摘要：根据红光和红外光透过手指后光吸收量变化的特点，本文研究了基于单片机AT89C52的血流信号采集系统。该文设计了血流信号检测电路，研究了四点累加平均滤波和五点滑动平均滤波算法，有效的滤除了信号的高频噪声，克服了因个人生理差异引起的信号基线漂移、易饱和等问题。通过VB编程，实现了单片机和PC机之间的串行通信。
关键词：单片机；血流信号；信号采集；串行通信
中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2468-02
Design of Blood Signal Acquisition System Based on Single-Chip Microprocessor AT89C52
WANG Guo-yong
(Chengde Petroleum College,Chengde 067000,China)
Abstract: According to the characteristic of red light and infrared light having change after uptake finger,this paper has studied blood signal acquisition system that based on single-chip microprocessor AT89C52.It has designed circuit of blood signal detection,and has studied algorithms of averaging filter for four data and averaging filter for five data,and it is effective to filter the noise of high frequency of signal, has surmounted the problems such as the signal drift and easy saturation of base line because of personal physiological discrepancy. It has realized the serial communication between single-chip microprocessor and personal computer by VB.
Key words: single-chip microprocessor;blood signal;signal acquisition;serial communication
1 引言
人体动脉的搏动能够引起测试部位血液流量的变化，从而引起光吸收量的变化，而非血液组织(皮肤、肌肉、骨骼等)的光吸收量通常认为恒定不变的。血流信号的测量技术就是利用这个特点，通过检测血液容量波动引起的光吸收量的变化，测试方法简单易行。
波长为600~1500 nm的谱段是物质化学信息检测的重要光谱区域，一直在各行业得到广发应用。自20世纪80年代以来，光谱分析和检测迅速运用于医学检验，成为无损检测的重要手段[1]。临床实验表明，人体的指尖处，毛细血管丰富、组织较薄、光容易透过，组织吸光性影响相对较小，所以经常选择这些部位作为测量位置。本实验就是采用光电传感器发出红光和红外光投射到手指上，检测手指的血流变化。
2 血流检测电路组成及原理
血流检测电路由单片机及其外围接口电路、光电信号发生电路、初级差动放大电路、自动基线调节电路、可调积分放大电路、A/D转换电路等部分组成[2]。采用AT89C52单片机作为控制和数据处理的中心。由AT89C52周期性的送出两路脉冲到光源驱动电路，这两路脉冲经过光源驱动电路进行功率放大后，送到指套式光电传感器的红光和红外光发射二极管上，使它们周期性的发射红、红外光脉冲。将手指放在指套式传感器内，调制光脉冲透过手指后，被二极管接收后重新转化为电压信号，当手指动脉搏动时，流过手指的血液流量发生变化，透射过的光强随之变化，所转化的电压信号的幅度也就产生相应的变化。波动信号通过差动放大电路进行放大，进入自动基线调节模块，经过自动量程转换调节后，使采集信号基线平稳，再经过可调积分放大电路使信号得到均衡放大，在进行A/D转换、单片机滤波后，通过单片机与PC机之间的串行通信，将数据传送给PC机。
3 血流检测电路设计
3.1 光电信号发生电路和差动放大电路
在图2中，R2和R5分别和AT89C52的P1口相连，P1.6和P1.7发出频率为250Hz高低电平信号。当P1.6为高电平时，经三极管Q1、Q5和Q3放大，发光二极管发光，产生的信号穿透手指由接收二极管接收。当经过手指的血流量发生变化时，穿过手指的光强也发生变化。这种变化转变为电信号的变化由接收二极管传递给电路的初级放大部分。 从光电传感器中接收二极管中输出的信号经过差动放大电路初级放大后，能够抑制温漂并有效抵消随机噪声，提高信噪比。
3.2 自动基线调节电路
