基于MSP430的便携式脉搏测试仪系统的设计与实现

本便携式脉搏测试仪基于光电脉搏检测原理，采用MSP430单片机板作为核心控制器。该设计通过红外发光二极管发射红外光，红外光透过率的改变反映手指血液容量的周期性变化，由光敏三极管接收受调制的光信号，经过滤波、放大等处理后，通过单片机AD采样获取脉搏信号。测试仪采用128×64点阵型LCD液晶显示器，实现了实时显示每分钟的脉搏数以及光电脉搏信号波形动态图。在此基础上该系统还实现了自启动测量、自动待机、数据回放及脉搏报警等功能。

【关键词】脉搏 光电 MSP430单片机

全球人口老龄化、人们生活水平提高和偏远地区对医疗服务需求增加等因素正促使传统医疗方式的变革，移动性和便携性逐步成为影响医疗电子产业的关键。另一方面，半导体技术的发展推动医疗创新的步伐以前所未有的速度向前迈进，在快速处理计算、高精度模数转换和无线网络技术进步的带动下，医疗电子产品走向便携式和小型化成为现实。

本系统设计的便携式脉搏测试仪是基于光电脉搏检测原理，通过红外发光二极管发射红外光，红外光透过率的改变反映手指血液容量的周期性变化，由光敏三极管接收受调制的光信号，经过滤波、放大等处理后，通过单片机AD采样获取脉搏信号。测试仪采用128×64点阵型LCD液晶显示器，实现了实时显示每分钟的脉搏数以及光电脉搏信号波形动态图。

1 系统的总体方案

脉搏信号是动脉血管中血流量的变化信号，随着心脏的跳动，动脉血管中血流量发生有节奏的周期性变化，通过这一现象来测得脉搏波信号。本系统利用红外光透过手指，将脉搏信号转换成光信号，再通过光敏三极管接收转换成为电信号，将电信号进行放大，滤除杂波，经过整形，利用单片机控制，通过LCD显示屏显示被测信号。系统总体框图如图1所示。

2 系统的参数分析与计算

2.1 脉搏信号参数分析

脉搏每分钟跳动的次数是一项重要的生理参数，它反应人体心脏工作的频率。正常人的脉搏次数是每分钟60到70次，这种信号频率较低，信息微弱，其幅度一般在微伏到毫伏的数量级范围，因此在处理脉搏信号需要选择合适的放大器。脉搏信号噪声强，脉搏信号幅度小，因而信噪比低，极容易引入干扰，如肌体动作、精神紧张带来的干扰，以及50Hz的工频干扰，需要对脉搏信号作消噪处理。脉搏波频率低，范围是0.1到20Hz，主峰频率在1Hz左右，主要频率分量一般在20Hz以下，如图1。

2.2 信息采样与处理参数分析与计算

MSP430单片机采集到脉搏信号后，根据提取的脉搏波特征，编程实现脉搏速率的计数，设置采用率为50Hz，计算得到两波峰指尖的点数，1秒钟采集50个点，通过采集的点数可以计算得到60s单片机采集到的脉搏波点数，通过采集到脉搏波的总点数除以两波峰之间的点数，就可以得到一分钟出现的脉搏次数，计算脉搏次数采用脉搏体积描记法，因此可以测得脉搏次数=60×采样率/两波峰间点数。

2.3 波形显示参数分析与计算

经过前端的信号调理电路处理后，将光电式脉搏传感器采集到的脉搏信号送到单片机的10位ADC模块进行模数转换，通过128×64点阵LCD液晶显示屏显示出来。脉搏波经过放大后最低平均电压为500mV，最低平均电压为1.5V。波形在LCD显示点的范围U/x=2.5V/1024，得出液晶显示点范围为205到615。

3 系统的硬件电路和程序设计

3.1 光电转换电路设计

光发射部分接入恒流源电路，以减少光源供电波动对测量脉搏信号的影响，提高电路稳定度。恒流源电路主要是由输入级和输出级构成，输入级提供参考电流，输出级输出需要的恒定电流。保证流过发光二极管的电流为恒定值，使二极管发光稳定，光敏三极管则可接收到稳定的光。光敏接收三极管的集电极负载200Ω。使光敏三极管两端电压随光敏三极管电阻值的变化而变化。光电转换电路如图2所示。

3.2 调理电路设计

信号隔离直流电路是利用 4.7μF 的电容实现的，除去了传感器信号中的直流部分，送入放大电路。考虑到透射式脉搏传感器中的光敏三极管的输出的电流很小，很容易受到噪声干扰和工频干扰的影响，需要设计良好的放大电路，以驱动后级电路工作。信号放大电路主要利用运算放大器的级联放大功能实现。 将输入的微小交流信号送入第一级进行10倍的放大，再进入第二级相似的放大电路放大20倍，并通过电路中的电容滤去10Hz以上的高频信号，得到被放大约200倍，幅值1V左右的脉搏信号，实现与整形电路部分的输入匹配。信号隔离直流、放大电路如图3所示。

光电信号经过放大后，必须对信号滤波才能满足采集要求。滤波电路采用二阶有源滤波器来完成。通带内幅频特性曲线比较平坦，滤除50Hz左右干扰。其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，使电路性能更加稳定，如图2、3。

信号整形部分由施密特触发器CD4093实现，整形为方波信号，此信号可用于数字电路进行处理，也可以给单片机IO口进行读取脉搏次数。整形前的波形可用于单片机A/D口进行采样，进行描点绘图，计算脉搏次数。

3.3 系统的软件设计

系统软件基于MSP430单片机开发系统 ，程序用C语言编写，由主程序、外部中断程序、定时器中断程序，延时子程序等模块组成。主程序主要完成程序的初始化。外部中断服务程序由测量、计算、读数等部分组成。定时中断程序由计时、动态扫描点显示、有无测试信号判断等程序。本系统软件流程如图4所示。

4 结论

系统设计完成后接通电源，红外光照射指尖，示波器能显示出光接收透射信号。通过测量比较便携式脉搏测试仪和医疗仪器同时测量，对比每分钟脉搏次数的数据，误差每次小于±2次。同时，通过键盘输入预置脉搏次数上下告警门限，测得脉搏次数超过门限值时，便携式脉搏测试仪LCD显示报警以及128×64点阵屏幕能够实时显示光电脉搏信号波形。

参考文献

[1]宁武，唐晓宇，闫晓金.全国大学生电子设计竞赛基本技能指导[M].北京：电子工业出版社，2009（05）.

[2]张华林，周小方.电子设计竞赛实训教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007（07）.

[3]谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008（01）.

作者单位

武汉工程大学邮电与信息工程学院 湖北省武汉市 430070