基于USB总线的脉搏信号检测系统的设计

　　0　引　　言

　　脉搏是人体重要的动力学信号之一,它能反映人体心脏器官和血液循环系统的生理变化,在临床健康观察和疾病诊断中十分重要。随着现代科技的进步采用以计算机为主的信号检测系统来获取大量的脉搏信息,协助医生诊断患的生理状态已成为发展趋势[1]。其中采集的大量脉搏数据如何传输给PC机就显得尤为重要,传统的通信方法是采用RS-232通信,其连接简单,但传输速率慢,并且现在带串口的PC机越来越少,取而代之的是USB接口。通用串行总线USB(Universal Serial Bus)与以往的传统方式相比具有传输速度快、支持即插即用、功耗低等优点,已成为新型数据通信接口的首选。CP2102是Cygnal公司研制的高集成度USB-UART桥接电路[2],本系统正是利用它实现了单片机与PC机之间的USB接口通信。

　　1　脉搏信号检测系统硬件设计

　　脉搏信号检测系统硬件原理框图如图1所示。主要有器模块信号调理模块、ATmega16单片机模块、键盘模块、数据存储模块、LCD模块、USB接口模块等。具体能够完成以下功能:(1)能够动态检测和记录人体脉率;(2)能够实时显示动态脉搏数据;(3)能够实时存储动态脉搏数据;(4)能够通过USB接口与PC机通讯,将存储的脉搏数据传输给PC机[3]。

　　1.1　传感器模块

　　传感器采用HK-2000B脉搏传感器,其利用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、信号调整电路集成在传感器内,具有灵敏度高、抗干扰能力强、性能稳定可靠、使用寿命长等特点,非常适用于无创心血管功能测试和中医脉象诊断。通过对传感器施加一定的预压力可获取人体腕部的桡动脉脉搏信号,输出信号的电压范围为-0.2~0. 8V[4]。

　　1.2　信号调理模块

　　传感器输出的脉搏信号经过信号调理模块进行调整、放大后由单片机的ADC进行模数转换。信号调理模块采用LM324构成同相放大电路,并在同相输入端加0.2 V的输入电压,抬高脉搏信号,做基线调整。选用2片CD4051单8路可编程模拟开关自动调节放大器的放大倍数,使输出的脉搏信号电压满足且最大地分布在ADC的0~Vcc输入电压范围。

　　1.3　ATmega16单片机模块

　　系统采用AVR ATmega16单片机作为主控制器。ATmega16是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于RISC结构的8位单片机,具有高性能、低功率等特点;片内集成16 k字节的Flash程序存储器,8路10位ADC、4路PWM、USART口;并且在软件上有效支持C高级语言及汇编语言[5]。

　　1.4　数据存储模块

　　实际应用中,希望检测系统能够便携采集,据此系统扩展了外部数据存储模块,本文选用了AT24C64,其是I2C总线接口的串行EEPROM,容量为8 KB[4]。在100Hz采样频率和10位分辨率的条件下,能存储大约2 min左右的脉搏信号。此外还设计了液晶显示电路和键盘电路,LCD选用1602字符型液晶显示屏,能动态显示脉率。借助键盘可以向系统发出控制指令,系统设计了3个按键,分别用来控制系统显示脉率、存储脉搏数据和上传脉搏数据。