基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測儀的設計方案

　　由于匹配濾波器只匹配相應的輸入信號，一旦輸入信號發(fā)生變化，原來的匹配濾波就不再稱為匹配濾波器了，而脈搏波十分復雜，即使同一人的脈搏也不是每一周期都相同，所以需要針對脈搏信號的特征設計匹配濾波器。根據(jù)脈搏波的形成機理和脈搏的特征點，設計了四種脈搏波微分波形作為匹配濾波器的模板，如圖3所示。模板長度為100，恰好是微分波形主脈沖峰的寬度。

　　圖3 匹配濾波器模板

　　工作時，通過比較四個模板的輸出結(jié)果來確定使用哪一個濾波器的輸出值。

　　本設計利用uPSD3234內(nèi)置的ADC對經(jīng)預處理后的脈搏信號進行采樣，采樣頻率為500Hz.

　　下面將簡單介紹整個數(shù)據(jù)處理過程：

　　1)經(jīng)ADC通道0和通道1采樣得到信號波形圖如4圖所示。

　　圖4 采用波形

　　2)對采樣的交流信號數(shù)據(jù)進行低通濾波。由于設計僅實現(xiàn)心率檢測的功能，故此低通濾波截止頻率設計為8.5Hz，部分波形如圖5所示。

　　圖5 低通濾波輸出

　　3)利用脈搏波形態(tài)上具有陡峭上升沿的特點，通過微分運算將其突出出來，部分波形如圖6所示。

　　圖6 數(shù)字微分波形

　　4)檢測上面微分波形圖的負脈沖信號需要用到匹配濾波器。另外，由于匹配濾波輸出值會因為心率檢測儀的使用對象、放置位置等因素的影響而產(chǎn)生很大的變化，所以在設計中還需要其能夠自動調(diào)節(jié)閾值。信號大于閾值，則認為是檢測到了一個心跳信號。匹配濾波及檢測輸出的效果如圖7所示。

　　圖7 匹配濾波輸出、閾值線及心跳檢測信號

　　以上信號處理得到的心跳檢測信號即是反映人體瞬時心跳的信號，據(jù)此可用一種中值算法精確地計算出測量對象的心率。此中值算法為：如果心跳檢測信號的兩個脈沖間隔在人心跳的正常間隔內(nèi)，則記錄間隔時間，否則跳過。在記錄足夠的心跳間隔后即可算出這些間隔的中值。根據(jù)中值可以規(guī)定這些間隔的上下邊界。處在上下邊界之間的值視為有效間隔值。當有效間隔值的數(shù)目超過設定的數(shù)量時，就可以算出平均間隔值。由于采樣頻率為500Hz，所以每個間隔為2us.由此得出比較精確的心率。

　　3軟件設計

　　系統(tǒng)軟件設計流程如圖8所示。主要有顯示驅(qū)動程序、按鍵處理程序、信號處理程序、心率檢測程序、USB通信服務程序等。

　　圖8軟件流程圖