基于STC89C52的多通道脈搏采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　自20世紀(jì)50年代以來，對于脈學(xué)的理論、脈診方法、臨床診斷和實(shí)驗(yàn)研究等方面均開展了大量工作，取得了較大的進(jìn)展。英國人Marey最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波。1860年首次出現(xiàn)杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1890年開始采用換能的方式，出現(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器。20世紀(jì)50年代我國學(xué)者朱顏首次將杠桿式脈搏描記器引用到中醫(yī)脈診的研究中來。自70年代至今，研究人員已研制出種類繁多的換能器以模擬中醫(yī)切脈的手指，采集并記錄了脈搏信號。

　　國內(nèi)外典型的脈象診斷儀如：由北京醫(yī)療器械總廠生產(chǎn)的BYS-14型脈象儀和北京斯脈福生產(chǎn)的28脈脈象儀能對脈搏波進(jìn)行檢測重現(xiàn)，并能識別臨床中醫(yī)常見37種脈象圖。ZM-Ⅲ型智能脈象儀由上海中醫(yī)藥大學(xué)研制，是我國當(dāng)前較先進(jìn)的一種脈象儀，能自動(dòng)采集脈象信號，并將中醫(yī)脈象的位、數(shù)、形、勢和脈圖的各項(xiàng)特征參數(shù)作自動(dòng)分析處理。為了達(dá)到分層取脈的目的，日本Colin公司研制生產(chǎn)的CMB-3000/2000型橈動(dòng)脈脈波檢測儀利用張力法測量原理進(jìn)行無損傷連續(xù)血壓監(jiān)測。

　　本文主要從脈搏傳感器的選擇，信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，取脈壓力的自動(dòng)控制以及信號的初步處理等方面介紹寸、關(guān)、尺三處脈位在浮、中、沉等不同狀態(tài)下的信號采集，為脈診客觀化的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

　　1 脈搏信號的特點(diǎn)

　　脈搏信號的特點(diǎn)如下：

　　(1)強(qiáng)干擾下的微弱信號。由于脈搏信號幅度很小，大約是微伏到毫伏的數(shù)量級范圍。因此，極容易引入干擾，這些干擾有來自50 Hz的工頻干擾，有來自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來的假象信號等。

　　(2)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0.5～4 Hz，一般情況下為1 Hz左右，脈搏信號可看成一個(gè)準(zhǔn)直流信號，也可看成是一個(gè)低頻交變信號。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人脈搏能量絕大多數(shù)分布于1～5 Hz，而病人脈搏在1 Hz以下和較高頻段(如5 Hz以上或10 Hz以上)仍有相當(dāng)一部分的能量分布。

　　(3)復(fù)雜且易變的隨機(jī)信號。脈搏信號因人體生理、病理、心理的不同而不同，又受環(huán)境、時(shí)間、氣候的影響，表現(xiàn)出同一個(gè)人在不同的時(shí)間、地點(diǎn)有不同的脈象，有時(shí)也會(huì)有不同的疾病表現(xiàn)出相同的脈象。

　　2 采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

　　(1)傳感器的選取。由于不同類型的傳感器原理不同，所獲取的原始波形也是不盡相同的。本系統(tǒng)中，選用的傳感器是BP300T壓力傳感器和PVDF壓電薄膜傳感器。

　　(2)隔離、放大、濾波整形電路等硬件電路的設(shè)計(jì)。

　　由于所提取的信號非常微弱，且富于變化，需要附加多重濾波電路。

　　(3)以STC89C52為核心的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)理的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換，采集到單片機(jī)中，并立即通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

　　(4)壓力自動(dòng)控制。通過單片機(jī)對氣泵和電磁閥的控制，達(dá)到對腕帶壓力實(shí)時(shí)控制的目的。

　　(5)脈搏波形重現(xiàn)。通過上位機(jī)軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，外設(shè)電路由傳感器，信號調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換器組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　系統(tǒng)部分功能如下：

　　壓電傳感器 作為測量電路的最前端，其作用是將脈搏的動(dòng)態(tài)信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，方便采集，是整個(gè)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵。

　　BP300T壓力傳感器 用于對整個(gè)加壓過程的壓力監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)在不同的取脈壓力下對脈搏信號進(jìn)行采集。

　　前置放大和二級放大電路 對微弱的脈搏生物信號進(jìn)行合適的放大，使其滿足電壓的轉(zhuǎn)換條件。

　　帶通濾波電路 脈搏波信號微弱，頻率低，容易受到外界干擾，所以必須使用濾波器將信號頻帶外的干擾去除。

脈搏傳感器的選擇對于整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。脈搏傳感器的基本功能就是將切脈壓力和橈動(dòng)脈搏動(dòng)壓力這樣一些物理量(非電量)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(fù)性和線性，可以重復(fù)使用，而且測得的數(shù)據(jù)具有一定的精度;其次，環(huán)境溫度對其影響較小，可以保證在較大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具有一定的精度;同時(shí)，還需具有一定的靈敏度和穩(wěn)定性。

　　3.1.1 SC0073傳感器

　　該傳感器采用壓電復(fù)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(dòng)傳感器，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗過載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡便等特點(diǎn)。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(dǎo)致其無法與腕帶方便的配合。

　　3.1.2 HK-2000B脈搏傳感器

　　HK-2000B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(bǔ)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(diǎn)是靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過載能力大、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由HK-2000B提取信號繪制的脈搏波形清晰穩(wěn)定，使用時(shí)無需搭建前置放大電路，但體積過大，無法對三個(gè)脈位進(jìn)行同時(shí)測量。

