào)比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號(hào)的損失，有高共模抑制比（大于80dB）來抑制干擾和噪聲。
由于在實(shí)際應(yīng)用中，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成。其中，前級(jí)采用負(fù)反饋差動(dòng)放大電路，以提高共模信號(hào)抑制比。此部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級(jí)電路。因此在系統(tǒng)中，采用基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器AD620作為心音脈搏信號(hào)的前級(jí)放大器。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過高，選擇為1000倍左右。
2 高低通濾波器電路
在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)頻率較低，在 0.78～3.33Hz之間，因此濾波器的設(shè)計(jì)成為本電路的關(guān)鍵。首先，要經(jīng)過一個(gè)0.5Hz的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器以濾除心音信號(hào)的絕大多數(shù)干擾。在實(shí)現(xiàn)電路中，普通的濾波器已經(jīng)很難對(duì)這么低的信號(hào)進(jìn)行濾波，因此在本設(shè)計(jì)中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz的巴特沃斯濾波器。圖3為低通濾波的原理圖。
圖3 低通濾波器原理與性能
3后級(jí)放大和比較整流電路設(shè)計(jì)
心音信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大后，幅度還未達(dá)到理想的應(yīng)用值，且還有一定的干擾，因此需要后級(jí)放大器繼續(xù)放大，以達(dá)到使用要求。整個(gè)電路采用一般的反向放大器模塊電路。
比較整流電路的作用是將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為不含負(fù)脈沖的方波，以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。該電路由一個(gè)過零比較器和整流電路構(gòu)成，由于送入單片機(jī)的信號(hào)要求為正電壓，所以經(jīng)過整流電路后，信號(hào)將全部轉(zhuǎn)化為正跳沿的方波。
4單片機(jī)控制電路
本部分主要包括單片機(jī)控制顯示電路以及驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的報(bào)警，具體電路如圖4所示。
圖4單片機(jī)控制電路
圖4中，數(shù)碼管為共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，74LS164作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)輸入0時(shí)點(diǎn)亮，四個(gè)二極管串聯(lián)起限壓保護(hù)的作用。圖5為JTAG口與單片機(jī)的連接圖。
圖5 JTAG口與單片機(jī)的連接
圖6為單片機(jī)程序流程圖。
圖6 單片機(jī)控制流程圖
本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號(hào)的頻率。所采用的技術(shù)是單片機(jī)的中斷捕獲功能以及數(shù)學(xué)算法誤差消除、硬件結(jié)構(gòu)誤差消除。
5電源管理模塊
本電路采用兩塊干電池供電，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，具有普遍性和方便性。由于此單片機(jī)為低功耗工作模式，我們選用了升壓芯片TPS61210，TPS6110，MAX660作為電源芯片，提供±5V、3.3V的工作電壓。
電路測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
表1為加入信號(hào)頻率為0.5～ 5.5Hz，峰峰值為2mv的正弦波信號(hào)后各模塊電路的輸出電壓測(cè)試數(shù)據(jù)。
由表中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)際測(cè)出的值與理論計(jì)算的值有所差別，且當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，輸出信號(hào)受干擾較大。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾，因此在實(shí)際的測(cè)量中，一定要注意電路的抗干擾能力。
外部時(shí)鐘晶振為32 768Hz，對(duì)其進(jìn)行1/2分頻；1Hz捕獲上升沿的是時(shí)間差，S[Rx]為數(shù)據(jù)寄存數(shù)組；單片機(jī)系統(tǒng)采用8MHz DCO?？梢钥闯觯撓到y(tǒng)可以在誤差范圍內(nèi)對(duì)1MHz左右的心音信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。
結(jié)論
本設(shè)計(jì)通過數(shù)模混合電路結(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)定，并能發(fā)出警告。整個(gè)電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡(jiǎn)單，減小電磁場(chǎng)干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足。還可以以該設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)加載其他功能，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)展至對(duì)人體其他生理狀態(tài)的測(cè)定。