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一种新型脉搏测量仪的设计和实现*
吴若瑜,扈兆月,叶 溪,钱 鹏
（天津理工大学电气电子工程学院,天津 300384）
摘 要：针对传统脉搏测量方法的不足,设计了一种基于光电容积法的新型脉搏测量仪,其测量系统以Arduino平台作为系统的核心控制部分,采用光电传感器采集人体脉搏信号,将采集到的信号经由滤波电路、放大电路处理后送入到模数转换器,最终数据经由Arduino平台进行缓存,在收到上位机读数命令后,通过蓝牙模块将数据无线传输到上位机进行存储和显示,笔者指出该新型脉搏测量仪能够准确测量人体脉搏信息、准确计算人体心率,具有方法简单、操作简便、佩戴方便、可靠性高等特点.
关键词：脉搏测量；光电容积法；光电传感器；Arduino；AD；无线传输
中图分类号：TP212.1+4；TN79+2；R319文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.05.066
通过观察测量脉搏的强度、速率、形态,可获取人体心脑血管的健康状况信息.对脉搏信息的测量是提取人体生理信息的重要手段[1],也是临床诊断的重要依据,因此研究脉搏信息的测量意义十分重大[2].传统脉搏测量方法主要分为心电信号提取法和血压压力波动测量法,这两种方法虽然都可准确提取脉搏信息[3],但是其信息采集过程都会限制病人活动,如果长时间使用会增加病人生理和心理的不舒适感[4].笔者采用光电容积法来进行脉搏信息的测量,测量系统以Arduino平台作为系统的核心控制部分,采用无线蓝牙技术进行数据的交互和传输,新型脉搏测量仪有效克服了传统脉搏信息测量方法的不足,具有方法简单、操作简便、佩戴方便、可靠性高等特点.
1 系统总体结构设计
图1为新型脉搏测量仪总体结构图.在新型脉搏测量仪中,系统的核心控制部分选用Arduino平台[5]；系统的模数转换器选用美国亚德诺半导体（Analog Devices,AD）公司生产的AD7482模数转换器；系统的蓝牙模块选用XM-15B蓝牙串口模块（蓝牙4.0协议）,该模块适用于大多数的安卓手机和电脑.
新型脉搏测量仪的系统工作流程为：光感受器感知到光信号后,以电压的形式输出到滤波电路,滤波电路将输入的信号经过滤波后,交由放大电路进行放大,放大电路将模拟信号调整到AD7482模数转换器可以接受的输入电压范围.AD7482模数转换器在Arduino平台的控制下完成对模拟信号的数字化过程,在整个模数转换过程中,AD7482模数转换器的采样时钟都是由Arduino平台提供的.AD7482模数转换器完成一次模拟信号的数字化转换后,在Arduino平台的控制下首先将采集结果存放在Arduino平台的缓存当中,当收到读数命令后,将缓存的数据发送给蓝牙模块.当新型脉搏测量仪系统需要读取数据时,首先计算机通过蓝牙模块将读数命令传输给测量仪端的蓝牙模块,其次蓝牙模块再将读数命令传送给Arduino平台,接着Arduino平台在收到读数命令后将自己监测到的数据依据读数命令要求依次发送给蓝牙模块,然后蓝牙模块再将数据通过无线方式传送给上位机,最后由上位机软件将数据进行接收、存储和显示.
2 硬件电路设计
光电容积法是依靠组织在血管搏动时造成光的透过率不同来进行脉搏测量的方法.基于光电容积法的光电传感器,其光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长的发光二极管.当光束透过人体外周血管,由于动脉搏动,充血容积变化,导致这束光的透过率发生改变,此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线后转变为电信号并将其放大和输出[6].基于光电容积法的光电传感器采用峰值波长为515 nm的绿光LED,型号为AM2520；而光接收器采用APDS-9008环境光感受器,感受峰值波长为565 nm.两者的峰值波长相近,灵敏度较高,由于信号幅值较小,容易受干扰,因此还需要增加滤波电路和放大电路作后端处理.
新型脉搏测量仪的抗混叠滤波器采用自组二阶压控低通滤波器.二阶压控低通滤波器的传递函数可表示为
二阶压控低通滤波器的加法电路采用OPA2340运算放大器,其电路原理见图2.
新型脉搏测量仪的适配放大器选用美国得州仪器（Texas Instruments,TI）公司生产的技术水平先进的TLC2272适配放大器,其电路原理见图3.
TLC2272适配放大器的左端与光电传感器的输出信号连接,右端与可控增益放大器LTC6910连接.电压的放大倍数为
Aup 等于 uo / ui 等于 -RF /R1 .（5）
输入阻抗为
Rif 等于 R1 .（6）
3 软件设计
新型脉搏测量仪的主要功能是完成对脉搏信号的感知和测量.在进行脉搏信号测量时,首先处于待触发状态,等待上位机测量命令；收到上位机测量命令后,系统进入外部测量服务程序.对脉搏信号的测量采用边沿触发的方式,当一个脉搏信号到来时,触发一次测量,脉搏数量加一次.在进行脉搏测量的同时,定时器还在进行计时工作,当时间达到预设时间后,系统停止工作,此时根据脉搏数量和时间值就可以计算人体脉搏信息.图4为外部测量服务程序总体流程图.
系统无线传输采用的是XM-15B蓝牙串口模块,通过该模块完成测量数据到上位机的数据上报,同时还要接收上位机的控制命令,整个过程都是通过Arduino平台对XM-15B蓝牙串口模块的控制来完成的.图5为通信程序流程图.
4 系统实现
笔者采用测试系统,对新型脉搏测量仪的采集准确性进行了验证.
将新型脉搏测量仪的系统参数设置如下：采样频率为2 MHz,输入信号频率设置为100 Hz,输入信号最大值为1.4 V,最小值为0.15 V,输入信号为正弦波.图6为新型脉搏测量仪的输入信号采集结果及其展开图.
在图6-b中,第一个取点处为第104 331个点,第二个取点处为第124 335个点,因此X为
20 004个点.经过计算可知,这与系统参数设置的采样频率2 MHz吻合.
笔者对新型脉搏测量仪的脉搏测量能力进行了验证.图7为实测数据的软件界面.
从图7可以看出,新型脉搏测量仪既能够准确记录人体脉搏波形,又能够准确计算人体心率,上位机软件操作方便.
5 结束语
新型脉搏测量仪能够准确感知人体脉搏信息,能够将脉搏信号进行滤波放大处理,其中的模数转换模块能够准确完成模拟到数字信号的转换,核心控制单元Arduino平台能够接收上位机控制命令,能够将脉搏新型进行缓存,在需要的时候能够通过蓝牙模块无线传输到上位机进行显示和存储.实验结果表明,新型脉搏测量仪操作简便,能够准确测量人体脉搏信息,达到了设计要求.
脉搏测量仪论文范文结:
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