　　3.1.3 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(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，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(biāo)均符合要求，而且得到的脈搏波形與HK-2000B獲得質(zhì)量相當(dāng)。綜合以上對比，本設(shè)計(jì)方案中選取PVDF壓電傳感器作為脈搏測量傳感器。

　　3.1.4 BP300T壓力傳感器

　　本系統(tǒng)中使用BP300T壓力傳感器監(jiān)測腕帶壓力。BP300系列壓力傳感器是專為電子血壓計(jì)開發(fā)的一款壓力傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　3.2 信號調(diào)理電路

　　脈搏信號處理電路主要是對檢測到的微弱脈搏電信號進(jìn)行信號處理，并濾去多余的噪聲信號?？紤]到脈搏信號為超低頻信號，極易引入工頻干擾，而且采集到的脈搏電壓信號幅度通常在0～20 mV之間，并不符合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的范圍(一般為-5～+5 V)。鑒于以上特點(diǎn)，PVDF脈搏傳感器和壓力檢測傳感器均使用以下調(diào)理電路。

　　3.2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)分析

　　前置放大電路對于脈搏波信號采集來說至關(guān)重要，考慮到脈搏信號的特點(diǎn)，為了放大噪聲環(huán)境中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。基于以上分析，選用ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的低功耗、高精度儀表放大器AD620作為前置放大的核心器件。

　　圖3是AD620的簡化示意圖，AD620由三個(gè)放大器組成，其內(nèi)部采用“三運(yùn)算放大器”典型電路，僅需要一只外接電阻便可使增益在1～1 000之間任意調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)是通過1腳和8腳間的阻抗Rg來實(shí)現(xiàn)的。AD620管腳圖如圖4所示。前置放大電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　3.2.2 帶通濾波電路

　　帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過、同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。可以由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組合而成。

　　本系統(tǒng)的濾波電路采用雙運(yùn)放LM358。LM358是雙運(yùn)放集成電路，封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式，其管腳圖如圖6所示。它內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。其主要特性：短路保護(hù)輸出;真差動(dòng)輸入級;單電源工作：3.0～32 V;低輸入偏置電流;具有內(nèi)部補(bǔ)償;共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源。帶通濾波電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　其目的是把信號放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的要求，從而使前置放大器的放大倍數(shù)不至于太高而產(chǎn)生波形的失真。因?yàn)榍爸梅糯蠛笮盘柕拇笮?0 mV，因此后級放大倍數(shù)為100。二級放大電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)

　　本系統(tǒng)中采用美國TI公司生產(chǎn)的多通道、低價(jià)格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543，這款芯片除了高速的A/D轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，內(nèi)部還有14個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道，其中11個(gè)通道可以作為外部輸入的模擬電壓，3個(gè)通道是芯片內(nèi)部的自測電壓。其采樣一保持功能自動(dòng)進(jìn)行，管腳圖如圖9所示。

　　本系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)，可重復(fù)燒寫10萬次。STC89C52完全兼容AT89C51，AT89C52等系列單片機(jī)。

　　3.4 壓力控制模塊

　　壓力控制模塊由充氣泵、充氣電磁閥、放氣電磁閥組成，控制核心是單片機(jī)，用三極管作為控制開關(guān)，如圖10所示，充氣泵和充氣電磁閥配合使用，對整個(gè)測量過程進(jìn)行加壓，減壓時(shí)充氣泵、充氣電磁閥關(guān)閉，放氣電磁閥打開使腕帶壓力減小?！　?/p>

　　3.5 電源

　　系統(tǒng)中AD620和LM358都需要±5 V供電，充氣泵、電磁閥以及單片機(jī)需+5 V電源，為滿足條件提出以下方案。

　　3.5.1 基于ICL7660的電源設(shè)計(jì)

　　ICL7660是Maxim公司生產(chǎn)的小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器。利用該轉(zhuǎn)換芯片可以方便的產(chǎn)生所需電壓。其設(shè)計(jì)原理如圖11所示。　　

　　3.5.2 LM2940電源模塊

　　為了避免引入50 Hz工頻信號對電路的干擾，因而選用干電池供電，干電池提供的電壓為7.5 V。為了達(dá)到較好的供電質(zhì)量，在電路中選擇LM2940穩(wěn)壓芯片，將7.5 V左右的電壓穩(wěn)定到5 V。如圖12所示。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和比較，方案二中的設(shè)計(jì)較第一種設(shè)計(jì)更為穩(wěn)定、便攜，故使用該設(shè)計(jì)方案。

脈搏信號在上位機(jī)上的顯示界面采用Visual Basic6.0創(chuàng)建，并利用其中的MSComm通信控件實(shí)現(xiàn)串行通信，所有的控制均通過人機(jī)交互界面直接操作，顯示界面如圖13所示。其中MSComm通信的函數(shù)說明如下：CommPort：設(shè)置或返回通信端口號;Settings：設(shè)置初始化參數(shù)，以字符串形式設(shè)定波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位;PortOpen：設(shè)置或返回通信端口的狀態(tài)，同時(shí)可打開和關(guān)閉端口;Input：用于從接收緩沖區(qū)返回并刪除字符;Output：用于向發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)或一個(gè)字符串。獲得的測量數(shù)據(jù)在Matlab中進(jìn)行處理和分析，仿真結(jié)果如圖14所示。

　　5 結(jié)語

　　通過對傳感器、放大電路、濾波電路、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)方面詳細(xì)的介紹，完成了多通道脈搏信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，采集到的信號清晰平穩(wěn)，噪聲基本濾除，整個(gè)系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。提取到的信號通過Matlab軟件最終可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜脈象的識別。

.

.