基于LabVIEW的中医脉象仪设计

【摘要】脉象信号是反映人体机能的重要参数，在人体的生命监护中有极其重要的参考价值。本文提出一种基于LabVIEW虚拟仪器技术为平台，以单片机作为核心控制器件，用压阻式传感器件采集数据，以及放大、滤波信号调理电路，实现计算机实时显示采集得到的脉象信号，能够快速给出脉象信号特征及诊断结果。本系统可实时、连续、长时间的采集人的脉象信号，具有实用价值。

【关键词】脉象信号信号处理串行通信LabVIEW

脉诊是我国传统医学四诊中最具特色的诊断方法，由于它特有的科学内涵和久经考验的客观效果，使其历经数千年而不衰。然而当现代先进的科学技术促进西方医学，特别是诊断医学及设备飞速发展的新形势下，中国的脉学理论和方法却少有突破，缺乏时代气息，脉诊客观化研究已成为中西医结合医学的重大科学课题。。本文针对脉象信号的采集和处理问题，利用光敏二极管采集，并对转化的初始光电信号进行调理，设计由仪用放大器构成的前置放大电路。本文提出将信号放大滤波后送入MSP430G2553单片机中，采用虚拟仪器技术，利用LabVIEW作为脉象信息显示及处理的平台，可以实时显示采集信号的直观信息，同时软件中丰富的数据处理包可以分析出信号的幅度、频率等信息。

一、系统总体设计

人体的脉象有6道，我们要把这6道脉象信号全都提取出来，以便对其进行观察和比较。如果每个脉象信号都有自己的放大电路和A / D转换电路，那么就要求这些放大电路和A / D转换电路的性能参数相同，但是要做到这一点非常困难，几乎是做不到的，因此我们采用单个通道循环采集的办法。具体做法是六路脉象信号共用一路放大电路和A / D转换电路，我们用模拟通道选择开关CD4051来对脉象信号进行选择，同时利用单片机来控制这个选择开关，实现对六路脉象信号的循环采集，具体如图1所示：

二、系统实现

整个系统包括以下几个部分：压阻传感器的信号采集模块、前级信号放大调理模块、单片机控制部分以及计算机中LabVIEW的实时显示处理模块。

2.1压阻传感器

在脉象信号采集过程中要求传感器体积小、灵敏度高、固有频率高。半导体压阻式压力传感器具有灵敏度高、高精度、体积小、动态响应快等特点，所以选择压阻式传感器方案，并且采用恒流源供电，电路图如2图所示：

2.2前置放大电路

前最级主要考虑噪声、输入阻抗和共模抑制比三项的影响，选用精密仪用放大器INA114。这里设计的电路，组成由三部分：输入缓冲、高频滤波和仪用放大器。TLC2254是满电源幅度输出的运放，它在轻负载下的最大输出电压几乎等于电源电压幅度，作为电压跟随器，RC低通滤波电路组成高频滤波器。电路图如图3所示：

2.4后级放大电路

根据脉搏信号特点，信号应被放大1000倍后进入A/D，前置级放大了10倍，再次需再次放大100倍，考虑到放大器的性能问题，再用两级放大形式。前一级放大10倍电容C的作用使整个模块有了低通（截止频率100Hz）的功能，不仅可以去除信号中的高频干扰，还由于其超前的补偿作用，对有效信号中的高频部分进行了相位补偿。后一级可实现增益调节，放大范围2-10.另外由于后面ADC0809对于输入的模拟信号幅值有一定的要求（0―5V），需要对经信号调理后的电压号进行限幅。

2.5单片机与计算机的通信

系统中，该单片机通过串口与计算机进行通信，它能够接收计算机发出的控制命令，并且负责向计算机发送采集到的数据。

其中MAX232A是由美国MAXIM公司生产，包含两路驱动和接收器的RS一232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS一232接口所需的10V电压。图中，PC DB 9是微机的9针串口，其中第二脚是接收数据端口，第三脚是发送数据端口，第五脚是信号接地端。这里采用了三线连接串口：计算机的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。

三、系统软件设计

3.1单片机程序

在系统中，单片机作为一个核心的控制部件，主要完成数据采集和数据向上位机发送的工作，其中定时采样频率是由定时器0的常数自动装载8位计数器的方式产生的；波特率由定时器l的方式1产生。可以对单片机编程，让控制信号在000-101之间循环，这样就可以做到对六路脉象信号的循环采集，人的脉搏的频率是很低的，一般都达不到100Hz，而A/D转换电路的采样速率是6.25KHz，根据奈奎斯特采样定理，对脉象信号进行循环采集不会影响脉象信号的恢复，可以不失真的还原出六路脉象信号。这样，经过模拟通道选择开关CD4051的选择，出来的只有一路脉象信号，也就是只用一路放大电路和一路A / D转换电路就可以对脉象信号进行放大处理和采集。

3.2LabVIEW脉象显示及诊断

本系统采用的是LabVIEW8.5版本软件，对一般动态测试技术中往往需要将时域信号变换到频域上加以分析，对信号进行FFT变换和分析可以获得信号包含的频率成分以及频率范围幅值分布和能量分布，如图5所示。

四、结束语

本文设计的一个以LabVIEW为平台，利用单片机进行前端微弱脉象信号采集，通过串口实现与计算机的数据通信，实际制作了整个硬件电路，并利用LabVIEW强大的信号分析与处理功能开发了一套微弱脉象信号采集和处理系统。实验过程中，整个系统能可靠运行，LabVIEW表现了很好的灵活性。该系统的突出特点是利用LabVIEW采集和处理微弱信号，充分发挥了软件的上层应用程序优势，缩短了开发周期；同时图形化的设计简单易懂，便于操作控制，可以扩展为更多的系统所使用。

参考文献

[1]谢家宇，蔡坤宝，王永东.连续小波变换在中医脉象信号中的应用.重庆大学学报（自然科学版）. 2003（01）

[2]谢利.脉诊客观化临床研究进展.甘肃中医. 2003（09）

[3]江迅. R波复合触发电路的设计.医疗设备信息. 2003（8）

[4]蔡轶珩，沈兰荪.黄祥林.脉象分析仪的研究进展.电子测量与仪器学报. 2002（12）

[5]刘明林，魏红，刘静溪.中医脉诊仪的设计思路.辽宁中医杂志. 2004（01）

[6]杜志斌，张治国.脉诊压力传感器的研究进展.社区医学杂志. 2011（15）