一種反射式紅外心率檢測儀設計

　　為了測量心率信號，有許多技術可以應用，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)轉換(A/D)后，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字化分析處理，以實現(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uPSD3234A自帶的A/D轉換模塊采樣得到脈搏信號的數(shù)據(jù)并存入存儲器中;單片機對所得的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理并計算出心率值，結果送顯示模塊和存儲器中。

　　1.1 心率信號采集預處理電路

　　脈搏信號采集預處理電路主要是將脈搏波轉換成電信號，并進行初步高頻濾波預處理。其關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容積變化，而且在實際應用中反射式只需將傳感器接觸身體任何部位，當照射部位的血流量隨心臟跳動而改變時，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。

　　本設計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，電流一般設在20mA,亮度由軟件通過PWM電流來進行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強的光。

　　KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結構來增強對微弱信號放大。經(jīng)晶體管檢測出來的信號采樣時分兩路。一路是直流信號線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機的A/D轉換通道口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的A/D轉換通道1.該濾波電路為兩級帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個區(qū)間的頻譜攜帶了大量與冠心病病變有關的信息，故考慮到今后功能的擴展，預處理電路的上下限頻率設計為48Hz和0.86Hz.

　　圖2 脈搏信號采集預處理電路

　　1.2 uPSD3234單片機

　　本文采用ST(意法半導體)公司的新型單片機uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，它以增強型MCS-51內核8032單片機為基礎，具有豐富的外圍設備，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個脈寬調制(PWM)控制器，4路8位AD轉換器，可編程邏輯器件(PLD)，是一個典型的具有SOC特征的高速單片機。因此不需要增加復雜的外圍電路就完全能滿足設計要求。

　　uPSD3234片內的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機存儲及進一步的分析處理。

　　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、功能強的優(yōu)點。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來進行處理，其中最重要的算法是匹配濾波算法。

　　所謂匹配濾波器就是使濾波器輸出信噪比在某一特定時刻達到最大并由此導出的最佳線性濾波器。匹配濾波原理：設輸出信噪比最大的最佳線性濾波器的傳輸函數(shù)為H(ω)，濾波器輸入信號與噪聲的合成波為：

　　式(1)中，s(t)為輸入數(shù)字信號，其頻譜函數(shù)為S(ω)，n(t)為高斯噪聲。

　　由于該濾波器是線性濾波器，滿足線性疊加原理，因此，濾波器輸出也由輸出信號和輸出噪聲兩部分組成，即：

　　式(2)中，輸出信號的頻譜函數(shù)為S0(ω)，其對應的時域信號為：

　　濾波器輸出噪聲的平均功率為：

　　所以，在抽樣時刻t0,線性濾波器輸出信號的瞬時功率與噪聲平均功率之比為：

　　從式(3)可見，在輸入信號給定的情況下，輸出信號比r0只與濾波器傳輸函數(shù)H(ω)有關。根據(jù)施瓦茲不等式：

　　根據(jù)帕塞瓦爾定理有：

　　式(5)中，E為輸入信號的能量，故得關系式：

　　根據(jù)施瓦特不等式中等號成立的條件X(ω)=kY*(ω)，k為任意常數(shù)，可得不等式中等號成立的條件為：

　　式(7)中，K為常數(shù)，通?？蛇x擇為k=1.

　　S*(ω)是輸入信號頻譜S(ω)的復共軛。該濾波器在給定時刻t0能獲得最大輸出信噪比2E/n0。

　　這種濾波器的傳輸函數(shù)H(ω)除相乘因子Ke-jωt0外，與信號頻譜的復共軛相一致，所以稱該濾波器為匹配濾波器。

　　易得到匹配濾波器的脈沖響應為：

　　紅外線接收探頭獲取的動脈搏動光脈沖信號的數(shù)字匹配濾波的過程是通過輸入信號序列s(n)與匹配濾波器的沖擊響應序列h(n)求卷積的方法來實現(xiàn)的。

　　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。