（生物物理学专业论文）便携式肌血氧检测系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 人体组织的血氧变化参数作为一个非常重要的生理生化指标，已被运用于运动生 理、临床医学、实时监护等各个方面，用来对人体机能进行检测与评定。基于近红外 光谱技术的血氧检测系统不但具有较高的准确性，对被检测者不会造成创伤，而且非 常适合于实时连续检测，克服了传统离体检验法的一些缺陷。 作者从实际需求出发，以近红外光谱技术为理论基础，提出了将肌血氧检测系统 便携化的方案，并应用现代电子技术和低功耗设计，开发出一套便携式肌血氧检测系 统。 本文研究的内容主要分为四个部分：第一部分介绍近红外光谱技术的原理和光在 组织中传播的特性，并在此基础推导出实用算法公式；第二部分针对系统便携化的要 求，提出了系统高集成度、低功耗设计的观点，并根据实践总结出一系列解决方法； 第三部分对整个系统进行描述，并详细介绍了传感器和主机部分电路的设计，最后还 对p c b 抗干扰的若干问题加以讨论：第四部分首先通过血细胞呼吸模型实验证明了系 统的可行性，然后通过人体运动实验验证了系统的实用性，最后对实验结果进行了分 析讨论。 关键词：近红外光谱技术低功耗便携式血氧检测系统 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n tp h y s i o l o g ya n db i o c h e m i s t r yi n d e x e s ，t h ep a r a m e t e r so ft h eb l o o d a n do x y g e no fh u m a n b e d y t i s s u eh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so f s p o r tp h y s i o l o g y , c l i n i c a lm e d i c i n ea n dr e a l - t i m em o n i t o rt od e t e c ta n da s s e s st h es t a t eo f h u m a n b e i n g sb e d y t h eo x i m e t e r sb a s e do nt h et h e o r yo fn e a ri n f r a r e df n m ) t e c h n i q u eh a sh i g ha c c u r a c yn o t o n l y , b u tw i l ln o ti n j l i f et h es u b j e c t s t h e ya r ea p p r o p r i a t ef o rr e a l - t m a ea n dc o n s e c l r t i v o i n s p e c t i o n t h es h o r t c o m i n g so f t h et r a d i t i o n a lm e t h o d - - v i t r om e a s u l 七a 玛o v a l c o m ei n t h i sk i n d o f s y s t e m f o rt h er e q u i r e m e n to fa c t u a la p p l i c a t i o n s , a u t h o rm a d eo u tar e s o l u t i o no fap o r t a b l e o x i m e t e rb a s e d0 1 1t h et h e o r yo fn e a ri n f r a r e d ( n i r ) t e c h n i q u ea n dd e v e l o p e da na p p a r a t u s w i t l ll o w - p o w e r d e s i g n t h i sp r o j e c tw a sd e s c r i b e di nf o u rp a r t sm a i n l y ：t h ef i r s tp a r ti n u o d u c e dt h et h e o r yo f n e a ri n f x a r e d a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f l i g h tt r a n s m i s s i o ni nt i s s u e t h ea r i t h m e t i cw a s d e d u c e db a s e d0 nt h et h e o r y ；t h es e c o n dp a r tg a v eo u tav i e w p o i n to fh i g h - d e n s i t ya n d l o w - p o w e rd e s i g n , a n ds u m m a r i z e das e r i