【正文】 波器構(gòu)成；控制電路選用了帶 USB 控制器、 ADC 的微控制器 C8051F320；儀器軟件設(shè)計(jì)分 MCU 固件程序設(shè)計(jì)、 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)及軟件濾波程序設(shè)計(jì)等四部分組成。該儀器同時(shí)具有使用、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明：本系統(tǒng)已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。 Amplifier AD620 is adopted。 Control circuit selects the microcontroller with USB controller and ADC with C8051F320。目前檢測(cè)脈搏的儀器雖然很多，但是能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量、精確顯示且計(jì)時(shí)功能準(zhǔn)確等多種功能的便血石攜式全數(shù)字脈搏測(cè)量裝置很少。但在目前，我國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。因此，認(rèn)識(shí)、預(yù)防及早期發(fā)現(xiàn)這些疾病是十分必要的。幾乎世 界上所有的民族都用過(guò)“摸脈”作為診斷疾病的手段。但人體的生物信號(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻弱信號(hào)， 脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào)，必需經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波以滿足采集的要求 。串行通訊是把主系統(tǒng)與子系統(tǒng)（或 系統(tǒng)與系統(tǒng)、或子系統(tǒng)與子系統(tǒng)）輸入輸出通道的發(fā)送與接收端連接在一起作為信息交流的公共通道，以達(dá)到相互之間通訊的目的。因此，在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式工業(yè)控制系統(tǒng)以及武備系統(tǒng)中，經(jīng)常采用串行通信來(lái)交換數(shù)據(jù)和信息 [1]。 RS232 總線是 PC 機(jī)早期采用的通用串行總線 , 至今仍然適用于要求較低的虛擬儀器或測(cè)試 系統(tǒng)。目前主流的計(jì)算機(jī)均配備有 RS232 和 USB 兩種串行接口，而早期的計(jì)算機(jī)主板只支持 RS232 串行接口，當(dāng)今則以 USB 接口為通用外設(shè)接口的趨勢(shì) [2]。這些儀器的主要功能是描記脈象波形，是用作臨床觀察脈象變化的工具。其中比較有代表性的儀器有美國(guó)醫(yī)學(xué)博士 Jhon. 研制的一種針灸臨床用的新型無(wú)創(chuàng)脈波記錄儀，日本的田口賢輝發(fā)明的一種“壓力、脈搏測(cè)定裝置”、日本的代用文彥設(shè)計(jì)了一種“局部加壓型可償還脈裝置”、日本 Cofnia 公司研制的一種 CBM— 3000/20xx 型撓動(dòng)脈脈波檢測(cè)儀以及日本 Sony 公司曾經(jīng)推出的一種利用三個(gè)駐體微音器作為脈波傳感元件的脈波檢測(cè)儀 [3]。例如 80 年代研制的液態(tài)傳感器利用將單位長(zhǎng)度管段動(dòng)脈內(nèi)血液休積隨時(shí)間變化量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電液柱體電阻的改變參量來(lái)測(cè)最脈搏波的。所以人體脈搏信號(hào)采集裝置的研究仍有其可行性和必要 [4]。 脈搏波檢測(cè)電路 目前脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)有以下幾種檢測(cè)方法：光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。用光電法提取指尖脈搏光信息受到了從事生物醫(yī)學(xué)儀器工作的專家和學(xué)者的重視。 傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。由于手指動(dòng)脈血在血液循環(huán)過(guò)程中呈周期性的脈動(dòng)變化，所以它對(duì)光的吸收和衰減也是周期性脈動(dòng)的，于是光敏二極管輸出信號(hào)的變化也就反映了動(dòng)脈血的脈動(dòng)變化。 BPW83 型紅外接收二極管和 IR333 型紅外發(fā)射二極管工作波長(zhǎng)都是 940nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。 信號(hào)采集及處理系統(tǒng) 由于光電脈搏波屬于緩慢變化的微弱生理信號(hào)，信噪比低，極易受到環(huán)境噪聲和肢體運(yùn)動(dòng)的干擾。本系統(tǒng)采用過(guò)采樣技術(shù)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的高速采樣來(lái)提高采樣精度，相當(dāng)于用高分辨率的 ADC 對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了提高信噪比并改善動(dòng)態(tài)范圍的效果。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器電路設(shè)計(jì) 傳感器的定義與組成 傳感器（ Transducer/Sensor）在我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ GB7665— 1987）中的定義是：“能夠 感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。 圖 21 組成框圖 光電容積式麥博傳感器的原理 生理學(xué)和解剖學(xué)中脈搏沒(méi)有專門的部位，也沒(méi)有專門對(duì)脈搏的講解，脈搏是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它是由心臟收縮和舒張產(chǎn)生的壓力，通過(guò)容量血管與阻力血管，在動(dòng)脈內(nèi)產(chǎn)生的壓力變動(dòng)以及有節(jié)律性的沖動(dòng)形式，它存在于身體的每個(gè)部位。