作者：西安通信學院 郝東來 羅文 張海峰 朱沼宇
在消費電子領域，便攜式電子產品由于體積小、質量輕的特點越來越受到消費者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分。基于這個思路，我們設計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進行測量的傳統方法，使用非常方便。該產品主要包括三個部分：信號的采集、數據處理以及LED顯示和報警電路。
系統總體設計
圖1為本系統的原理框圖。
圖1 系統結構框圖
如圖1所示，從傳感器檢測到的脈搏信號轉化為電壓信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級和后級隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號經前置放大后送入高通濾波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經過低通濾波器濾除環境中的高頻干擾。處理完的信號送入后級繼續放大以便得到干擾小且清晰的信號，此信號經比較器和二極管整流后直接送入單片機處理，以驅動顯示電路和報警電路。
系統硬件電路原理圖
圖2為電路原理圖，下面對各模塊進行逐一描述。
圖2 系統硬件電路原理圖
1電壓跟隨和前置放大電路
電壓跟隨器的輸入信號，即脈搏傳感器信號從V+端輸入，反饋電阻置零，構成一個同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級的心音信號放大到V級，以供顯示和記錄使用。
根據心音脈搏信號的特性，要求放大器具有以下特性：
● 足夠高的增益，約800倍。
● 有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）
● 因為心音脈搏信號比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號的損失，有高共模抑制比（大于80dB）來抑制干擾和噪聲。
由于在實際應用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩定性，一級放大器不能實現如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成。其中，前級采用負反饋差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統中，采用基于雙運放電路的微功耗儀表放大器AD620作為心音脈搏信號的前級放大器。為防止產生非線性失真以致損害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數不宜過高，選擇為1000倍左右。
2 高低通濾波器電路
在本設計中，信號頻率較低，在 0.78～3.33Hz之間，因此濾波器的設計成為本電路的關鍵。首先，要經過一個0.5Hz的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經過一個低通濾波器以濾除心音信號的絕大多數干擾。在實現電路中，普通的濾波器已經很難對這么低的信號進行濾波，因此在本設計中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz的巴特沃斯濾波器。圖3為低通濾波的原理圖。
圖3 低通濾波器原理與性能
3后級放大和比較整流電路設計
心音信號經過前級放大后，幅度還未達到理想的應用值，且還有一定的干擾，因此需要后級放大器繼續放大，以達到使用要求。整個電路采用一般的反向放大器模塊電路。
比較整流電路的作用是將處理后的信號轉化為不含負脈沖的方波，以送入單片機進行處理。該電路由一個過零比較器和整流電路構成，由于送入單片機的信號要求為正電壓，所以經過整流電路后，信號將全部轉化為正跳沿的方波。
4單片機控制電路
本部分主要包括單片機控制顯示電路以及驅動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4所示。
圖4單片機控制電路
圖4中，數碼管為共陽極結構，74LS164作為數碼管的驅動，當輸入0時點亮，四個二極管串聯起限壓保護的作用。圖5為JTAG口與單片機的連接圖。
圖5 JTAG口與單片機的連接
圖6為單片機程序流程圖。
圖6 單片機控制流程圖
本系統電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號的頻率。所采用的技術是單片機的中斷捕獲功能以及數學算法誤差消除、硬件結構誤差消除。
5電源管理模塊
本電路采用兩塊干電池供電，對于大多數電子產品而言，具有普遍性和方便性。由于此單片機為低功耗工作模式，我們選用了升壓芯片TPS61210，TPS6110，MAX660作為電源芯片，提供±5V、3.3V的工作電壓。
電路測試與數據分析
表1為加入信號頻率為0.5～ 5.5Hz，峰峰值為2mv的正弦波信號后各模塊電路的輸出電壓測試數據。
由表中的數據可知，實際測出的值與理論計算的值有所差別，且當輸入信號較弱時，輸出信號受干擾較大。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾，因此在實際的測量中，一定要注意電路的抗干擾能力。
外部時鐘晶振為32 768Hz，對其進行1/2分頻；1Hz捕獲上升沿的是時間差，S[Rx]為數據寄存數組；單片機系統采用8MHz DCO。可以看出，該系統可以在誤差范圍內對1MHz左右的心音信號進行準確的判斷。
結論
本設計通過數模混合電路結合單片機控制的設計實現了對心率信號的實時測定，并能發出警告。整個電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡單，減小電磁場干擾，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足。還可以以該設計為基礎加載其他功能，使其功能和結構更加完善，擴展至對人體其他生理狀態的測定。