e so fr e s o l u t i o n s f r o mp r a c t i c e ；t h et h i r dp a r t d e s c r i b e dt h ew h o l e s y s t e m ，d e t a i l e d t h ec i r c u i td e s i g no f s e n s o ra n dh o s tm a c h i n e ，a n dt h e n s o m ep r o b l e m sa b o u tp c b a n t i - j a m m i n gw e r ed i s c u s s e d ；t h el a s tp a r tv e r i f i e dt h es y s t e m s f e a s i b i l i t yv i a t h ee x p e r i m e n t so fc e l l - b r e a t hm o d e la n dv a l i d a t e dt h es y s t e m sp r a c t i c a b i l i t y b y t h er i v ee x p e r i m e n t s ，t h e na 蚰l y z e dt h et e s tr e s u l t si nt h ee n d k e y w o r d ：n e a r i n f r a r e df n i r ) t e c h n i q u e l o w - p o w e rp o r t a b l e o x i m c t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：括l 扔 日期：l 弦￥年 月可日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：毽摹乙 日期：枷和年5 月寥日 指导教师签名：贼适 日期：挣矽年r 月子旦 华中科技大学硕士学位论文 1 1 检测肌血氧的意义 1 绪论 肌血氧检测在运动生理学上有着重要的意义。在竞技运动水平愈来愈高、竞争愈 来愈激烈的今天，对运动员各项生理生化参数进行检测，并运用生理生化指标对运动 员的身体机能进行检测与评定，显得尤为重要。肌血氧的有关参数就是一类非常重要 的生理生化参数，通过它可以对运动员承受运动训练负荷的能力、现实身体机能状况、 训练的科学性和有效性等进行诊断。在训练的过程中，训练负荷太小，运动能力提高 不明显：训练负荷过大，不仅不能提高运动能力，反而损害身体健康。人体肌肉组织 的血氧变化客观地反映了机体所承受运动负荷，因此，国内外体育科研工作者和教练 员十分重视运用这个参数指标准确、及时地了解运动员的身体机能状况，合理地安排 和调整训练计划，避免过度疲劳，减少运动损伤，最大限度地提高运动成绩。以此帮 助培养优秀运动员。对人体肌肉组织血氧变化进行跟踪检测对运动员选材、医务监督、 控制训练负荷、判断运动疲劳、防止过度疲劳和运动损伤的发生、有效地挖掘人体的 运动潜力、提高竞技能力等，均有十分重要的意义，并已经成为科学训练的重要环节。 肌血氧检测在临床医学上也有一定意义。侈6 如对于肢体瘫痪病人，如果瘫痪是由 神经疾病导致的，肢体肌肉的血氧系统仍是完好的，那么这类患者运动后，肌肉组织 的血氧变化和正常人类似；如果瘫痪是由线粒体类疾病造成，那么肢体肌肉的血氧系 统就被破坏，而患者运动后，肢体的肌肉组织的血氧变化和正常人有着很显著的区别； 这样就可以通过检测瘫痪病人运动前后的血氧变化，来对其进行区别，从而确定相应 的康复计划。 另外，肌血氧检测可以对特殊工作人员，如航天员、飞行员等在特殊环境下工作 的人员，进行实时的身体状况检测，以观察他们在特殊环境中的身体状况，保障他们 华中科技大学硕士学位论文 的身体安全。 1 2 技术背景 随着生物器械和生物化学技术的发展，检测人体肌肉组织血氧的方法也多种多样。 其中使用最普遍的是离体检验法，该方法是直接采集运动前后不同时间点的肌肉外周 静脉血样品【2 】，用生化技术定量分析样品中氧合血红蛋白质和还原血红蛋白的含量。 这种方法的优点是相关性好，检验结果准确：缺点一是该方法是有创检测，对人体有 损伤，二是不能连续观测血氧变化，只能通过多次采集，得到离散结果，而采血频繁， 极易造成感染。 另一种最近被广泛关注的方法是近红外光谱法 3 4 。这种方法发展于二十世纪初， h o r e c k e r 在1 9 4 2 年通过实验得到血色素及其衍生物在可见光和近红外光区域内的吸 收光谱 5 】。近红外光谱法第一次应用于在体血氧检测是在第二次世界大战中，用来检 测飞行员在非密闭驾驶舱中的血氧变化婀。同时期的m i l l i k a n 研制了从原理上能从前 额无创伤测量动脉血氧饱和度的探索装置。紧接着许多研究者如 b r i n k m a n , w o o d , s e k e l y , t a i t 等对无创伤测量动脉血氧饱和度和组织血氧饱和度的装置 进行了各自的研究。1 9 6 4 年s h a w 研制了一种八波长自身调整的血氧计，成为第一种 获得临床广泛应用的血氧计，如i - i p4 7 2 0 1 型耳血氧计1 7 。