【文章內(nèi)容簡介】 后從靜脈回流。血液是一種高度不透明的液體。近紅外單色光在一般組織中的穿透性比在血液中大幾十倍。皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下呈波動(dòng)性變化，當(dāng)心臟收縮時(shí)外周血容量最多，而心臟舒張時(shí)則外周血容量減小。血容積搏動(dòng)使組織中血液透光率隨之變化，當(dāng)光源和光敏元件置于被測部位（如手指）的同一側(cè)（或兩側(cè)），光源發(fā)出的光照射在組織上，經(jīng)反射（或透射）后被光敏元件接，光敏元件將脈動(dòng)的光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的電信號(hào)。在檢測系統(tǒng)中將變化量與直流量相互分離，從而得到光電容積脈搏波。搏信號(hào)的頻率范圍在 －20Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此必須通過低通濾波電路濾除工頻干擾，這里我們使用二階低通濾波電路進(jìn)行濾波處理。 在通常脈搏測量過程中，手指和光電式脈搏傳感器可能產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，會(huì)使脈搏測量產(chǎn)生誤差，這里我們采用指夾式機(jī)械模型，提高其機(jī)械抗運(yùn)動(dòng)性，使指夾能夠更緊的夾在手指上，不易松動(dòng)來降低運(yùn)動(dòng)噪聲的干擾。被測量 電量敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5 光電傳感器的電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中我們采用 IR333 型紅外發(fā)射二極管作為光源，BPW83 型紅外接收二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，兩種二極管的峰值波長都在 900nm 附近，在指夾中，紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管并排擺放。R2 選 500Ω 是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R2 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，BPW83 型紅外接收二極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。反之，R2 過小，通過的電流偏大，紅外接收二極管也不能準(zhǔn)確地辨別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)，電容 C1 起到隔直通交的作用，因?yàn)閺墓怆姸O管拾取的電壓信號(hào)是直流和交流疊加的信號(hào)。光電傳感器電路原理圖如圖 22 所示。 +圖 22 光電式傳感器電路 光電式脈搏傳感器實(shí)驗(yàn)測量和噪聲分析在測量過程中，前端測量到的脈搏信號(hào)十分微弱，容易受到外界環(huán)境的干擾，因此需要對脈搏傳感器的干擾噪聲進(jìn)行分析，從光電式脈搏傳感器設(shè)計(jì)的技術(shù)角度減少干擾，使之能夠準(zhǔn)確測量到脈搏信號(hào)，光電式脈搏傳感器的干擾主要有測量環(huán)境光干擾、工頻干擾、測量過程運(yùn)動(dòng)噪聲，下面對上述情況結(jié)合儀器軟硬件設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的分析。在光電式脈搏傳感器中，光敏器件接收到的光信號(hào)不僅有包含脈搏信息的反射光的信號(hào)，而且有測量環(huán)境下的背景光信號(hào)，由于動(dòng)脈波動(dòng)引起的光強(qiáng)變化比背景光的變化微弱得多，因此在測量過程當(dāng)中要保持測量背景光的恒定，減少背景光的干擾。在同時(shí)考慮到傳感器使用的方便性，本儀器采用特制的指夾封裝形式，整個(gè)外殼采用不透光的介質(zhì)和顏色，盡量減小背景光的影響。工頻干擾是電路中最常見的干擾，脈搏信號(hào)變化緩慢，特別容易受到工頻信號(hào)的干擾，因此對工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測量精度的主要淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文6措施之一。 放大濾波電路設(shè)計(jì) 由光電傳感器拾取的脈搏信號(hào)十分微弱，僅為微伏量級(jí)或毫伏量級(jí)，所以首先要對信號(hào)進(jìn)行放大，介于此系統(tǒng)的特點(diǎn)，我們使用了兩級(jí)放大電路，分別為初級(jí)放大和次級(jí)放大。在信號(hào)采集過程中，工頻、人體位移、呼吸作用等都會(huì)對原始信號(hào)產(chǎn)生干擾，所以必須對信號(hào)進(jìn)行濾波處理。 放大電路的設(shè)計(jì)由于光電傳感器拾取的脈搏信號(hào)十分微弱，僅為微伏量級(jí)或毫伏量級(jí)，所以要求前置級(jí)滿足下述要求：高輸入阻抗。光電信號(hào)是不穩(wěn)定的內(nèi)阻變化的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗，所以要求放大器具有高的輸入阻抗。低噪聲、低漂移?？梢詼p小信號(hào)源的影響，增強(qiáng)信號(hào)的拾取能力，使輸出穩(wěn)定。AD620 是一種僅需在其引腳跨接一個(gè)電阻就能調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的低功耗、高精度儀表放大器，其放大倍數(shù)調(diào)節(jié)范圍為 11000 倍，盡管 AD620 由傳統(tǒng)的三運(yùn)放組成，但一些主要性能卻優(yōu)于由三個(gè)分立運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器。它的電源范圍寬(177?！?77。18V)，體積小,功耗低(最大供電電流僅為 1.3mA)，因而經(jīng)常使用在低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。AD620 的工作原理是：AD620 是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放組合方式的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。輸入三極管 Q1 和 Q2 提供了唯一雙極差分輸入，因內(nèi)部的超 β 處理，它的輸入偏移電流比一般情況低 10 倍。通過 Q1A1R1 環(huán)路和 Q2A2R2 環(huán)路的反饋，保持了 Q1，Q2 集電極電流為常量，所以輸入電壓相當(dāng)于加在外接電阻 R 的兩端，從輸入到 A1/A2 輸出的差分放大倍數(shù)為 G=（R1+R2 ）/R G +1，由 A3 組成的單位增益減法器消除了任何共模成分，而產(chǎn)生一個(gè)與 REF 管腳電位有關(guān)的單路輸出。AD620 原理圖如圖 23所示。內(nèi)部增益電阻 R1 和 R2 被精確確定 ,使得運(yùn)放增益精確地由確定：G= /RG +1 或 RG = /(G1)。