??????? 為了測量心率信號，有許多技術(shù)可以應(yīng)用，例如：血液測量，心聲測量，ECG測量等等。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，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)對人體心率的測量。

　　1 心率檢測儀組成及工作原理

　　心率檢測儀的主要組成如圖1所示。由光電傳感器采集脈搏信號，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的數(shù)據(jù)并存入存儲器中;單片機(jī)對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號處理并計(jì)算出心率值，結(jié)果送顯示模塊和存儲器中。

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　　圖1 數(shù)字化心率檢測儀原理框圖

　　1.1 心率信號采集預(yù)處理電路

　　脈搏信號采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號，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脈搏動光脈沖信號，從而采集到心臟搏動信號。

　　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。

　　KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)對微弱信號放大。經(jīng)晶體管檢測出來的信號采樣時(shí)分兩路。一路是直流信號線路。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,可用來檢測晶體管是否處于有效工作狀態(tài);另一路是交流信號線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級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.

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　　圖2 脈搏信號采集預(yù)處理電路

　　1.2 uPSD3234單片機(jī)

　　本文采用ST(意法半導(dǎo)體)公司的新型單片機(jī)uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，它以增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核8032單片機(jī)為基礎(chǔ)，具有豐富的外圍設(shè)備，集成了PSD(ProgrammableSystemDevice,可編程外圍器件)模塊，并含有大容量FLASH和RAM的存儲器，集成I2C和USB接口電路，數(shù)字顯示(DDC)通道，5個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)控制器，4路8位AD轉(zhuǎn)換器，可編程邏輯器件(PLD)，是一個(gè)典型的具有SOC特征的高速單片機(jī)。因此不需要增加復(fù)雜的外圍電路就完全能滿足設(shè)計(jì)要求。

　　uPSD3234片內(nèi)的USB模塊支持低速的USB1.1通信協(xié)議，心率檢測儀采樣數(shù)據(jù)以及信號處理過程中得到的數(shù)據(jù)就可以傳輸?shù)絇C機(jī)存儲及進(jìn)一步的分析處理。

　　2 心率信號數(shù)字處理及算法

　　在測量過程中，預(yù)處理電路探測到的脈搏信號容易受到外界干擾，需要對干擾噪聲進(jìn)行處理。

　　一般可以通過兩種途徑對噪聲處理：一是增加濾波電路;二是從數(shù)字信號處理的角度，通過算法來減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會使成本增加，并影響儀器的便攜性，另外由于干擾的不確定性，濾波的效果不會很好。軟件濾波盡管會占用一定的系統(tǒng)資源，但成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好，在處理速度允許的條件下，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來進(jìn)行處理，其中最重要的算法是匹配濾波算法。