基于C8051F020的心血管功能无创检测仪的研制

1 引 言

    随着生活水平不断的提高，心血管疾病已成 为当今发达国家死亡率第一的疾病，在我国也是死亡率最高的一类疾病，世界卫生组织已将其列为 21世纪危害人类健康的头号杀手^[1]。因此如何无创地、快速地、准确地检测出心血管的功能，从而为心血管的诊断提供必要的依据就具有重要的价值。而心血管血流参数如心搏出量、外周血管阻力、血管顺应性、血流半更新率等反映了心脏功能、血管功能以及微循环功能^[2]。系统以计算机为核心，以Frank 弹性腔建立起来的分室网络理论为基础，采用了脉图面积法，通过对压力脉搏波的分析和计算可以得到上述的参数。

2 系统设计

    系统主要是对由 C8051F020 内部高性能 ADC对 PVF 压力传感器采集到的人体压力脉搏波信号进行放大、滤波、基线调理、AD 转换后，再经 USB接口传输计算机，由计算机软件对波形数据经行处理和分析计算得出心血管血流参数，从而反映人体的心血管功能。其总体结构框图如图 1 所示，系统主要由压力脉搏传感器、便携式检测盒和 PC 计算机组成。

    脉搏传感器采用了 HK-2000B 集成脉搏传感器，该传感器采用了高度集成化工艺将力敏组件（PVDF 压电膜）、灵敏度温度补偿组件、感温组件以及信号前级调理集成在传感器内部。具有灵敏度高、抗干扰性强等特点。人体腕部的桡动脉脉搏信号可以通过对传感器施加一定的压力获取，然后通过信号线传输给检测盒。

    便携式检测盒（虚线框部分）主要由信号调理电路、C8051F020 单片机以及 USB 接口电路组成。传感器获取的信号需要经过放大、滤波和基线调节等处理后再经过 AD 转换，再由单片机进行软件滤波处理后经 USB 接口传输给 PC 机进行显示和分析计算。PC 机的主要功能包含：通过 USB 接口向检测盒供电（+5 V）；通过 USB 向检测盒传送命令和从 USB 获取脉搏数据；脉搏分析软件的具体实现等。整个检测盒体积小、重量轻，并采用耳机音频插头连接传感器和 USB 接口连接 PC，易于拆卸和安装。

3 硬件设计

3.1 便携式检测盒设计

    便携式脉搏采集盒主要由以下几个部分组成：信号调理电路；主控制器 C8051F020；USB 接口芯片 FT245BM。如图 2 所示。

3.2 信号调理电路

    由于 HK-2000B 集成脉搏传感器输出信号有负电压，需要设计一个模拟加法器^[3]将基线电压提高 V_ref，V_ref由 C8051F020 的 DAC0 产生，而 V_out=（V_ref+Signal）/2，然后经过 F020 适当的调节 DAC0的输出电压 V_ref使得 V_out控制在 ADC 的输入范围^[4]（0 V～2.42 V）。电路图如图 3 所示。