心率收集处理电路
SoC 技能是一项很重要的电子运用技能，十分合适将其用于生物工程范畴。为了满意低电压、低功耗的需求，本次体系规划挑选SoC 技能用于生物信号处理。
心率是一项重要的生理目标。它是指单位时刻内心脏搏动的次数，是临床惯例确诊的生理目标。为了丈量心率信号，有许多技能能够运用，例如：血液丈量，心声丈量，ECG丈量等等。在混合信号SoC 的规划中，电路能够被分红两部分，模仿电路部分和数字电路部分。其间模仿电路很简略被数字电路搅扰，这是因为数字电路部分自身便是一个高频的噪声源。作为一个混合信号的SoC，怎样处理模仿模块和数字模块的衔接问题是一个应战。
心率检测的SoC 体系框图
用混合信号SoC 规划心率信号的处理体系，就需求低功耗和低电压的供应，所以电源电压为3.3V。体系框图如图一所示。
图1 体系框图
在图一中，传感器选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。信号调度电路包含扩大器、滤波器和比较器。调度电路的输入信号是传感器收集进来的原始心率信号，它的输出信号则是有必定电压起伏的脉冲信号。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说到的脉冲信号，输出的是心率数据，最终经过CPU 核把信号显现出来。CPU 核是EZL-8051。
3 心率信号的收集
将一对红外线发射与接纳探头置于动脉一侧，当指尖的血流量随心脏跳动而改动时，红外线接纳探头便接纳到随心脏周期性地缩短和舒张的动脉息动光脉冲信号，然后收集到心脏搏动信号。
图2 是单光束直射取款式光电传感器。这类槽型光耦由高功率的红外光电二极管和红外光匹配功能强、透镜敏感度高、集电极电流规模大的光敏三极管组成。因为血液中的血红蛋白对近红外线具有吸收效果的生物效应，因而此类传感器灵敏度高、输出信号安稳。其功能目标如表1 所示。
（a）外观图 b）内部结构示意图
图2 单光束直射取款式光电传感器
表 1 单光束直射取款式光电传感器的技能目标
经红外光电传感器收集到的原始心率信号的波形如图3 所示。
图3 红外光电传感器收集到的原始心率信号波形
由图3 可知，经过红外光电传感器收集到的原始心率信号极端弱小（改动幅值在±10mV之间），十分简略遭到外围电路的搅扰。因而，体系有必要独自为信号调度电路供给电源。一起，电路板的布局布线也会对信号发生较大的影响。因而，在规划电路板时要对首要信号线与电源地线进行规划。依据图3 所示的原始心率信号波形能够得到波形全体的改动趋势，但其间掺杂了很强的杂波和搅扰信号。因而，要对传感器收集到的心率信号进行扩大、整形和滤波处理。其间扩大整形电路如图4 所示。
图4 扩大整形电路
图4 中的虚线框部分为红外光电传感器。图中两个三极管构成了达林顿管，能够有效地避免可见光的搅扰，对收集到的弱小心率信号也有较好的增益。传感器收集到的心率信号（图中A 点）经过一级扩大和整形后的信号波形（图中B 点）现已比较滑润，B 点信号的改动幅值为0.8V 左右，但还存在必定程度的电压偏置量。经第二级扩大可得0～10V 的脉冲信号（图中C 点），而且已去除去大部分搅扰，信号也相对安稳，一起也去掉了电压偏置量。扩大整形电路的输出信号波形（即图中C 点信号的波形）如图5 所示。
图5 扩大整形电路的输出信号波形
由图5 能够看出，输出信号具有规范的上升沿和下降沿，且电压改动量为规范量。
心率收集处理电路作业的根本进程
心率收集处理电路如图所示。该部分电路首要由脉息次数红外检测收集电路模块、信号抗搅扰电路模块、信号整形电路模块等三个首要的电路模块组成。其间，红外线发射管D1和红外线接纳管Q1组成了红外检测收集电路;R2与C1、C2与C3、 R4与C4和IC1a一起构成了信号抗搅扰电路组，它们别离承当了对信号的低通滤波、搅扰光线的光电阻隔、剩余高频搅扰的滤除等使命。别的，IC1b、 C5与R10、IC1c则一起组成了信号整形电路模块。
首要，红外检测收集电路中D1发射红外线，而Q1则接纳相应安排的半透明度，一起转换为电信号。因为脉息一般在50次/分~200次/分之间，对应的频率规模在0.78Hz~3.33Hz之间，因而经红外检测收集到并转换得到的电信号频率就十分低。为了避免信号因外界高频信号搅扰而使检测成果有误，信号就有必要先进行低通滤波，以便滤出绝大部分的高频搅扰。电路中选用R2和C1来完结滤除高频搅扰的使命。
然后，因为本心率计规划的适用场所为室外，因而它必然会遇到强光辐射的状况。为了避免在接纳正常脉息红外线时遭到强光的搅扰，电路中规划运用C2、C3背靠背串联组成的双极性耦合电容构成一个简略的光电阻隔电路，然后完成了关于搅扰光线的阻隔。此外，为了避免前面关于高频搅扰滤除的不行完全，电路中还规划衔接了由IC1a、R4、C4组成的截止频率为10Hz左右的低通滤波器电路，以便进一步滤除搅扰，一起将前面的信号扩大200倍左右。
经前面处理得到的信号为叠加有噪声的脉冲正弦波，接下来有必要对这个信号经过整形。先是经过比较器IC1b将正弦波转换成方波。使用R8能够完成将比较器的阈值调定在正弦波的幅值规模之内的意图。接下来，从IC1b的7引脚输出的方波信号经C5、R10构成的微分电路，进行微分处理后将成为正负相间的尖脉冲。为了安稳脉冲的输出，电路规划时是将此脉冲输入到单稳多谐振荡器IC1c的反相输入端，并使用IC1c的输出来作为后极作业的实践运用脉冲。
IC1c在作业时，凡有输入信号时，它会在输入信号后沿到来时输出高电平，然后使C6经过R11充电。大约继续20ms之后，IC1c同相输入端的电位会因C3充电电流减小而下降，当此电位低于反相输入端的电位时（尖脉冲已曩昔好久）， IC1c就将改动状况并再次输出低电平。这20ms的脉冲时刻是与脉息同步的，这种脉冲在电路作业时是与赤色发光二极管D3的闪耀状况相对应的。
经过IC1c之后的脉冲便是后边单片机控制电路所需的实践脉冲，经过R12送到单片机P3.3引脚后，就可完成后边的计数和显现了。
IC1a、IC1b、IC1c作业所需的4.5V电源电压，在电路中是经过R14、R15对9V分压并经IC1d缓冲而得到的。这样的设置，就使得即便电池电压下降到6V，本电路也能完成正常作业。
