心率信号的采集与处理

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1、万方数据片上系统SOC中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2007年第23卷第11-2期文章编号：1008-0570(2007)11—2-0152—03心率信号的采集与处理StGNALACQUISlTlONANDPROCESslNGOFHEARTRATE(1．北京交通大学；2．北京联合大学)郝乐1李哲英2蒋昊1HAOLELIZHEYINGJIANGHAO摘要：介绍了一种基于SoC的简单心率测量方法。整体系统设计包括模拟电路模块和C51CPU核。其中CPU核是数字处理部分，用来处理心率信号和其它应用的输出信号。经过模拟电路模块，

2、心率信号被转换成脉冲信号，然后把脉冲信号作为心率估算的输入信号进行计算。整个系统工作在一片芯片上。关键词：心率测量；模拟电路模块；CPU核；脉冲信号中图分类号：TN911．7文献标识码：AAbstract：AsimpleheartratiomeasuringSoCwasdesignedinthispaper．ThesystemisdesignedwithananalogycircuitmoduleandaC51CPUcore．TheCPUcoreisthedigitalprocessingpartforheartratesignalpr

3、ocessandoutputsignalsforotherapplica·tion．HRsignalisconvertedintoapulseclusterwiththeanalogcircuitmodule，theclusterisaninputsignalforHRcomputation．Thewholesystemisinonechip．Keywords：heartratemeasurement,analogycircuitmodule，CPUcore，pulsecluster1概述SoC技术是一项很重要的电子应用技术，十分适合将

4、其用于生物工程领域。为了满足低电压、低功耗的需要．本次系统设计选择SoC技术用于生物信号处理。心率是一项重要的生理指标。它是指单位时间内心脏搏动的次数．是临床常规诊断的生理指标。为了测量心率信号，有许多技术可以应用，例如：血液测量，心声测量．ECG测量等等。在混合信号SoC的设计中，电路可以被分成两部分，模拟电路部分和数字电路部分。其中模拟电路很容易被数字电路干扰。这是因为数字电路部分本身就是一个高频的噪声源。作为一个混合信号的SoC，怎样处理模拟模块和数字模块的连接问题是一个挑战。所以文中对噪声处理技术也进行了讨论。在这篇文章里，第二

5、部分给出了系统的设计框图，第三部分对心率信号处理中的问题进行了讨论，第四部分设计了一个心率信号处理的滤波器。第五部分是对其功能和指标的准确性进行了测试。第六部分是总结。2心率检测的SoC系统框图用混合信号SoC设计心率信号的处理系统。就需要低功耗和低电压的供给，所以电源电压为3．3V。系统框图如图一所示。{懒H糍H瓣H器l图1系统框图在图一中，传感器采用的是红外光电式传感器。用于把原始的心率信号转变为微电压信号。信号调理电路包括放大器、滤波器和比较器。调理电路的输入信号是传感器采集进来的原始心率信号，它的输出信号则是有一定电压幅度的脉冲

6、信号。C51处理部分是数字信号中央处理单元，它的输入信号是上面提到的脉冲信号，输出的是心率数据。最后通过CPU核把信号显示出来。郝乐：硕士研究生CPU核是EZL一8051。3心率信号的采集将一对红外线发射与接收探头置于动脉一侧．当指尖的血流量随心脏跳动而改变时．红外线接收探头便接收到随心脏周期性地收缩和舒张的动脉搏动光脉冲信号，从而采集到心脏搏动信号。(a)外观图b)内部结构示意图图2单光束直射取样式光电传感器图2是单光束直射取样式光电传感器。这类槽型光耦由高功率的红外光电二极管和红外光匹配性能强、透镜敏感度高、集电极电流范围大的光敏三

7、极管组成。由于血液中的血红蛋白对近红外线具有吸收作用的生物效应，因而此类传感器灵敏度高、输出信号稳定。其性能指标如表1所示。表1单光束直射取样式光电传感器的技术指标I项目测试条件符号最小典型最大单位正向压降Ⅲ20mAVF1．251．5V反向电流VR=3VIR10幽集电极遮光电流Vce=20VIceol讧AVce=5VIL0．25mA集电极通光电流Ⅱ’-8mAⅡ1-8mAVCEO．4V饱和压降Ic=O．1SrnA经红外光电传感器采集到的原始心率信号的波形如图3所示。由图3可知，通过红外光电传感器采集到的原始心率信号极其微弱(变化幅值在+1

8、0mV之间)．非常容易受到外围电路的干扰。因此，系统必须单独为信号调理电路提供电源。同时，电路板的布局布线也会对信号产生较大的影响。因此，在设计电路板时要对主要信号线与电源地线进行设计。根据图3所示的原一1