【文章內(nèi)容簡介】 轉(zhuǎn)換成為便于測量的電信號。因此要求傳感器具有一定的檢測重復性和線性，可以重復使用，而且測得的數(shù)據(jù)具有一定的精度；其次在較大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具有一定的精度；同時，還需具有一定的靈敏度和穩(wěn)定性。 目前常見的脈搏采集方法有：心電電位方法、光電方法、壓力傳感器方法、電容傳感器方法和電聲傳感器方法。由于壓電傳感器信號容易測量所以選用壓電式傳感器。 （ 1） SC0073 傳感器 ： 該傳感器采用壓電復合材料作為換能元件，信號通過特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。該傳感器 是一種高性能低成本的振動傳感器，具有靈敏度高、頻率響應范圍寬、脈搏顯示電路設(shè)計 3 抗過載及沖擊能力強、抗干擾性好、操作簡便等特點。通過測試該型號傳感器性能基本滿足條件，但是信號穩(wěn)定性欠佳，尤其是柱狀的結(jié)構(gòu)外形，導致其無法與腕帶方便的配合。 （ 2） HK2021B 脈搏傳感器 ： HK2021B 脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏組件、靈敏度溫度補償組件、感溫組件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。主要特點是靈敏度高、抗干擾性能強、過載能力大、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長。實驗發(fā)現(xiàn)由HK2021B 提取信號繪制的脈搏波形清晰穩(wěn)定，使用 時無需搭建前置放大電路，但體積過大，無法對三個脈位進行同時測量。 （ 3） PVDF 壓電傳感器 ： PVDF 壓電傳感器由 PVDF 壓電薄膜構(gòu)成。與其他壓電材料相比， PVDF 壓電薄膜具有壓電系數(shù)大、頻響寬、動態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機械性能強度高、聲阻抗易匹配等特點，且重量輕、柔軟不脆。對該傳感器的測試如下：分辨率、靈敏度等指標均符合要求，而且得到的脈搏波形與 HK2021B 獲得質(zhì)量相當 [2]。 由于考慮到各方面的原因，本設(shè)計采用的是 SC0073 傳感器。 圖 12 SC0073 傳感器結(jié)構(gòu)圖 FPGA 簡介 FPGA 即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、 GAL、 CPLD 等 可編程器 件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作 為專用集成電路 （ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有 可編程器 件門電路數(shù)有限的缺點。 FPGA 采用 了邏輯單元 陣列 LCA 這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB、輸出輸入模塊 IOB 和內(nèi)部連線三個部分。現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA）是 可編程器 件，與傳統(tǒng) 邏輯電路 和門陣列（如 PAL， GAL 及 CPLD 器件）相比， FPGA 具有不同的結(jié)構(gòu) 。FPGA 利用小型查找表（ 16 1RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個 D 觸發(fā)器 的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動 I/O，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的 基本邏輯單元 模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到 I/O 模塊。 FPGA 的邏輯是通過向內(nèi)部 靜態(tài)存儲單元 加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定 了邏輯單元 的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與脈搏顯示電路設(shè)計 4 I/O 間的聯(lián)接方式，并最終決定了 FPGA 所能實現(xiàn)的功能， FPGA 允許無限次的編程。