由于經(jīng)光電傳感器采集到的信號(hào)為毫伏量級(jí)，并且在信號(hào)的次級(jí)放大中還可以設(shè)置 25 倍的放大倍數(shù)，所以在前級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)中令放大倍數(shù)為 101 倍，經(jīng)過計(jì)算 RG =R3=500Ω，交流信號(hào)由 3 引腳輸入經(jīng)放大后通過低通濾波器進(jìn)行處理。信號(hào)初級(jí)放大電路原理圖如圖 25 所示。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7 圖 23 AD620 原理圖 AD62022485RgIN+VsOUTPEFW圖 24 AD620 封裝引腳圖G圖 25 信號(hào)初級(jí)放大電路淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文8 低通濾波電路設(shè)計(jì)濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置。工程上常用它處理信號(hào)、傳送數(shù)據(jù)和抑制干擾。有源濾波和無源濾波相比，有源濾波采用了集成運(yùn)放，集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗低，構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。通常脈搏信號(hào)的頻率范圍在 －20Hz 之間，因此通過低通濾波器可以有效濾除50Hz 工頻干擾及其他的高頻噪聲干擾。本文采用二階有源低通濾波器對經(jīng)初級(jí)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。二階低通濾波電路圖如圖 26 所示。R 1 = 1 . 6 k R f = 4 8 k+_△∞+R = 1 . 6 k R = 1 . 6 kC 2 = 0 . 1 u FC 1 = 0 . 1 u F6V iV o圖 26 二階低通濾波電路 USB 總線簡介 USB（Universal Serial Bus，通用串行總線）是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在 PC 領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB是在 1994 年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司聯(lián)合提出的。與其它老式 PC 機(jī)接口相比，USB 的有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)熱插拔。用戶可以把 USB 外設(shè)連接到一臺(tái)正在運(yùn)行的 PC 機(jī)上，操作系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別，并且用戶可以立即使用，而不需要重新啟動(dòng) PC 機(jī)。用戶可以在任何時(shí)候斷開 USB 外設(shè)，而不管計(jì)算機(jī)是否正在運(yùn)行，這都不會(huì)損壞 PC 機(jī)和外設(shè)。(2)即插即用。USB 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)配置，它不需要用戶手工配置 I/O 地址和中斷請求。當(dāng)USB 外設(shè)接入 PC 機(jī)時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測到這個(gè)連接，并加載合適的驅(qū)動(dòng)程序。(3)共享式接口。第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)9USB 端口支持多個(gè)外設(shè)的連接，采用“菊花瓣”式的連接方式。通過 USB 集線器，一個(gè) USB 主控制器上最多可連接 127 個(gè)外設(shè)。(4)低成本。USB 能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，它比以前的接口更加復(fù)雜，但是它的組件和電纜并不貴，帶有 USB 接口的外設(shè)和具有同樣功能的老外設(shè)接口相比，所需費(fèi)用差不多，有時(shí)會(huì)更少一些。(5)性能可靠。USB 系統(tǒng)通過硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議兩方面來保證其傳輸?shù)目煽啃浴?6)提供電源。USB 電纜向外設(shè)提供了一根+5V 的電源線，電流的大小取決于集線器，最小為 100mA，最大不會(huì)超過 500mA，用戶可以直接使用這個(gè)總線電源。另外，USB 支持低功耗模式，如果其連續(xù) 3ms 沒有總線活動(dòng)的話， USB 就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掛起狀態(tài)，以節(jié)省電能消耗。 USB 體系結(jié)構(gòu)USB是一種電纜總線，支持在主機(jī)和各式各樣的即插即用的外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由主機(jī)預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使各種設(shè)備分享USB帶寬，當(dāng)其它設(shè)備和主機(jī)在運(yùn)行時(shí)，總線允許添加、設(shè)置、使用以及拆除外設(shè)。(1)USB系統(tǒng)的描述一個(gè)USB系統(tǒng)主要被定義為三個(gè)部分:USB的互連；USB的設(shè)備(device)；USB的主機(jī)(host)。USB的互連是指USB設(shè)備與USB主機(jī)之間進(jìn)行連接和通信的操作，主要包括以下幾方面：總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：USB設(shè)備與主機(jī)之間的各種連接方式；內(nèi)部層次關(guān)系：根據(jù)性能疊置，USB的任務(wù)被分配到系統(tǒng)的每一個(gè)層次；數(shù)據(jù)流模式：描述了數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中通過USB從產(chǎn)生方到使用方的流動(dòng)方式；USB的調(diào)度：USB提供了一個(gè)共享的連接。對可以使用的連接進(jìn)行調(diào)度，以支持同步數(shù)據(jù)傳輸，無須進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判別。(2)電源主要包括兩方面：電源分配：即USB的設(shè)備如何通過USB分配得到由主計(jì)算機(jī)提供的能源；電源管理：即通過電源管理系統(tǒng)，USB的系統(tǒng)軟件和設(shè)備如何與主機(jī)協(xié)調(diào)工作。(3)總線協(xié)議USB總線是一種輪循方式的總線，主機(jī)控制端口初始化所有的數(shù)據(jù)傳輸?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文10每一次總線執(zhí)行動(dòng)作最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包。(4