其后，发光二极管和光电三 极管的应用，使用于皮肤的光电传感器的体积大大减少。7 0 年代末，t a k a t a n 研制出 一种皮肤和组织反射型血氧检测装置；1 9 7 7 年，j 6 b s i s 首先实现了用n i r s 方法对猫脑 中氧合作用变化的在体监测嘲。进入8 0 年代，脉搏血氧计出现。这种仪器从指尖或耳 垂测量透射光，假设透射光的光强波动完全由动脉搏动产生，并由此计算动脉血氧饱 和度，从而使其进入了工业生产和临床实用阶段。 如今，近红外光谱法检测人体组织血氧变化的技术已广泛地应用于运动生理、临 床医学等各个领域，基于该技术的检测系统也不断出现。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题意义及文章内容 根据上文所述，利用近红外检测人体组织血氧的方法显然要比生化方法优越许多。 但是目前基于近红外技术的血氧检测系统由于体积较庞大、无法进行采集记录等缺点 而使其应用受到限制。 作者从实际需要出发，设计了一套便携化、可连续记录一段时间内的血氧数据的 肌血氧检测系统，既可用于检测病人运动中肌血氧变化，也可满足运动员室外训练同 时进行肌血氧参数检测的需要。 本文将围绕血氧检测和便携化设计的意义，从近红外血氧检测的原理入手，推导 出实用的算法，并据此设计了一套便携式血氧检测系统，最后通过一系列的实验对系 统进行了验证。 本文主要内容如下： 第二章主要介绍了近红外组织血氧检测的技术原理，这也是本文所述系统的理论 基础。本章以光在组织中的传播及相关参数的描述开始，以比尔定理为基础逐步引出 光在组织中传播的特性，并据此推导了系统设计所依赖的实用算法。 第三章提出了便携化设计的观点，把提高系统集成度和降低系统功耗作为便携化 设计的重点，并根据实践总结出一系列具体措施。 第四章首先对系统进行整体描述，并详细介绍了传感器和主机部分电路的设计， 最后还对p c b 抗干扰的若干问题加以讨论。 第五章结合血氧检测实验，介绍血细胞呼吸模型实验和人体运动实验的基本过程， 并对实验结果进行了分析，以评估系统性能。 第六章对全文进行总结，并对仪器后续工作提出展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 系统设计的原理 近红外光谱术利用与机体氧代谢密切相关的血红蛋白在与氧结合或解离的状态不 同时光吸收谱的不同，通过测定该光吸收谱的变化来连续、无创的测定目标生物组织 中的氧浓度及总血容量的变化。该方法具有安全可靠、连续实时及无损伤的特点，有 广泛的研究与应用前景。 近红外光谱技术是系统设计的理论基础，本章在b c c r - l a m b e r t 定律的基础上分析 了基于近红外光谱术的血氧检测原理，描述了光子在组织中迁移规律的扩散方程，讨 论了组织散射特性对测量造成的影响。本章还介绍了近红外血氧检测的算法原理，并 推导了能够实际应用到系统设计中的实用算法。 2 2 光在人体组织中的传播 在可见光与近红外波段生物组织通常表现出不透明的光学特性，这是因为生物组 织是由不同大小、不同成分的纽胞和细胞间质组成韵，在光学上我们通常把它称为混 浊介质朋【1 川光在人体组织中传播，主要伴随了吸收和散射两种过程f l l 】。 图2 1 无散射传播示意图 光经过吸收系数为a 。，厚度为，的无散射介质，光强由厶变为j ，当不考虑散射 时，光在组织中传播时只有吸收过程，如图2 1 ，可以用b e e r - l a m b e r t 定律来描述透 4 华中科技大学硕士学位论文 过介质的光强，与入射光强厶间的关系f 1 2 】： ，= l o e 4 “ ( 2 1 ) 式中c 是介质的浓度，表示光程，儿是吸收系数，它表示了光子在平均无限小自由 距离的吸收概率。 很多时候介质是多种物质的混合体，这时介质对入射光的总吸收量是介质中各色 团吸收量的迭加： j = ，。e 。；：，t 月c - 7( 2 2 ) 式中以( 一) 为混合体中单一色团的吸收系数，已为单一色团的浓度。 卜- z 图2 2 光在散射介质中的传播示意图 当考虑散射存在时，人体组织可以被看作散射介质，光的传播同时伴随了吸收和 散射两种过程。描述物质散射特性的参数是散射系数从，它表示光予在平均无限小自 由距离的散射概率。与无散射介质相比，存在散射时，光的传播路径不再是直线，可 以得到如下两点结论：( a ) 光的出射点广泛分布在介质的出射表面；c o ) 每个光子的传播 路径存在巨大差异。在这种情况下，每个光子的传播过程就不能采用2 1 式来表达， 而要采用修正的b e e r = l a m b e r t 定律： ，s o = e - 岛。”+ g ( 2 3 ) 式中z 为介质厚度，d p f ( t h e d i f f e r e n t p a 也l e n g t h f a c t o r ) 因子反映各个光子的不同的路径 长度，它与光子在传播过程中发生的散射事件的次数有关，即由散射系数以决定；g 是与皮肤、脂肪等外层组织光学特性和几何结构有关的常数损耗因子。 在生物体组织内，考虑到光子的散射角的影响，通常用简化散射系数 华中科技大学硕士学位论文 z ( 1 一g ) f l ；来表示散射系数，其中有0 6 9 s g 0 9 9 1 4 1 。