心率采集處理電路

SoC 技術是一項很重要的電子應用技術，十分適合將其用于生物工程領域。為了滿足低電壓、低功耗的需要，本次系統設計選擇SoC 技術用于生物信號處理。

心率是一項重要的生理指標。它是指單位時間內心臟搏動的次數，是臨床常規診斷的生理指標。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。在混合信號SoC 的設計中，電路可以被分成兩部分，模擬電路部分和數字電路部分。其中模擬電路很容易被數字電路干擾，這是因為數字電路部分本身就是一個高頻的噪聲源。作為一個混合信號的SoC，怎樣處理模擬模塊和數字模塊的連接問題是一個挑戰。

心率檢測的SoC 系統框圖

用混合信號SoC 設計心率信號的處理系統，就需要低功耗和低電壓的供給，所以電源電壓為3.3V。系統框圖如圖一所示。

圖1 系統框圖

在圖一中，傳感器采用的是紅外光電式傳感器，用于把原始的心率信號轉變為微電壓信號。信號調理電路包括放大器、濾波器和比較器。調理電路的輸入信號是傳感器采集進來的原始心率信號，它的輸出信號則是有一定電壓幅度的脈沖信號。C51 處理部分是數字信號中央處理單元，它的輸入信號是上面提到的脈沖信號，輸出的是心率數據，最后通過CPU 核把信號顯示出來。CPU 核是EZL-8051。

3 心率信號的采集

將一對紅外線發射與接收探頭置于動脈一側，當指尖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。

圖2 是單光束直射取樣式光電傳感器。這類槽型光耦由高功率的紅外光電二極管和紅外光匹配性能強、透鏡敏感度高、集電極電流范圍大的光敏三極管組成。由于血液中的血紅蛋白對近紅外線具有吸收作用的生物效應，因而此類傳感器靈敏度高、輸出信號穩定。其性能指標如表1 所示。

（a）外觀圖 b）內部結構示意圖

圖2 單光束直射取樣式光電傳感器

表 1 單光束直射取樣式光電傳感器的技術指標

經紅外光電傳感器采集到的原始心率信號的波形如圖3 所示。

圖3 紅外光電傳感器采集到的原始心率信號波形

由圖3 可知，通過紅外光電傳感器采集到的原始心率信號極其微弱（變化幅值在±10mV之間），非常容易受到外圍電路的干擾。因此，系統必須單獨為信號調理電路提供電源。同時，電路板的布局布線也會對信號產生較大的影響。因此，在設計電路板時要對主要信號線與電源地線進行設計。根據圖3 所示的原始心率信號波形可以得到波形整體的變化趨勢，但其中摻雜了很強的雜波和干擾信號。因此，要對傳感器采集到的心率信號進行放大、整形和濾波處理。其中放大整形電路如圖4 所示。

圖4 放大整形電路

圖4 中的虛線框部分為紅外光電傳感器。圖中兩個三極管構成了達林頓管，可以有效地防止可見光的干擾，對采集到的微弱心率信號也有較好的增益。傳感器采集到的心率信號（圖中A 點）經過一級放大和整形后的信號波形（圖中B 點）已經比較平滑，B 點信號的變化幅值為0.8V 左右，但還存在一定程度的電壓偏置量。經第二級放大可得0～10V 的脈沖信號（圖中C 點），并且已去除掉大部分干擾，信號也相對穩定，同時也去掉了電壓偏置量。放大整形電路的輸出信號波形（即圖中C 點信號的波形）如圖5 所示。

圖5 放大整形電路的輸出信號波形

由圖5 可以看出，輸出信號具有標準的上升沿和下降沿，且電壓變化量為標準量。

心率采集處理電路工作的基本過程

心率采集處理電路如圖所示。該部分電路主要由脈搏次數紅外檢測采集電路模塊、信號抗干擾電路模塊、信號整形電路模塊等三個主要的電路模塊組成。其中，紅外線發射管D1和紅外線接收管Q1組成了紅外檢測采集電路;R2與C1、C2與C3、 R4與C4和IC1a共同構成了信號抗干擾電路組，它們分別承擔了對信號的低通濾波、干擾光線的光電隔離、殘余高頻干擾的濾除等任務。另外，IC1b、 C5與R10、IC1c則共同組成了信號整形電路模塊。

首先，紅外檢測采集電路中D1發射紅外線，而Q1則接收相應組織的半透明度，同時轉換為電信號。由于脈搏一般在50次/分~200次/分之間，對應的頻率范圍在0.78Hz~3.33Hz之間，因此經紅外檢測采集到并轉換得到的電信號頻率就非常低。為了防止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結果有誤，信號就必須先進行低通濾波，以便濾出絕大部分的高頻干擾。電路中采用R2和C1來完成濾除高頻干擾的任務。

然后，由于本心率計設計的適用場所為室外，因此它必然會遇到強光輻射的情況。為了避免在接收正常脈搏紅外線時受到強光的干擾，電路中設計使用C2、C3背靠背串聯組成的雙極性耦合電容構成一個簡單的光電隔離電路，從而實現了對于干擾光線的隔離。此外，為了防止前面對于高頻干擾濾除的不夠徹底，電路中還設計連接了由IC1a、R4、C4組成的截止頻率為10Hz左右的低通濾波器電路，以便進一步濾除干擾，同時將前面的信號放大200倍左右。

經前面處理得到的信號為疊加有噪聲的脈沖正弦波，接下來必須對這個信號經過整形。先是通過比較器IC1b將正弦波轉換成方波。利用R8可以實現將比較器的閾值調定在正弦波的幅值范圍之內的目的。接下來，從IC1b的7引腳輸出的方波信號經C5、R10構成的微分電路，進行微分處理后將成為正負相間的尖脈沖。為了穩定脈沖的輸出，電路設計時是將此脈沖輸入到單穩多諧振蕩器IC1c的反相輸入端，并利用IC1c的輸出來作為后極工作的實際使用脈沖。

IC1c在工作時，凡有輸入信號時，它會在輸入信號后沿到來時輸出高電平，從而使C6通過R11充電。大約持續20ms之后，IC1c同相輸入端的電位會因C3充電電流減小而降低，當此電位低于反相輸入端的電位時（尖脈沖已過去很久）， IC1c就將改變狀態并再次輸出低電平。這20ms的脈沖時間是與脈搏同步的，這種脈沖在電路工作時是與紅色發光二極管D3的閃爍情況相對應的。

經過IC1c之后的脈沖就是后面單片機控制電路所需的實際脈沖，通過R12送到單片機P3.3引腳后，就可實現后面的計數和顯示了。

IC1a、IC1b、IC1c工作所需的4.5V電源電壓，在電路中是通過R14、R15對9V分壓并經IC1d緩沖而得到的。這樣的設置，就使得即使電池電壓降低到6V，本電路也能實現正常工作。