便携式人体脉搏波形测量仪设计与实现

摘  要： 阐述了基于S3C2440微控制器的人体脉搏波形测量仪的设计与实现方法。从以往人体脉搏波形测量系统的不足出发详细讨论了便携式人体脉搏波形测量仪的硬件组成并给出了软件设计方法。实现了在液晶屏上直接显示脉搏波形，经试验证明这套设计测得的脉搏波形基本达到了标准脉像仪的精度同时也提高了系统的响应速度，且仪器成本低，可靠性高，操作方便。
关键词： 脉搏波形测量仪; ARM； S3C2440; 液晶屏; AD8228
   　在心脏的驱动下血液在人体血管中流动而形成脉搏，所以它不仅受到心脏状况的影响,同时要受到其他内脏参数的影响，因此，脉搏信息能反映人体内脏器官健康状况。中医脉诊就是通过施以轻重不同的压力，用其三指通过对腕部桡动脉处被称之为“寸、关、尺”部位的脉搏的感觉来诊断病人内部器官的病变和健康状况的[1]。不同年龄、不同性别、不同疾病的人的脉搏波形是不一样的。这就是中医诊脉看病的出发点。而诊脉技巧不是容易掌握的，不仅需要名医的指导传授更需要长时间的摸索积累。随着现代生物医学的发展，完全可以借助仪器仪表获取脉搏信息，如脉象仪，这种仪器功能强大不仅能精确绘制脉搏波形，同时能进行频谱分析，但不论从体积还是价格都无法在家庭使用，因此应设法设计家用便携式脉搏测试系统，目前有的便携式脉搏测试系统只能测脉搏次数，如欧姆龙电子血压脉搏测试仪，有的用的是采集终端，数据处理、绘图均由基于PC机的LabVIEW完成[2]，不够方便。也有的脉搏测试系统是基于单片机的，由于本身位数的限制其速度和精度都不高[3-4]。国外对脉搏信息的提取也做了很多研究[5-7]，但大多数仍复杂不够方便。本文用32位的ARM微控制器设计并实现便携式家用脉搏波形测试系统，在液晶屏上直接显示脉搏波形，不仅速度快、精度高而且脱离PC，方便实用。
1 系统硬件电路设计
　脉搏波形测量系统由脉搏传感器、放大电路、低通滤波器、A/D转换器、微控制器及触摸、显示电路构成。其系统的框架如图1所示。
   
   　脉搏传感器采用PT14M3，这是一款高灵敏度全桥生理压力传感器，它采用双岛微机械结构,桥阻为2.5~5.0 kΩ。与一般的压电式传感器相比，PT14M3的低频响应好(直流到200 Ｈｚ),输出阻抗低,抗干扰能力强。其测压端直径8 ｍｍ左右，可模拟手指感测脉搏，4个压敏电阻构成全桥结构，在外加压力下,电桥失衡输出不为零,且压力在较小范围内时,输出电压与压力成正比[2]。
　PT14M3的输出是一个典型的微弱的差分信号，由于存在皮肤的静噪信号、50 Hz的工频干扰等干扰信号，所以有用的差分信号容易被干扰信号淹没，如果在此应用中使用标准运算放大器，则不仅放大差分模拟信号，同时放大任何DC信号、噪声及其他的共模电压，最终即使最好的运算放大器也不能有效提取微弱信号。如果利用运算放大器构成二级差分放大电路其匹配电阻要求十分苛刻，否则仍无法提取有效信号。而仪表放大器是一种差分输入和相对参考点单端输出的闭环增益单元,具有输入阻抗很高、输出阻抗很低、共模抑制比（CMR）高的特征。
　AD8228是ADI公司最新推出的高性能仪表放大器，具有非常高的增益精度和极低的漂移。由于内置增益设定电阻并经过激光微调，因此该器件的增益精度和增益漂移性能优于典型的仪表放大器。低电压失调(最大输入失调电压：50 ?滋V)、低失调漂移(最大输入失调漂移：0.8 μV/℃)、低增益漂移(增益漂移：2 ppm/℃)、高增益精度和高共模抑制比的(100 dB)特点使这款器件特别适合用于医疗仪器设备。AD8228具有固定增益10或100，当2、3引脚断开增益为10，2、3引脚短接增益为100[8]，在本方案中利用AD8228作为主放大器且2、3引脚短接。由于脉搏信号主峰频率在1 Hz左右，能量较强的成分也在20 Ｈｚ以下，所以设计低通滤波器的上限截止频率为40 Ｈｚ。为此整个脉搏波形数据采集电路图如图2所示。电路输出接到A/D的输入端。
     控制板模块采用深圳优龙科技有限公司的YL-E2440核心板，板上采用SAMSUNG高性能ARM920T内核处理器S3C2440，工作频率为400 MHz。板上配备有64 MB NAND Flash，64 MB SDRAM，10M/100M网络接口芯片DM9000AEP，一个复位小按键。通过4条68PIN的连接器引出了电源线、地线、数据线、地址线、A/D输入端、LCD接口、触摸屏控制信号等，便于搭建系统硬件环境。
   
   　液晶模块选用SONY公司的TD035STED4(带四线电阻触摸屏)，其接口与S3C2440提供的LCD信号完全匹配。S3C2440提供了nYPON、YMON、nXPON和XMON直接作为触摸屏的控制信号，但不能直接与触摸屏连接，这里通过两个FDC6321场效应管驱动器与触摸屏连接。输入信号在经过阻容式低通滤器滤除坐标信号噪声后接入S3C2440内集成ADC的模拟信号输入通道AIN5、AIN7。图3为S3C2440与触摸屏的接口图。
   
   
　A/D转换器直接利用S3C2440片上A/D，集成有采样保持电路。分辨率为10位，最大转换速率为500 kS/s。
2 系统软件设计