在红光和近红外光范围内， 对于人体组织：的典型值约为l m m 1 ( o 5 1 0 m m 。) 【1 5 ，吸收系数则大约在 0 0 0 5 0 0 2 r a m 1 的范围内，可见丘远大于其吸收系数乜，这说明人体组织可视为高散 射低吸收的介质，光子在它们被吸收和逸出边界前将经历多次散射，而发生散射的过 程也是随机的。在这种情况下，光子在人体组织中的传播可以视为一个扩散过程【1 6 l 【17 1 。 当光源为连续波时，f e n g 等a t l 8 】提出了点对点探铡( 即点光源发光，点探测器接 受) 时光子光程分布函数的解析推导，如图2 3 。 图2 3 点对点光探测图 图为光在人体组织中光程分布的x - - z 平面图，光子光程呈“香蕉形”分布，入射点与出射点 的三维坐标分别为( 0 ，0 ，o ) 和( 吐0 ，o ) 。 当在( o ，o ，o ) 处入射，( d ，0 ，o ) 处探测时，( d ，0 ，0 ) 处光子光程分布函数可写为： 舷) | 力= z 2e弋xp(万k(x万2+y丽2+嘶z2)u云2+再(d_x)a萌+y2广+z2u2) k ( x 2 + y 2 + z 2 ) 1 7 2 + l 】w ( 孑一曲2 + ，2 + ，】1 ，2 + l ( 2 4 ) 式中= 压瓦瓦而。此时，在x z 方向横截面上，光子光程分布函数呈“香蕉形”。 在弱吸收的条件下( 詹( 1 ) ，( x ，o ，o ) 点对应的该“香蕉形”区域的中点的z 方向位置气( 砷 6 华中科技大学硕士学位论文 “功“历赢葡焉瑟芤i 习 即在x = d 2 处，达到最大深度： z m * 妇涵 根据式( 2 6 ) 便可确定光源一探铡器距离与探测深度之间的关系。 2 。3 近红外光谱法肌血氧检测的原理 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 氧气在血液中以两种形式存在。一是物理性溶解状态，溶解的量取决于分压的大 小，分压高，则溶解多。但是以这种形式存在的量是极少的。动脉血p 0 2 为 1 3 3 3 p a ( 1 0 0 m l h g ) 时，每l o o m l 血液中仅溶解0 3 r a l 0 2 ，仅占血氧总量的1 5 。第二 种存在形式是与血液内的物质形成化学的结合状态，这主要是与红细胞中的血红蛋白 的结合。在每l o o m l 动脉血中以化学状态结合的0 2 可达2 0 m l ，占血氧总量的9 8 5 ， 可见。2 的运输主要靠化学结合。 氧与血红蛋白的结合和解离是可逆反应，可以用式( 2 7 ) 表示： i l b + 0 2 i - i b 0 2( 2 7 ) 这反应有如下特征：第一，反应是可逆的，并且不需要任何酶的辅助。当氧经过氧 分压较高的肺部时，血红蛋白就迅速与0 2 结合，形成氧合血红蛋白；而在氧分压较低 的组织部位时，氧合血红蛋白又迅速解离成为脱氧血红蛋白。第二，0 2 是结合在血红 蛋白的铁离子上，要求铁离子必须是皿铁状态( f e ，这一可逆反应才能顺利进行。铁 离子与0 2 结合后，仍保持其低价铁的形式，没有价态的变化，所以不是氧化，而称之 为氧合。第三，血红蛋白的珠蛋白部分是由肽链所构成，每条肽链都结合一个的血红 素分子，每一个亚铁离子都含有一个0 2 分子，故每个血红蛋白分子可结合4 个0 2 分 子。第四，血红蛋白与0 2 的结合可相互促进。在四个铁离子相继与0 2 的结合中，任 何一个铁离子与0 2 的结合，都将大大加大其它三个铁离子0 2 结合的亲和力；同样， 华中科技大学硕士学位论文 任何三个铁离子释放出0 2 就促进第四个铁离子释放0 2 。这种相互作用，对结合和释 放0 2 是有意义的。在p 0 2 高的肺部，相互促进，进而迅速与0 2 结合达到很高的饱和 度，而在p c h 低的组织部位，却又能促进0 2 的释放。血红蛋白就是利用这个反应实 现对氧的运输 1 9 1 。 在人体运动过程中，肌肉组织的耗氧情况可以通过血液中氧合血红蛋白( 胁0 2 ) 浓 度和还原血红蛋e t f a b ) 浓度的变化反映出来，耗氧增加时，氧合血红蛋白浓度升高， 还原血红蛋白浓度降低；反之，耗氧降低时，氧合血红蛋白浓度降低，还原血红蛋自 浓度升高。在红光区和红外光区( 波长在6 5 0 n m 1 0 5 0 r i m 范围内) ，血液中的氧合血 红蛋白和还原血红蛋白具有独特的吸收光谱，而在该区域中肌肉组织中其它物质对光 的影响与组织耗氧情况关系不大。如图2 4 所示，可以看出随着波长的增加，还原血 红蛋白对光的吸收系数呈减小趋势，氧合血红蛋白对光的吸收系数星增加趋势，8 0 5 r i m 为等吸收点。 图2 4 氧合血红蛋白与还原血红蛋白在近红外光谱区域的吸收系数 由2 2 节所述，在人体组织中，由于散射和吸收的同时存在，每个射入组织中光 子经历的路程是随机的，因此对于存在散射的人体组织，通常用到修正后的 b e e r - l a m b e r t 定律1 2 0 1 。 