FPGA芯片 主要由 7部分完成，分別為：可編程輸 入輸出單元、基本可編 程邏輯單元 、完整的時鐘管理、嵌入塊式 RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊 。 圖 13 FPGA 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 脈搏顯示電路設(shè)計 5 ２ 設(shè)計方案 設(shè)計要求 為 了 提高運用電子 基礎(chǔ) 知識進行理論設(shè)計、實踐創(chuàng)新，通過實踐學會合理的利用集成電子器件制作基于數(shù)字電路和模擬電路的課程設(shè)計與制作 。 脈搏計是用來測量一個人心臟跳動次數(shù)的儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來測量頻率較低的小信號。 利用集成電路實驗室的 FPGA 開發(fā)實驗箱，購買一顆脈 搏傳感器芯片，設(shè)計一個PCB 電路，把傳感器輸出的信號通過實驗箱的 FPGA 和液晶顯示屏顯示出來。 理解脈搏傳感器的工作原理； 學習 PCB 設(shè)計； 利用 FPGA 知識進行電路設(shè)計； 實現(xiàn)在 1min 內(nèi)測量脈搏數(shù) ； 將測得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示； 設(shè)計方案 從前面的內(nèi)容可知，脈搏信號是一種微弱的低頻生物電信號。在進行有效的處理、顯示或記錄之前，必須把信號放大到采集系統(tǒng)要求的幅值范圍內(nèi)，因此在設(shè)計電路時必須考慮一些因素。在測量人體生物信號的同時不能傷害人體、危及人身安全。而且脈搏信號的振幅也是比較小的，一般為 10uV 到 50uV 的信號。而采集顯示的時候一般要求在 177。 5V 或以上范圍的信號。所以 脈搏顯示電路很據(jù)上述功能，可采用兩種不同的方案來實現(xiàn)： 把轉(zhuǎn)換為電信號的脈搏信號，在單位時間內(nèi)（一分鐘）進行計數(shù)，并顯示其數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 測量脈搏跳動的固定次數(shù)（比如 10 次、 20 次）所要的時間，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù)（需要一個倍頻電路） [3]。 這兩種方案比較起來，第一種更明了直觀，所搭構(gòu)的電路能稍稍簡單一些；第二種方案的測量誤差較第一種更小，但是電路要復雜一些。為 了使其輕巧便捷，本文設(shè)計是基于第一種方案。 下面為選用方案的框圖： 脈搏顯示電路設(shè)計 6 圖 22 整體設(shè)計的原理框圖 1）脈搏 傳感器 將脈搏跳動 產(chǎn)生 相對應的信號。 2） 放大電路 把傳感器 輸出 的微弱 信號 放大。 3）濾波電路 把一些不需要的干擾信號過濾。 4）整形電路 把脈搏信號轉(zhuǎn)換為矩形脈沖。 5）分頻器 FPGA 中把 50MHZ 的時鐘頻率分為自己需要的時鐘頻率 。 6）定時器 FPGA 中設(shè)計一個定時為 60S 的模塊 。 7） 計數(shù) 器、 顯示電路 用來 計算 脈搏數(shù) （一分鐘） ，并顯示出來。 8） 電源電路 按電路要求提供符合要求的直流 電源 （用學生電源）。 脈搏顯示電路設(shè)計 7 3 單元電路的設(shè)計 信號的發(fā)生 脈搏傳感器是脈象檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到后續(xù)電路的處理和結(jié)果的顯示。目前常用的脈搏傳感 器有光電類、壓電類和壓阻類。我們使用的是壓電類的 SC0073。 壓電傳感器的工作原理是以某種物質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)。這些物質(zhì)在受到一定方向的壓力或拉力的作用而發(fā)生形變時，其表面會產(chǎn)生電荷；如果將外力移除，則又會回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就是壓電效應。 圖 31 SC0073 的電路連接圖 前置放大電路 脈搏信號具有不穩(wěn)定性，非線性和隨機性的基本特征，屬于微弱的生物電信號。