基于ADC841的脈搏測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

引言
　　脈搏測(cè)試儀是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人脈搏跳動(dòng)次數(shù)的電子儀器，也是心電圖的主要組成部分，因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上具有重要的作用。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)確等多種功能的便攜式全數(shù)字脈搏測(cè)量裝置很少。隨著人們生活環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件的改善，以及文化素質(zhì)的提高，其生活方式，保健需求以及疾病種類(lèi)、治療措施等發(fā)生了明顯的變化。但在目前，我國(guó)的心腦血管疾病仍呈逐年上升趨勢(shì)。其發(fā)病率和死亡率均居各種疾病之首，是人類(lèi)死亡的主要原因之一。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。
　　從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來(lái)都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。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。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形)、強(qiáng)度(波幅)、速率(波速)和節(jié)律(周期)等方面的綜合信息，在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征，因此對(duì)脈搏波采集和處理具有很高的醫(yī)學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。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。
1 基本結(jié)構(gòu)模塊
　　1．1 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。近年來(lái)光電檢測(cè)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很快，這主要是由于光能避開(kāi)強(qiáng)烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢測(cè)病人各種癥狀信息。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。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了指套式的透射型光電傳感器，實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。
　　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。所用光電式傳感器由發(fā)光二級(jí)管和光敏二極管組成，其工作原理是：發(fā)光二極管發(fā)出的光透射過(guò)手指，經(jīng)過(guò)手指組織的血液吸收和衰減，由光敏二極管接收。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。
　　1．2 脈搏信號(hào)拾取電路
　　紅外接收二極管在紅外光的照射下能產(chǎn)生電能，單個(gè)二極管能產(chǎn)生0．4_V電壓，0．5mA電流。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。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大。在圖1中，R0選100 Ω是基于紅外接收二極管感應(yīng)紅外光靈敏度考慮的。R0過(guò)大，通過(guò)紅外發(fā)射二極管的電流偏小，PBW83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)。反之，R0過(guò)小，通過(guò)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(wú)脈搏時(shí)的信號(hào)。當(dāng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光直接照射到紅外接收二極管上時(shí)，IC1B的反相輸入端電位大于同相輸入端電位，Vi為“0”。當(dāng)手指處于測(cè)量位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二種情況：一是無(wú)脈期，雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是，由于紅外接收二極管中存在暗電流，仍有1 μA的暗電流會(huì)造成Vi電位略低于2．5V。二是有脈期，當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收二極管中的暗電流減小，Vi電位上升。

　　1．3 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。傳統(tǒng)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)電路都采用高增益放大器，以獲得較高的檢測(cè)靈敏度，這種設(shè)計(jì)思路導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍縮小，在受到運(yùn)動(dòng)干擾時(shí)，將導(dǎo)致由于干擾信號(hào)而帶來(lái)的光電脈搏波信號(hào)檢測(cè)的飽和失真。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。因此本系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換而不需要任何信號(hào)調(diào)理(放大和濾波)電路。
　　1．4 過(guò)采樣技術(shù)的應(yīng)用
　　所謂過(guò)采樣技術(shù)是指以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣頻率的頻率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣的方法。由信號(hào)采樣量化理論可知，若輸入信號(hào)的最小幅度大于量化器的量化電平，并且輸入信號(hào)的幅度隨機(jī)分布，則量化噪聲的總功率是一個(gè)常數(shù)，在0～fs的頻帶范圍內(nèi)均勻分布。因此量化噪聲電平與采樣頻率成反比，如果提高采樣頻率，則可以降低量化噪聲電平，而由于基帶是固定不變的，因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高了信噪比，從而提高分辨率，并且采樣頻率每提高4 倍，則信噪比提高4倍，相當(dāng)于A／D的分辨率提高1位。
2 軟件設(shè)計(jì)
　　2．1 程序設(shè)計(jì)
　　本文選用ADI公司的單片機(jī)ADC841，其內(nèi)部集成了速度可達(dá)400k的12位逐次逼近型ADC，分辨率為0．6mv／LSB。從軟件需求和單片機(jī)速度出發(fā)，將ADC采樣率fs定為102．4kHz，為便于計(jì)算，將過(guò)采樣倍數(shù)k定為64，則下抽取后采樣率為偽：fs／k=1600Hz，是頻率為 400Hz載波的四倍，滿足奈奎斯特采樣定理。由于過(guò)采樣倍數(shù)k為64，按每提高4倍采樣率就能提高一位分辨率來(lái)計(jì)算，獲得的ADC有效分辨率能提高3 位，最后能達(dá)到約15位精度，其分辨率可達(dá)到0．0763mv／LSB。設(shè)置ADCCON1=#0B2H，ADCCON2=#00H。定時(shí)器2是一個(gè)具有 16位自動(dòng)重裝載功能的定時(shí)器，作定時(shí)器用時(shí)，TH2和TL2計(jì)的是機(jī)器周期數(shù)，TH2和TL2內(nèi)容的自動(dòng)重裝載通過(guò)寄存器RCAP2H和RCAP2L來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)這四個(gè)寄存器都進(jìn)行初始化，自動(dòng)裝載值為#0FFCAH。
　　2．2 程序源代碼

3 結(jié)束語(yǔ)
　　本系統(tǒng)模擬電路簡(jiǎn)單，由ADC841芯片實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)采集，信號(hào)處理和脈搏次數(shù)的計(jì)算等功能，因此體積小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)脈搏波的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)并可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)(PC機(jī))的實(shí)時(shí)通訊， 因此可作為多參數(shù)病人中心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)模塊完成心率檢測(cè)和脈搏波形顯示。