8 一毛、点1uel占害o 5云占(1oe譬ds 华中科技大学硕士学位论文 在实际应用中，由于测量个体的差异很大，常数损耗因子g 和每个光子经历得路 径的长度i , d p g 两个参数很难确定，要通过修正后的b e e r - l a m b e r t 定律得到h b 和 h b 0 2 的绝对浓度值是很困难的。因此通常忽略不同光子路径的差别”】，并用光密度 的相对变化来表征物质浓度的相对变化，当物质浓度增大时，a o d 增大，出射光强度 减小： a o d = l n ( 1 0 z ) = l s o a c l ( 2 8 ) 如果使用适当的两个波长的单色光( 2 a 8 0 5 r i m 如) 作为入射光，可得到h b 和 h b 0 2 浓度的相对变化值，且卢m ( ) 心n n ，( 如) ： 。 ：垒垒竺! 垒! ! ! 堂! 垄! ：垒垒竺! 生! ! ! 些! 当! f 2 血t “0 0 2 。戎瓦i 面石面专i 面丽 恤w + 蚝= 螋哔箍熹拱篙芝悬笋趔 ( 2 1 0 ) 由式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 变换出 a o d ( ：q ) = u m o ：( ) c h b 0 ，十以m ( ) _ c ( 2 1 1 ) a o d ( a 2 ) = 舢：( 2 ) ， ：c l n ，0 ，+ 。 m ( 五2 ) ，如c 抽 ( 2 t 1 2 ) 将式( 2 11 ) 乘以一个实数k 并与式( 2 1 2 ) 相加，可得 必o d ( ) + a o d ( , g ) = x u m o ：( ) + 芦d h b 0 2 魄k 】c m ， + 鳓一“) + m 魄心地m ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) 相减，可得 g 似 ) 一d d ( 如) = 衄o ，( ) 一，f 棚由，( 如) k 】c i 呐， + 【雎。( ) f 一儿。( 五) k 】c 。 ( 2 1 4 ) 根据图2 4 ，如果所选两个波长分别位于8 0 5 r i m 两边，艄a c - m o ，和朝相 反方向变化时，式( 2 1 1 ) 与式( 2 1 2 ) 的变化趋势是不同的：那么在2 1 3 式中，可以通过 华中科技大学硕士学位论文 实数k 来调整c 。，和如。的系数，使其相等以抵消它们相反方向上的变化，使得上 式的值只在h b 和h b 0 2 总量的变化时才发生变化，血红蛋白总量增大时，式( 2 1 3 ) 式 的值增大，而两波长的出射光强是减弱的，所以式( 2 1 3 ) 可作为检测血容量变化的算法； 当血红蛋白总量不变，而氧合血红蛋白增多时，相应的还原血红蛋白氧含量减少，且 相对变化幅度相等，则z x o 烈& ) 增大而a o d ( & ) 减小，式( 2 1 4 ) 的值增大，两波长的出 射光强会发生相应的变化，所以式( 2 1 4 ) 可作为氧含量变化的算法。综上所述，通过近 红外光谱技术来检测肌肉组织血氧是可靠的。 2 。4 小结 在这一章中首先对近红外光在人体组织中的传播特性作了介绍，得到检测距离与 检测深度之间的关系函数，并介绍了近红外光检测组织血氧的原理，推导出系统设计 的实用算法原理。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 便携式仪器设计 根据课题研究的意义来看，便携式仪器设计是本系统设计的重点，现有仪器往往 需要很大的电源，或是不能记录数据，而需要外接记录仪，这都是无法便携的原因。 那么可以认为便携化设计的要点就在于提高系统的集成度和低功耗设计。本章将这两 个方面进行分析说明，并总结出便携化设计的一些做法，还详细介绍了设计系统时在 这两方面作出的具体措施。 3 2 提高系统集成度 系统集成度往往由系统功能和器件集成度决定。便携式仪器和非便携式仪器相比 在系统功能上有所不同，非便携式仪器由于对整机体积没有太严格的要求，因此可以 将系统的功能做得非常全面，以适应不同需求。而便携式仪器则要求尽量体积小、重 量轻，功能相对简单。 本系统主要运用于对人体运动中肌肉组织血氧数据的采集，而对于数据的后期处 理、相关参数的计算以及血氧益线的显示等任务则可以在数据传送到计算机上以后， 由计算机代为进行。这样系统被压缩到只需要具备包括光源的控制和驱动、信号采集、 运算、存储和通讯在内的基本功能，使用的器件也因此减少。 在系统硬件实现时则尽量选择集成度高的器件。本系统所使用的微处理器为 m s p 4 3 0 系列的微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 ，该处理器除了集成了处理器内核、f l a s h 、 r a m 以及6 路8 位并行端口等基本系统模块外，还具备模数转换器硬件乘法器、时 钟模块、定时器、看门狗和串行通讯接口等丰富的外围模块，这样就可以在近一平方 厘米的面积上实现比较强大的功能。另外本系统采用的其他器件包括电阻、电容在内 都使用了体积较小的贴片封装器件耻1 - 2 3 1 。 对系统功能的限定和对器件集成度的选择傈证的本系统具备便携式仪器体积小、 华中科技大学硕士学位论文 重量轻的特点。 