这部分电路的核心部分采用D/A转换电路进行基线调节。D/A转换器件采用DAC0832。其内部包含一个8位的R-2R类型的D/A转换器[3]，且DAC0832作为控制放大器使用，如图3所示。
根据图4可得到输入电压Vi和输出电压V0关系：
其中：N是D/A转换的输入的数字量，从上式可以看出，根据Vi的不同，输入不同的数字N，可以得到所需要的V0。
从测量的原理来看，光电传感器把光强信号变化转换为电信号变化，这种信号经过放大和A/D采样后进入单片机，并通过单片机内部的信号处理模块后，就可以采集到血流信号。但在试验中发现这种方法是行不通的。如果直接对信号进行简单放大，就会出现以下情况：1) 整个信号超出放大器的动态范围，而交流信号仍未得到足够放大；2) 越是交流信号分量小的信号，整个信号就越容易饱和，所以交流信号分量也就难以得到足够的放大；
设计自动基线调节模块目的是获得基线平稳的光强信号，不影响信号的交流分量。虽然不同人的血流信号的直流信号不同，但是经过调节，可以获得基线平稳值相同的信号，在此基础上截取信号的一部分直流分量，之后再进行放大，使信号的交流分量得到适当的放大。具体如下：经A/D采集一个周期的脉动微弱的光强信号，求其平均值Vi，假设要求得到的基线平稳的光强信号基线值为V0，比较Vi和Vo就可以得到调节系数，由调节系数通过DAC0832即可使不同的输入值Vi变成同一输出值V0。
3.3 可调积分放大电路
由于人体手指对红光和红外光的吸光度不同，所以从自动基线调节输出的红外脉冲信号要比红光脉冲信号起伏的多，为在同一通道中能对信号进行均衡的放大，采用了积分电路，其输入与输出的关系可用积分公式表示：
放大电路的增益决定了积分时间α的大小，且通过单片机AT89C52来控制模拟开关4066来实现，只要选择适当的时间就能够使它们得到均衡放大。
3.4 A/D转换
积分器输出的检测信号的平均值虽很大，但它随脉搏产生的脉动起伏却很小。如直接进行放大，将使信号达到饱和而削顶，为此取信号顶端脉动起伏部分进行放大。这里采用ADC0809进行转换。ADC0809以查询方式与AT89C52相连，并采用定时器T0定时4 ms中断，进行250 Hz采样。
3.5 单片机
本实验采用AT89C52作为信号控制和数据处理的中心。其主要功能为：
1) 周期性的输出两路脉冲，作为红光和红外光的测量信号源。
2) 通过D/A控制基线自动调整电路，使其输出基线电平恒定。
3) 通过模拟开关控制积分器的积分时间。
4) 控制模拟开关，使积分后信号和差动放大器输出的脉冲信号分时进入放大器放大。
5) 控制A/D转换，对积分器输出的脉动信号进行数据采集。
6) 对采集的数据进行滤波。
4 信号采集预处理
信号处理主要指信号滤波，这里采用四点累加平均滤波和五点滑动平均滤波[4-5]。
1) 四点累加平均滤波。血流信号的特点是信号微弱，对其测量的要求主要是波形的恢复。在信号出现的时间内对信号进行等间隔采样。然后对这些信号进行多次抽样，并加以平均，以抑制混在信号中的噪声，从而恢复脉冲信号在各个时刻的数值，并使波形得到完整的恢复。
2) 五点滑动平均滤波。滑动平均滤波相当于一个低通滤波器，能够滤除高于信号最高频率的高频噪声。本试验采用五点滑动平均滤波，当采样频率取250 Hz时，还能很好抑制50 Hz工频干扰。对连续五点的采样值求平均值后(
5 试验结果
单片机经A/D转换后得到的信号通过串行通信端口RS-232传送给PC机。由于单片机的发送端和接收端是TTL电平，而PC机的数据接收端和发送端是RS-232电平。本次实验使用集成电平转换芯片MC1488和MC1489作为单片机和RS-232转换电平芯片。
PC机利用Visual Basic软件编程且通过Visual Basic标准控件MSComm来实现数据通信。单片机和PC机遵守统一的通讯协议，包括：1)波特率设为19200 b/s。2)信息格式为8位数据位、1位停止位、无奇偶检验。3)握手方式：PC机采用查询方式收发数据；单片机采用中断方式接收数据。
为了建立人机界面，在VB6.0环境中建立血流信号采集系统，建立一个窗体，命名为“血流信号采集系统”，编译串行通信程序。PC机接收从单片机发送过来的数据，绘制血流信号图。限于篇幅限制，下面只给出了信号采集流程图。图6是血流信号采集结果截图。
6 结论
本实验通过AT89C52作为信号控制和数据处理中心，根据光谱检测和投射原理，设计了采集血流信号的系统。研究的自动基线调节和积分放大电路，能够抑制基线漂移，对血流信号进行均衡放大。通过四点累加平均滤波和五点滑动平均滤波，能够使血流信号得到恢复，滤除了高频噪声，抑制了工频干扰，克服了因个人生理差异引起的信号基线漂移、易饱和等问题。
参考文献：
[1] 黄建新,刘怀.监护用脉搏式血氧饱和度模块的研制[J].南京师范大学学报,2006,3(6):17-19.
[2] 陈亚明,谭小丹,邓亲恺.监护用脉搏式血氧饱和度测试方法的研究[J].中国医疗器械,1999,23(3):139-141.
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