在消費(fèi)電子領(lǐng)域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小,、質(zhì)量輕的特點(diǎn)越來越受到消費(fèi)者的喜愛,，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個(gè)思路,，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款便攜式心率計(jì)，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)方法,，使用非常方便,。該產(chǎn)品主要包括三個(gè)部分：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及LED 顯示和報(bào)警電路,。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
如圖1 所示,，從傳感器檢測(cè)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用,，使前級(jí)和后級(jí)隔離開來,，避免相互干擾。輸出的信號(hào)經(jīng)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(jīng)過低通濾波器濾除環(huán)境中的高頻干擾。處理完的信號(hào)送入后級(jí)繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號(hào),，此信號(hào)經(jīng)比較器和二極管整流后直接送入單片機(jī)處理,，以驅(qū)動(dòng)顯示電路和報(bào)警電路。
系統(tǒng)硬件電路原理圖
圖2 為電路原理圖,，下面對(duì)各模塊進(jìn)行逐一描述,。
圖2 系統(tǒng)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(hào)，即脈搏傳感器信號(hào)從V+端輸入,，反饋電阻置零,，構(gòu)成一個(gè)同相跟隨器，起到緩沖作用,，隔離前后級(jí)的影響,。心音脈搏放大器的功能是將mV 級(jí)的心音信號(hào)放大到V 級(jí)，以供顯示和記錄使用,。
根據(jù)心音脈搏信號(hào)的特性,，要求放大器具有以下特性：
1、足夠高的增益,，約800 倍,。
2,、有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）
3、因?yàn)樾囊裘}搏信號(hào)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(hào)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(shí)際應(yīng)用中,，外界信號(hào)的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性,，一級(jí)放大器不能實(shí)現(xiàn)如此大的增益,，所以電壓放大器一般由兩級(jí)組成,。其中,，前級(jí)采用負(fù)反饋差動(dòng)放大電路，以提高共模信號(hào)抑制比,。此部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲,，避免讓噪聲竄入后級(jí)電路。因此在系統(tǒng)中,，采用基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器LM358 作為心音脈搏信號(hào)的前級(jí)放大器,。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過高,，選擇為1000 倍左右,。
電壓跟隨和前置放大電路
2 高低通濾波器電路
在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)頻率較低,，在 0.78～3.33Hz 之間,，因此濾波器的設(shè)計(jì)成為本電路的關(guān)鍵。首先,，要經(jīng)過一個(gè)0.5Hz 的高通濾波器,，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器以濾除心音信號(hào)的絕大多數(shù)干擾,。在實(shí)現(xiàn)電路中,，普通的濾波器已經(jīng)很難對(duì)這么低的信號(hào)進(jìn)行濾波，因此在本設(shè)計(jì)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:低通濾波原理圖
圖3:低通濾波原理圖
3 后級(jí)放大和比較整流電路設(shè)計(jì)
心音信號(hào)經(jīng)過前級(jí)放大后，幅度還未達(dá)到理想的應(yīng)用值,，且還有一定的干擾,，因此需要后級(jí)放大器繼續(xù)放大,，以達(dá)到使用要求。整個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為不含負(fù)脈沖的方波,，以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。該電路由一個(gè)過零比較器和整流電路構(gòu)成,，由于送入單片機(jī)的信號(hào)要求為正電壓,，所以經(jīng)過整流電路后，信號(hào)將全部轉(zhuǎn)化為正跳沿的方波,。
4 單片機(jī)控制電路
本部分主要包括單片機(jī)控制顯示電路以及驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的報(bào)警,，具體電路如圖4 所示。
圖4 單片機(jī)控制電路
圖5 為單片機(jī)程序流程圖,。
圖5 單片機(jī)控制流程圖
20 幀標(biāo)準(zhǔn)Jlink 接口：
20 幀標(biāo)準(zhǔn)Jlink 接口
本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號(hào)的頻率,。所采用的技術(shù)是單片機(jī)的中斷捕獲功能以及數(shù)學(xué)算法誤差消除、硬件結(jié)構(gòu)誤差消除,。
5 電源管理模塊
本電路采用9V 鋰電池供電,，對(duì)于大多數(shù)電子產(chǎn)品而言，具有普遍性和方便性,。由于此單片機(jī)為低功耗工作模式,，我們通過7805 和LM1117 穩(wěn)壓芯片提供±5V、3.3V 的工作電壓,，然后給各個(gè)模塊供電,。
電路測(cè)試與數(shù)據(jù)分析
實(shí)際測(cè)出的值與理論計(jì)算的值有所差別，且當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí),，輸出信號(hào)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(shí)際的測(cè)量中,，一定要注意電路的抗干擾能力。外部時(shí)鐘晶振為32768Hz,，對(duì)其進(jìn)行1/2 分頻,。
結(jié)論
本設(shè)計(jì)通過數(shù)模混合電路結(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)定,，并能發(fā)出警告,。整個(gè)電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡(jiǎn)單,，減小電磁場(chǎng)干擾,，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足,，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32,，使得待機(jī)時(shí)間超長(zhǎng),，功能升級(jí)空間也很大，還可以以該設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)加載其他功能,，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善,，擴(kuò)展至對(duì)人體其他生理狀態(tài)的測(cè)定。