3 3 低功耗设计 本仪器为便携式仪器，采用电池供电，充电电池的容量通常为几百毫安时数量级。 要让仪器能够在尽量长的时间内靠电池供电工作，就必须在仪器设计中采用低功耗设 计。下文将阐述贯穿本仪器设计始终的低功耗设计思想和一些具体傲法。 3 3 1 低功耗设计的理论依据 低功耗设计是指在满足系统正常运行的条件下，尽量减小功耗浪费，下面就低功 耗的理论依据 2 4 - 2 9 1 作出分析。 电路运行就有功耗，那么电路的功耗是怎样的组成呢? 以c m o s 电路为例。 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 数字集成电路即互补金属化物半导 体数字集成电路，简称c m o s 电科3 0 1 。c m o s 电路具有许多独特优点，如功耗低、 噪声容限高、工作电压范围宽等。随着高速c m o s 电路的出现，其工作速度已与r r l 电路不相上下。c m o s 芯片工作时，总功耗p 由静态功耗嚣和动态功耗石可以表示为 p = 忍4 - p d ( 3 1 ) 动态功耗与系统工作频率和动态电流相关，而静态电流则依赖与电路的状态，而 不是工作频率。在c m o s 电路中静态功耗为m o s 管的漏电流功耗，漏电流即使在晶 体管逻辑关断时仍然存在，但通常在皮安数量级，远小于动态电流，在理想情况下， 通常认为静态电流为零，因而c m o s 电路的静态功耗远小于动态功耗p 1 】1 3 2 1 在这一点 上与r i l 电路相比较，r r l 电路为电流注入型电路，动静态电流相近，因而功耗较大。 以一个反相门电路为模型，计算c m o s 电路的功耗特性，电路模型如图3 1 所示，v 为系统工作电压，五吐为漏电流，l 为导通电流，q 指系统容性负载，厶为电容充放 电电流。 华中科技大学硕士学位论文 图3 ，1c m o s 电路功耗计算模型 假设系统的工作频率为，输出状态实际上是对电容充放电的过程，假设容性负 载上的瞬时电压为矿o ) ，根据电容充放电规律，可得 i d ( t ) c l 警 ( 3 2 ) 假设电容充电时间起止时间为t o 和t i ，电压由0 伏变为y ，则功耗名可以表示为 名= 厂f 矿i d ( t )( 3 3 ) t o 由式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 得 名= v 2 f - c l( 3 4 ) 动态功耗的另一部分来自于m o s 管导通电流功耗。图3 1 中的电路模型在理想情 况下，输出状态改变时间是被忽略的，即上下两个m o s 管总是有一个处于导通状态， 而另一个处于截止状态；而在实际情况下不是这样的，当输入脉冲电压的幅度大于 p m o s 和n - m o s 两个开启电压的绝对值之和时，p m o s 管和n - m o s 管将同时处于 导通状态，这时电路会产生一个瞬时的导通电流。这样就会在上升沿和下降沿产生瞬 时导通功耗，这部分功耗的相关因素主要有系统工作电压矿、工作频率厂有关、五c 电 华中科技大学硕士学位论文 流波形等，工作电压越高，工作频率越高，这部分的功耗就越大。这样电路的动态功 耗可以由式( 3 5 ) 表示 电路的静态功耗可以由式( 3 6 ) 表示 晶= v 乞+ 矿2 ，c 1 忍= 矿 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 3 3 2 低功耗设计具体措施 根据上节分析，与系统的功耗相关的主要因素有：系统工作电压、元器件工艺、 系统工作频率、各个器件工作模式和系统控制软件。从这些方面入手，具体措施如下： 1 选定合适的工作电压。假设电流消耗一定，系统工作在2 7 v 电压下与工作在 5 v 电压下相比较，假设系统都能正常工作，浪费的功耗就接近5 0 ，这时就要求系 统的所使用的芯片必须工作在2 7 v 电压下，从芯片的货源来看，这是个比较苛刻的条 件，因而将系统的工作电压确定在3 3 v 电压下，与5 v 相比，功耗降低了歪少4 0 。 2 尽量采用c h i o s 工艺的元器件。如前所述，c m o s 电路的静态功耗远低于其 动态功耗，无论是低功耗还是超低功耗i c ，主要是建立在c m o s 电路基础上的。虽 然超低功耗i c 对单元电路进行了新形式的设计，但作为功耗分析，仍然离不开c m o s 电路基本原理。以7 4 系列为代表的盯 l 集成电路，每门的平均功耗约为1 0 毫瓦；低 功耗的t t l 集成电路，每门平均功耗只有1 毫瓦。7 4 系列高速c m o s 电路，每门平 均功耗约为1 0 微瓦；而超低功耗c m o s 通用小规模i c ，整片的静态平均功耗却可低 于l o 微瓦。传统的单片机，体眠电流常在5 0 pa 2 m a 范围内；而超低功耗的单片机 休眠电流可达到lu a 以下。 3 选择合适的微处理器。处理器是整个系统的控制核心，不仅其本身在系统中起 着重要的作用而且还控制其它外日器件的工作模式，因此也是系统功耗管理的关键。 现在流行的低功耗微处理器有很多，本系统所选用的微处理器为t i 公司的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 型微处理器，具有如下特点：( a ) 自身功耗很低。