关于电子脉搏仪的研究2

关于电子脉搏仪的研究摘要:利用电子工作平台对电子脉搏测量仪电路进行了调试和仿真，仿真结果表明:该电路设计达到了预期效果,证明了电路设计的合理性.同时说明了电子设计自动化技术为产品的开发和设计提供了极大的便利,优化了电路设计,使参数选择趋于合理,为电子工程师从事产品设计和开发提供了必要的参考.关键词:脉搏测量仪;调试;电子工作平台;仿真结果。Abstract:ThedebuggingandsimulationofsphygmographcircuitarecarriedbasedonElectronicWork-bench(EWB).Fromthesimulationresults,itcanbeproventhatthecircuitdesignismorerational.Theexpectedresultsofcircuitdesignareobserved.Inthispaper,itcanalsoshowthatthecircuitdesigncanbeoptimizedandtheparameterchosewilltendtobemoreactual.Italsoofferssomereferencesforproductdesignanddevelopment.Keywords:electronicsphygmograph;debugging;EWB;simulationresults.20世纪90年代以来,随着计算机的普及和发展,仿真技术也在不断的发展和完善.在集成电路与系统的设计中,采用计算机辅助分析和设计的电子设计自动化技术已获得广泛的应用.它改变了以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法,成为现代电子电路与系统设计的关键技术之。电于脉搏计可以连续台动地测量手术或重危病人的脉搏，也可以用于健康管理，运动员的训练等方面，仪器里附有过限报普电路，另外还附有脉搏输出擂座，可与超低频示波器或笔绘仪相连。脉搏传感器由光敏电阻和小灯泡构成，安放于手指尖上，人体末梢(如指头、耳朵)血流的变化，血流变化通过光敏电阻用仪表指示出来。电子工作台(ElectronicWorkbench,简称EWB)是InteractiveImageTechnologies公司于20世纪90年代推出的用于电子线路仿真的软件,它可以方便地进行原理图设计、调试和仿真;能够“在线”地修改电路设计,实时进行仿真.本文采用的电子脉搏测量仪能准确地测量出人体脉搏每分钟跳动的次数.基于电子工作台(EWB)对该电路进行了调试和仿真,仿真结果表明:仿真电路达到了预期效果,验证了电路设计的合理性.可见,电子设计自动化技术为产品的开发和设计提供了极大的便利,同时提高了工作效率,加速了产品开发进程。随着电子技术的发展,其应用领域不断扩大,特别是数字电子技术的应用已经深入到人类日常生活中,智能化电子产品将成为新的潮流趋势。目前市场上所推出的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主,智能脉搏测试仪器尚不多见。本文针对市场上的家用医疗设备的需要及目前仪器所存在的缺陷,采用AT89C51芯片为核心设计出该产品,利用防脉冲干扰滑动平均值法滤波,在提高精度的同时也大大提高了系统的响应速度;利用液晶显示与用户建立了良好的交互界面。1仿真电路及工作原理脉搏测量仪是用来测量人体心脏跳动次数的电子仪器,也是心电图的主要组成部分.脉搏测量仪由传感器、放大与整形电路、基准时间产生电路、控制电路及计数显示等电路组成,如图1所示.该电路能准确地测量出人体脉搏每分钟跳动的次数并通过仪表显示.图1总体电路框图1)传感器能将人体脉搏跳动信号转换为相对应的电脉冲信号.本文采用红外光电传感器,通过红外光照射人手指的血脉流动情况,将脉搏转换为电信号,电路及参数的选取如图2所示.图2传感器信号电路2)放大、滤波及整形电路该电路能将传感器的微弱信号放大,滤波除去杂散信号,再经过整形输出标准的电脉冲方波.传感器输出的信号约几个mv,经LM324进行放大后,输出一个较强的信号.该信号通过一个二阶有源低通滤波器,将脉搏信号中的高频干扰信号滤掉,并进一步将脉搏信号放大.经整形和电平转换电路输出一个标准的方波.电路如图3所示.由给定的参数可知,放大电路的电压放大倍数AU1≈10;有源低通滤波器的截止频率f≈10Hz,电压放大倍数AU2≈2.6。图3放大、滤波及整形电路3)基准时间产生电路该电路能产生半个周期为60s的脉冲信号,控制1min中内的测量任务.用两片T4290组成60进制计数器,进行60分频,提供电路所需的周期脉冲信号,电路图详见图5.4)计数、显示电路该电路能显示人体在1min内脉搏跳动的次数并自动清零.