就容積式脈搏波的探測(cè)而言，指尖是較理想的部位，因?yàn)樗挥谥w前端，容易實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)；其次，由手指的解剖結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)指尖的血液都是經(jīng)指總動(dòng)脈分兩路從指干兩側(cè)通向指尖，再經(jīng)豐富的冠狀動(dòng)脈彌散至毛細(xì)血管，然后從靜脈回流。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。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(cè)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)。 搏信號(hào)的頻率范圍在 － 20Hz 之間，小于工頻 50Hz，因此必須通過(guò)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。 被測(cè)量 電量 敏感 元件 轉(zhuǎn)換 元件 基本轉(zhuǎn) 換電路 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 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(zhǎng)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過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小， BPW83 型紅外接收二極管無(wú)法區(qū)別有脈搏和無(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。光電傳感器電路原理圖如圖 22所示。 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(cè)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(cè)量過(guò)程當(dāng)中要保持測(cè)量背景光的恒定，減少背景光的干擾。 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(duì)工頻信號(hào)干擾的抑制是保證脈搏信號(hào)測(cè)量精度的主要措施之一。在信號(hào)采集過(guò)程中，工頻、人體位移、呼吸作用等都會(huì)對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)生干擾，所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理。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。可以減小信號(hào)源的影響，增強(qiáng)信號(hào)的拾取能力，使輸出穩(wěn)定 。它的電源范圍寬 (177。 18V)，體積小 ,功耗低 (最大供電電流僅為 A)，因而經(jīng)常使用在低電壓、低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。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。 AD620 原理圖如圖 23 所示。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(guò)計(jì)算 RG =R3=500Ω，交流信號(hào)由 3 引腳輸入經(jīng)放大后通過(guò)低通濾波器進(jìn)行處理。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 圖 23 AD620 原理圖 AD62012348765RgIN+INVsRg+VsOUTPUTREFTOP VIEW 圖 24 AD620 封裝引腳圖 8 16234 5 7+5VGND5VAD620R3500AD620 圖 25 信號(hào)初級(jí)放大電路 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 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(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的 電子裝置。有源濾波和無(wú)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。本文采用二階有源低通濾波器對(duì)經(jīng)初級(jí)放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波處理。 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(jiǎn)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。 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。 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)。 (2)即插即用。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(cè)到這個(gè)連接，并加載合適的驅(qū)動(dòng)程序。 USB 端口支持多個(gè)外設(shè)的連接，采用“菊花瓣”式的連接方式。 (4)低成本。 (5)性能可靠。 (6)提供電源。另外， USB 支持低功耗模式，如果其連續(xù) 3ms 沒(méi)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。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)。 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(guò) 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。 (2)電源 主要包括兩方面：電源分配：即 USB的設(shè)備如何通過(guò) USB分配得到由主計(jì)算機(jī)提供的能源；電源管理：即通過(guò)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。每一次總線執(zhí)行動(dòng)作最多傳送三個(gè)數(shù)據(jù)包。 (5)USB設(shè)備 USB設(shè)備分為諸如集線器、分配器或文本設(shè)備等種類。 當(dāng)設(shè)備被連接、