具有低电源电压范围 f 1 8 3 6 v ) 和低工作电流特性，如在主频3 2 k h z 电源电压2 2 v 时工作电流为7 u a ； 华中科技大学硕士学位论文 在1 m i - - i z 2 2 v 时工作电流为2 5 0ha 【2 1 】阎。( b ) 时钟系统非常灵活。包括一个数控振荡 器和两个晶体振荡器，可以针对不同的任务使用从3 2 7 6 8 k h z 到1 0 m 1 4 _ _ z 不同的工作频 率，而且内部每个模块都具有分频寄存器，可以分别选择不同的时钟，这与使用统一 时钟频率的系统相比，更有利于功耗管理：( c ) 集成了丰富的资源。m s p 4 3 0 f 1 4 9 集成 了很多外围模块，并能对内部所有模块进行管理，只对当时需要使用的模块供电，而 禁用其它模块，以减少功耗浪费。( d ) 具有5 种低功耗模式，备用模式时消耗电流l _ 3 l la ，而选用第五种低功耗工作模式时，甚至能达到0 1ua 的休眠电流。这样在系统 等待或大部分模块闲置的时候可以进入低功耗模式或者休眠模式，进一步降低功耗。 4 选择合适的系统工作频率。根据( 3 5 ) 式，系统的工作频率与系统功耗成正比。 本系统用于检测和记录人体运动时的血氧变化，目前运动生理学上研究人体运动时的 血氧变化通常为低频信号，本系统对其采样的频率为1 6 h z ，因此在数据采集时使用 3 2 7 6 8 k h z 的低频晶振已经足够。而采样事件的触发时间是一定的，在此间隔内，系 统进行运算和保存数据时就要求速度较快，避免影响采样事件，这时可使用内部振荡 器提供的较高工作频率，内部振荡器虽然受到温度等因素的影响，并不准确，但考虑 到运算、存储这些任务的实时性不强，所以影响不大。 5 处理器软件的编写中也要融入低功耗设计思想。在软件执行时要监视系统的工 作状态，根据系统当前工作涉及的模块，首先选择只对使用中的模块上电，然后根据 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的特点，让系统进入不同的低功耗模式，运行时再使用中断事件来唤醒 c p u ，执行完中断后，再进入相应的低功耗模式。另外要根据每个模块的具体任务分 配相应的时钟源，功耗浪费。同时在系统初始化时，将没有用到的i o 端口设为输出 状态，以避免干扰，同时也避免了因为干扰而导致的无效电平翻转时消耗的电流。 6 在系统设计的细节上也要注意节省功耗。低功耗系统设计上有很多细节往往被 忽略，原因是细节本身不太重要，或者即使注意了，也节省不了多少功耗。前文已述， 低功耗设计是一种工程设计的思想，即对系统进行低功耗设计时要将该思想贯穿始终， 这与节省功耗的多少并不相关。例如上下拉电阻在不必要的时候应该省去，上下拉电 阻拉一个单纯的输入信号，电流也就几十微安以下，但拉一个被驱动了的信号，其电 流将达毫安级p 2 1 。系统中m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有6 路8 位并行端口，容量1 m 字节的并行 华中科技大学硕士学位论文 f l a s h 存储器地址线就有2 0 路，如果都拉的话，功耗浪费也不可忽视。另外不同的 芯片有不同的控制信号，如0 e 、w e 、s h d n 等，这些信号线往往是用来控制芯片开 关或选通的，这里都将其视为功耗管理信号，它们往往可以不使用，直接接到电源或 地就行了，这样做也许会使芯片读写起来省事一点，但是这是违反低功耗设计思想的。 比如m a x 3 2 2 2 芯片，这片芯片的功能就是作为r s 2 3 2 接口，只在通讯时才需要，不 用时可以通过s i - - i d n 引脚( 低电平有效) 控制芯片进入挂断模式，只消耗1 ua ，当 然也可以将其直接连在电源上，即芯片始终处于工作状态，消耗电流3 0 0 pa ，两相比 较，区别显而易见。 3 4 小结 本章对系统设计时，所强调的便携化设计思想作出了论述，把提高系统集成度和 低功耗设计作为研究重点，并总结了实际工作的一些具体措施，主要是正确选择系统 的工作电压、工作频率和芯片工艺同时还要在软件上对功耗进行管理。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 4 1引言 4 系统设计 根据近红外光谱法的原理和第二章讨论的算法设计出这套血氧检测系统，为符合 便携化设计的要求，本系统使用发光二极管结合光电二极管的方案设计了光源，并采 用了低功耗、高集成度的微处理器作为控制核心，整个系统设计贯彻了低功耗设计的 思想。本章首先对系统整体进行描述，介绍了系统的功能，然后重点介绍了传感器、 主机电路的设计，并在最后讨论了电抗干扰的几个问题。 4 。2 系统整体描述 便携式血氧检测系统要求具备血氧信号的检测，血氧参数的运算，信号的数字化 转换、处理及存储，和数据通讯功能。系统统硬件结构框图如图4 1 所示，本系统分 为传感器和主枫两部分。前者负责探测信号并进行前级放大；后者负费信号放大、滤 波、运算及信号的数字化处理；两部分用电缆相连。 传感器 图4 1 硬件结构框图 主执 1 7 华中科技大学硕士学位论文 4 3 传感器设计 传感器的功能包括控制光源，接收光信号，并将光信号转换为电信号，并对信号 放大。