电路详见图5.5)控制电路该电路能控制脉搏信号经放大、整形后进入计数器的时间,同时可将电路清零.电路接通电源后,首先按下清零开关B,将电路各个部分清零,然后合上启动开关T(开关B和T机械上互锁),电路进入正常工作状态.2电路的仿真结果在整体电路仿真之前,首先对各个部分进行局部调试.将传感器的输出用一个5mV、1.2Hz的正弦波信号替代,用以模拟血脉流动经传感器输出的电信号.该信号经过放大、滤波及整形电路后,输出一个标准方波,如图4所示.图4放大、滤波及整形电路输入、输出波形基准时间产生电路的调试可在计数器的输出端加入两个数码管,,打开仿真开关,数码管开始显示计数值,从0~60循环计数,在数码管上将显示1min脉搏跳动的次数.当各子电路调试完毕后,进行总体电路的调试和仿真.合上开关S,电路开始仿真.仿真结果如图5所示.改变输入信号的频率,在1min时间到时数码管显示的数值将不同.可见对不同的人,将测出不同的脉搏次数.3电路性能仿真分析在整个的脉搏测量仪电路中,滤波电路的性能十分关键,它决定着输出方波波形的优劣.本文采用二阶压控有源低通滤波器,这样能获得较好的滤波效果.图3中的二阶压控有源低通滤波器的幅频和相频特性如图6所示.图5仿真结果图图6二阶有源低通滤波电路的幅频和相频特性为进一步了解放大电路的性能,本文考虑了温度变化对放大电路性能的影响.图7给出了温度范围为-20~100℃时,放大电路的输出电压随温度变化的曲线.图7输出电压温度扫描分析结果曲线同时本文利用参数扫描分析,分析了电源电压变化对放大电路性能的影响,分析结果如图8所示.除此之外,本文讨论了放大电路信号源的动态变化范围.传感器的输出信号在1·0~310·0mV之间,放大电路均可以实现不失真放大.当传感器的输出信号大于310·0mV时,输出波形出现了失真,图9和图10分别给出了传感器的输出信号为10mV和350mV时输入和放大、滤波后的输出波形.由图10可知,当输入信号为350mV时,滤波电路的输出已明显出现了失真.图8电源电压变化时交流分析结果4、脉搏检测电路因为采用的压电薄膜力敏元件是一种高性能的动态微压传感器,且输出电压信号有一直流叠加,故采用电桥法直接获取脉冲信号。如图9所示,可以看出采用电桥接法通过匹配R1,R2以及调整电位器W可以将传感器两端的交流变化量取出来。由于系统所用的电源是直流稳压+5V,在此电压下,通过对压电薄膜力敏元件的特性测试分析,采用的串联电阻R1、R2为5KΩ。同时,为了排除电源的噪声干扰,前置一个1000μ电容C1接地。图9脉搏检测电路(2)信号放大电路采用的三运放精密放大电路,其电路的输入电阻高,抑制共模信号能力强,由于每个人的脉搏强弱不同,检测信号的大小也不一样,所以可以将放大倍数分为了强弱数档,在电路实现时只需用多路开关选择合适的电阻。(3)信号滤波电路由于有50赫兹的工频干扰和传感器在测量时有震动带来的干扰,必须对所取信号进行滤波处理。考虑到脉搏的频谱特性以及滤波50赫兹工频干扰可以采用截止频率为40赫兹的二阶带压控源的低通滤波器。(4)功率放大电路从滤波器出来的信号可以直接接到功放电路从而直接输出声音可供测量者或者医生听诊。(5)电压整形电路本电路的功能是将模拟电压信号转化为高低电平信号输出到单片机系统。可以采用反相滞回电压比较器进一步提高电路抗干扰能力。经过对强弱脉搏的测试和统计分析可以将其阈值确定。5、脉搏信号的检测技术脉搏测量可以为血压、血流等其它生理检测提供生理参考信息以及许多有价值的诊断信息，是进行脉搏定量化研究基础。近十年来，已研制出种类繁多的装置，用以采集或识别脉搏信号，甚至可以模拟中医切脉的手指功能，如基于压力传感器的腕带式PVDF薄膜脉搏测量传感装置、基于压阻传感器的脉象仪、基于光电式传感器的光电容积式脉搏计、光闸式挠动脉脉搏传感器、基于传声器的脉搏拾取装置和应用超声多普勒检测技术的脉象检测装置等。其中脉搏检测器探头式样很多，有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等。组成脉搏检测探头的主要原件有应变片，压电晶体、单晶硅、光敏元件、PVDF压电薄膜等，其中以单部单点应变片式为最广泛，不过近年来正在向三部多点式方向发展。不同传感器采集得到的原始脉搏信号不同，光电式脉搏检测装置对检测位置要求不严格，信号的适应性、稳定性和重复性较好，尤其便于非医务技术人员操作使用，适合长时间临床监护及家庭医疗保健。在本论文中，采用了指端光电容积脉搏传感器，在恒定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体的脉搏信号。这种脉搏传感器是一种容积式脉搏血流传感器。容积式脉搏血流是指外周血管中的微动脉、毛细血管和微静脉内流过的血液，其脉动变化反映出心搏功能、血液流动、外周血管和微循环等诸多心血管重要信息。