所以前置放大電路對于脈搏信號采集來說至關(guān)重要，為了放大噪聲環(huán)境中脈搏傳感器輸 出的弱信號，對于放大器要求具有：極高的共模和差模輸入阻抗；很低的輸出阻抗；精確和穩(wěn)定的增益；極高的共模抑制比?；谝陨戏治?，選用的是低功耗、高精度儀表放大器 AD620 作為前置放大電路的核心元件。 圖 321 AD620 芯片引腳圖 脈搏顯示電路設(shè)計 8 圖 322 AD620 原理圖 表 323 AD620 參數(shù)表 項目 規(guī)格 增益范圍 1~1000 電源供應范圍 ~18V 低耗電量 最大供應電流 = 精確度高 40ppm的最大非線 性度； 最大偏置電壓為 50181。V ； 最大漂移電壓 ℃ 低訊號 1khz 時低輸入噪聲 9nV/Hz 由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。 所以設(shè)計時考慮兩級放大 ,第一級采用 AD620[4]。 脈搏顯示電路設(shè)計 9 圖 324 前置放大電路圖 R C1 共同組成的低通濾波保證信號能夠通過， ad620 內(nèi)部的三運放結(jié)構(gòu)能有效的減少共模輸入的干擾。通過調(diào)整 1管腳和 8管腳之間的滑動變阻器，可以改變電路的增益，使 G=5，則很據(jù) G=（ ） +1 得 Rx≈ 。 圖 325 前置放大電路仿真結(jié)果 濾波電路 脈搏信號是頻率低但能量相對集中的信號，人體的脈搏頻率非常低，約為~4Hz，一般情況下為 1Hz 左右，脈搏信號復雜且易變，由于人體生理、病理、心理等不同而容易受到影響。所以我們設(shè)計一個在 ~20Hz 的帶通濾波器。 在模擬電路中，把增益隨頻率升高或降低下降到中頻區(qū)增益的 倍時所對應的頻率定義為下限頻率 fL（在低頻區(qū)）和上限頻率 fH（在高頻區(qū)）， fH與 fL 之間的頻率范圍稱之為通 頻帶，用 WB 表示，即： LHW ffB ?? 。 由于通頻帶為 ~20Hz，所以需要設(shè)計一個將低于 的低頻信號和高于20Hz 的的高頻信號過濾，我們將一個高通濾波器和一個低通濾波器串聯(lián)起來形成一個帶通濾波器。一般來說有源濾波電路比無源濾波電路好一些，所以我們用的是二階的有源濾波電路。 脈搏顯示電路設(shè)計 10 圖 331 有源濾波器幅頻特性 這里的濾波電路采用雙運放的 LM358。 LM358 是雙運放集成電路，封裝形式有塑封 8引線雙列直插式和貼片式，其管腳如圖 所示，它內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器。其主要特性有：短路保護輸出；直流電壓增益高；單位增益頻帶寬；低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；共模輸入電壓范圍寬，包括接地；差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍；電源電壓范圍寬：單電源（ 3~30V），雙電源（ 177。 ~177。 15V）；低功耗電流，適合電池供電；低輸入偏置電流；輸出電壓擺幅大。 圖 332 LM358 管腳圖 表 333 LM358 參數(shù)表 參數(shù)名稱 數(shù)值 電源電壓 3~30V 或177。 ~177。 15V 差分輸入電壓 30V 輸入電壓 ~30V 功耗（ DIP封裝） 550mW 功耗（ SOP封裝） 530mW 貯存溫度 65~150℃ 工作環(huán)境溫度 0~70℃ 輸入電流 50mA 輸出端對地短路電流 持續(xù) 帶通濾波電路如圖所示： 脈搏顯示電路設(shè)計 11 圖 334 帶通濾波電路 設(shè)計時取電路增益為 1，主要是考慮到電路中已有放大電路，濾波電路可以不必在放大信 號，使分析簡單。 （ 1） 二階低通濾波電路： 若 RRR ?? 43 , CCC ?? 32 ,則： 二階低通濾波電路傳輸函數(shù)： 2220)(nnnSQSAsA?????? (31) 特征角頻率： RCn 1?? (32) 阻尼系數(shù)： 2?? ，等效品質(zhì)因數(shù)： 211???Q ； 電路中選 R3=R4=； C2=C3= F? 。其截止頻率： HzRCf 10 ?? ? 由于 R、 C只是計算中的數(shù)值，所以實物中 R=8K?， FC ?? 。 （ 2） 二階高通濾波電路： 同理在 7654 RRCC 、 構(gòu)成的二階高通