传感器的光电部分由光源、光电二极管和前级放大电路组成。 光源的设计主要有三种方案： a 麂频带光源：光源一般采用普通钨丝灯，通过滤光片来选择特定波长的光，这 种光源价格低廉；但光源发出的宽频带光中只有特定波长的光被利用。且部分能量以 热能的形式散发，这样发光效率极低，功耗浪费过大，违背了低功耗设计原则。 b 撒光模块：激光模块发光效率高、功耗低、单色性好，是理想的光源方案，但 激光模块价格高，且不易找到需要波长的光源。 c 发光二极管：用单光谱，高亮度的发光二极管构成的光源兼具以上两种方案的 特点，发光效率高，价格低廉，易于实现。 考虑到系统的低功耗设计和价格因素在下面的设计中我们采用了第三种方案。 筹 光 餮 ol 6 0 0窟沁7 0 0 被长坼眦) 图4 26 6 0 n m 发光二极管发光波长与檑对光强度关系曲线 资料由k i n b r i q h t 公司提供 1 8 华中科技大学硕士学位论文 相 对 光 强 度 jr 、 | | l j t l j f 、 - ， 渡长x ( n 呻 图4 38 9 0 n m 发光二极管发光波长与相对光强度关系曲线 资料由s i e m e n s 公司提供 o 7 a 意 光 0 _ 拦 电 极 0 管 灵q 3 敏 口2 0 1 o 1 壹t 麓巷净 n -、 一e l ； 27 _ 国 么 r a ，1 、 8 ，立壁苒屯o 、 x 矿 毒 q j 。嚣弱盈窜一掮 k ， 奄 i 被长 图4 4 光电二极管接收频谱图 数据资料由滨淞公司提供 光源由两个高亮度发光二极管构成，其发光波长范围如图4 2 、4 3 所示，所选的 1 9 华中科技大学硕士学位论文 两个发光二极管的发光波长的峰值分别定为 l = 6 6 0 r i m 和a2 = 8 8 0 n m ，而且波长范围 均不超过8 0 5 r i m 。2 3 节讨论所讨论的结论：丑 8 0 5 r i m 厶，可知光源是符合要求的。 光电传感器使用了一片硅光电二极管，型号为$ 1 2 2 7 b r ，其接收频谱范围在3 0 0 n m 1 0 0 0 r i m 之间如图4 4 所示，峰值在7 0 0 n m ，对于6 6 0 a m 和8 8 0 h m 的光是比较敏感的， 这保证了系统检测的灵敏性。 光源以脉冲方式发光，发光二极管的发光光强与驱动电流分别在0 3 0 m a 和o 1 0 0 m a 范围内呈线性变化，因此采用恒流源芯片来驱动光源。芯片结构示意图如图4 5 所示 图4 5 发光二极管驱动电路芯片m a x l 9 1 6 结构示意图 资料由m a x i m 公司提供 电路可看作镜像电流源，发光二极管的驱动电流为： 脚= 2 3 。( v c r “焉- v s e r ) 在m = 3 3 v ，v s e r = 1 2 1 5 v 时，得到驱动电流与r 册之间的关系： j - r 口= 4 7 9 5 5 ( 4 2 ) 电路中的晶体管之间有温度补偿的作用，所以驱动电流的温度稳定性比较好，但是受 。影响较大，所以通常将。接到电源和稳压芯片的输出端，以保证驱动电流的稳 定【3 3 。 华中科技大学硕士学位论文 前级放大电路采用电压并联负反馈的形式，如图4 6 所示，输入与输出极性相反。 由于探测到的信号十分微弱，故需要使用阻值较大的反馈电阻，一般阻值不小于io m q ；但为了防止偏置电压过大，因此要选用偏置电流较小的运放。 、 、 图4 6 前级放大电路 在进行血氧检测时，传感器要求能够紧贴皮肤，避免外界光线进入，产生干扰， 因此传感器外壳由深色软橡胶压模而成，外形结构如图4 7 所示，传感器外壳的边缘 突起，光电传感器周围橡胶也有突起边缘，这些突起边缘与皮肤紧密接触，起到隔离 光电器件的作用。光源一探测器距离为3 5 r a m ，由2 2 6 式推知可探测肌肉组织的深度 为2 0 m m 。 4 4 主机部分设计 图4 7 传感器外形结构 左图为正视图，右图为虚线截面侧视图 突起边缘 主机部分由电源、模拟电路和数字电路三部分组成。传感器将采集到的光信号转 2 1 痧 华中科技大学硕士学位论文 化为电信号，送到主机后，模拟电路部分负责对信号进行滤波、放大和运算；数字部 分主要负责a d 转换、数据存储和传输。下面我们将对电源、模拟电路和数字电路分 别介绍。 便携式电子产品采用电池供电，稳压电源部分性应该满足电路负载的要求、同时 要具备耗电少( 能延长电池的寿命) 、安全性好、占空间小、重量轻的特点。 集成电源芯片的出现使电源设计工作变得较为简单，只需要根据要求合理地选择 电源i c 。目前根据不同的工作原理可将电源分成三类：线性稳压电源、开关稳压电源 及电荷泵电源。它们各自都有一定的特点及适用范围，在系统设计时应该对其作充分 比较，下面对这三类电源芯片作简要介绍： a 线性稳压电源。线性稳压电源是因其内部调整管工作在线性范围而得名。一般 认为线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差( 一般称为压差) 大，调整管 上的损耗大，效率低。但是对于低压差( 【d o ) 的新型线性稳压器，一般可达到达输 出1 0