为了实现数字化采集与记录，常常采用以计算机为核心的脉搏采集系统。随着嵌入式技术的发展，大量先进的以嵌入式系统为核心的采集系统广泛应用在各类医学检测仪器中。本文研究的一种便携式连续记录脉搏检测装置，通过对手指末端透光度的测量间接检测脉搏信号，利用ATmega64单片机为核心的嵌入式系统，实现长时间采集和脉搏数据记录，同时具有与计算机的通信功能。6、脉搏信号分析及其在医疗保健、心理生理关系和环境影响方面的研究现状脉搏信号可以反映心动周期内动脉血压随时间的脉动变化，根据脉搏幅值的变化可以推断血压的变化。利用脉搏以及相应得到的血流信息，可以监测人体心脏血管系统状态。脉搏的波形、波幅、波速和节律，会反映出人体心血管系统的多种生理特征。许多案例表明，不同生理变化状况的脉搏有明显的区别;根据脉搏信号可以计算出血压、血流、血管阻力、血管壁弹性系数等参数，进而可以定性或定量的考查人体生理状况。利用脉搏信号研究人体心理生理关系目前还很少见。在这方面，人们主要采用脑电信号、肌电信号、眼动变化等。例如，大脑的疲劳程度与脑电波密切相关。随着工作环境的变化，工作时间与疲劳程度的增长，脑电信号的相关能量参数呈增加趋势。利用肌电测量肌肉表面皮肤或肌肉内部活动时微弱的电流变化，以测量肌肉疲劳，并推论舒适度。利用眼动信号来反应生理状态是研究舒适度的一个重要方面。大量实验证明，随着工作时间增长，眨眼次数增加而快速眼动活动增强。另外，人们采用了心率变化、体温变化、以及面部表情等研究环境对人体生理的影响，得到了一些典型结果。例如，实验证明，环境影响下心率的改变趋势，心率变化率对负荷及生理状态较为敏感。采用脉搏信号进行环境影响的研究目前尚没有代表性的成果。7、基本原理与电路设计考虑到半导体材料对光的吸收遵从如下指数规律P(x)=P0[2-e]式中，a(λ)是当光的波长为兄时的吸收系数;P是入射于光探测器上的光功率;而P(x)是在距离x中吸收的光功率。如果耗尽区的宽度为w，并考虑到光电二极管的入射面的反射率为R，那么，由于光功率的吸收而产生的平均光电流I:由下式给出其中，q是电子电荷量，hv是光子的能量。光照下，光电二极管PN结的伏安特性为式中，I为PN结的反向饱和电流，V为包括外电压和光电压的实际结电压;k为玻尔兹曼常数，T为探测器的工作温度。由式可得以I乙为参量的伏安特性曲线。从图10中可以看出光电二极管的反向输出电流与光照强度成正比。图11给出了光电二极管的等效电路。它包括光电流I，，暗电流几，结电阻凡，结电容q的并联。其中暗电流对应于工作电压下没有光照时的输出电流，凡为串联电阻，其值远小于负载电阻R:，通常可以忽略。图10光电二极管伏安特性图11光电二极管的等效电路在应用时，要求光伏探测器工作在线性范围内。因此必须保证>>>>，器件近似以短路方式工作，其输出电流为这时，只需满足式，器件趋于理想短路条件;(η为光探测器的量子效率，)即短路电流I，与入射于探测器上的光功率成正比，并且不受工作温度的影响。图12是光电转换前置放大电路。图中外反馈为工作于短路方式下的基本放大电路。这种外反馈电路可使探测器对输入的光功率具高的分辨率和大的测量范围，并能减小电路噪声。其电压输出为式中，，f为信号频率，为反馈电阻。在信号频率范围内，故近似为即被放大的信号只与光强成正比。图12光电检测前置放大电路图12中右虚框内是在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路，可用R、R、C以控制A:增益响应特性。在直流情况下，该反馈由q断开，此时放大器的开环增益是两个放大器开环增益的乘积。合理的设置的比值有减小噪声带宽的功效。图中是为了补偿因过大所造成的直流误差，上的并联电容用以去除它上面的杂散噪声。外反馈电阻上并联的电容q为消振电容(因二极管的结电容较大)，q的加入减小噪声带宽。cl值的确定，要根据信号频率的要求来计算（）。根据所测脉搏信号的要求，分别取=2MΩ，C=1nF,R2=100KΩ,C=1uF,R=50KΩ,R=1KΩ,C=1uF,该电路的幅频特性如图13所示，此增益曲线因放大器的开环极点和R3，、R4组成的积分器响应极点而两次下降，当频率继续增加时，由A2组成的运放的增益为<<1，组合放大器总的开环增益为,使组合放大器的频带变窄，从而使噪声频带变小，消除的噪声增益为图中阴影区，而信号频带基本不受影响。图13幅频特性曲线8结论本文采用了由传感器、放大与整形电路、基准时间产生电路、控制电路及计数显示等电路组成的脉搏测量仪设计电路.利用EWB对设计电路进行了仿真,达到了预期效果,验证了电路设计的合理性.可见,电子设计自动化技术将改变以定量估算和电路实验为基础的传统设计方法,成为现代电子电路与系统设计的关键技术.它为产品的开发和设计提供了极大的便利,提高了工作效率,加速了产品设计和开发的进程。图1