專利名稱：一種基于usb接口的容積脈搏波信號采集器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于生物醫學工程的人體參數檢測領域。是一種基于USB接 口的容積脈搏波信號采集器，可以采集指端容積脈搏波信號，并將信號通過 USB通用串行總線接口送入PC機，可廣泛應用于心血管功能檢測和分析。
技術背景目前，國內外無創檢測心血管血流動力學參數的設備主要有超聲心動 圖法、心阻抗法、螺旋CT、心臟核醫學方法、磁共振方法等，但這些方法存在著體積大、操作復雜、價格昂貴、檢測環境要求嚴格等缺點。1938年， Hertzman首次提出了光電容積脈搏波描記法，是借助光電手段在活體組織中 檢測血液容積變化的一種無創檢測方法。目前，利用這一方法一般多用來檢 測血氧、腦氧、肌氧、呼吸率和呼吸容量等。20世紀90年代前后，國內外研 究人員開始將容積脈搏波的機理研究與壓力脈搏波理論結合起來，認為由壓 力脈搏波的特性去導出和分析容積脈搏波的血流特性就成為比較直觀和有效 的方法，它們兩者的關系將構成心血管系統的外周阻力與血管順應性等關鍵 的心血管血流參數。在這一前提下，利用容積脈搏波來檢測和計算心血管血流動力學參數， 就可以成為一種非常可行的無創檢測方法。對于容積脈搏波信號的采集設備 主要是臨床應用的監護儀等，但這類設備大多價格昂貴、不適于攜帶。部分 脈搏波信號采集系統還帶有RS232標準串行通訊接口電路與PC機連接。然而，這些用于固定場所、體積較大、價格昂貴的設備不能適應當前對 于實時、便捷地檢測心血管血流動力學參數的要求，從而錯過了很多關鍵生 理狀態、生理過程的評價。另外，RS232標準串行通訊是一種低速的數據傳 輸技術，傳輸速率一般在9600bps-38400bps之間。在傳送大量檢測數據的時 候需要花費很長時間，同時它也不支持即插即用和熱插拔，作為脈搏波信號 采集器使用起來很不方便。 實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有容積脈搏波信號采集系統體積較大、攜 帶不方便的缺點，以及使用RS232通訊接口所帶來的不便。本實用新型的技術方案如圖1和圖2所示， 一種基于USB接口的容積脈 搏波信號采集器，包括光電傳感器、CPU中央處理器、信號濾波電路、信號放大電路，數控增益電路、脈沖供電電路、供電開關控制電路、USB通用串 行總線接口電路、PC機。脈沖供電電路用來為光電傳感器提供脈沖電壓；PC 機通過USB通用串行總線接口電路，將指令發送給CPU， CPU控制供電開關 控制電路，從而控制光電傳感器開始或停止工作；由光電傳感器采集到的電 信號首先經過信號濾波電路、信號放大電路進行信號處理；數控增益電路由 數控電位器、運算放大器以及CPU連接組成，由CPU控制其放大倍數的增加 或減少；信號最后輸出至CPU，在CPU的A/D轉換器中完成A/D轉換，并 將數字信號儲存在CPU中；USB通用串行總線接口電路由USB接口與CPU 連接組成，用于把CPU中A/D轉換后的容積脈搏波波形數據通過USB電纜 實時上傳至PC機，或從PC機接收指令，其數據的發送和接收過程受CPU控 制；PC機通過USB接口為系統供電。所述的CPU中央處理器為Siliconlabs公司的51系列單片機，它集成了 10位A/D轉換器和USB控制器等；通過其各端口的輸入輸出信號控制其它 各電路工作。所述的信號濾波電路由高通濾波器和一階低通濾波器組成。高通濾波器 由RC電路組成， 一階低通濾波器由運算放大器和RC反饋網絡組成。所述的信號放大電路包括前置放大器和二級放大器。前置放大器由儀表 放大器及外圍電阻組成，二級放大器由運算放大器及反饋電阻組成。所述的脈沖供電電路由555定時器及外圍電路組成的多諧振蕩器和三極 管組成。通過電阻RA和RB的阻值來調節脈沖寬度，IRED+為輸出的脈沖電 壓。所述的供電開關控制電路由PNP三極管及其外部電阻組成，三極管的基 極經過電阻Rk-l與CPU的PO.O端口相連，控制三極管的導通。所述的USB通用串行總線接口電路由CPU和USB接口及濾波電容組成。 5個容量不同的濾波電容用于屏蔽USB接口的各種高頻干擾。USB通用串行 總線接口的四根線分別與CPU的VBUS、 D+、 D-和GND相連。VBUS是+5V 電壓輸入，D+和D-是正負信號輸入，GND為地線。CPU中的數據可以通過 USB通用串行總線傳入PC機，PC機也通過USB接口將指令發送給CPU。所述的數控增益電路由數控電位器和運算放大器與CPU連接組成，CPU的i/o端口分別與數控電位器的各控制端相連，包括片選，發送脈沖，幅度變化方向控制。電位器與運算放大器組成了反饋電路。信號的最后輸出通過一個二極管連接到CPU的模擬信號輸入端口，在CPU內部進行A/D轉換。本實用新型整個系統利用USB通用串行總線接口供電，經過電壓轉換電 路降壓后，給各放大器供電。CPU控制了光電傳感器脈沖供電電路的開啟和 關閉。開啟時，電信號將通過高通濾波器、前置放大電路、低通濾波器和數 控增益調節電路，經過基線調整，送入CPU中的10位A/D轉換器。PC機通 過通用串行總線接口給CPU發送指令，開啟脈沖供電電路以及控制數控增益 電阻的阻值變化。采集到的數據通過USB通用串行總線接口實時上傳至PC 機。本實用新型的特點是本實用新型選擇了集成度較高的CPU,它集成了 A/D轉換器和USB控制 器，從而減少了一些煩瑣的外部電路，使得整個信號采集器實現了小型化設 計，攜帶方便。可在PC機端控制傳感器的開啟和關閉，檢測時打開傳感器，不檢測時就 關閉它，既可以保護傳感器又減少了功耗。同時，也可由PC機發送指令調節 采集信號的幅度大小，以適應不同人群信號幅度差距大的特點。針對目前現有的一些信號采集器使用的RS232標準串行通訊接口傳輸速 率低、不支持即插即用、不支持熱插拔的缺點，本實用新型使用USB通用串 行總線接口與PC機通訊。這種接口具有快速、即插即用、支持熱插拔的特點， 從而使采集器與計算機的連接更加高效、便利，操作簡單。同時，本實用新 型可以將采集到的信號實時傳入PC機，使得心血管功能的檢測和分析更為快 速和方便。
圖1本實用新型的示意框圖；圖2本實用新型的電路原理圖；具體實施方式
結合圖l、圖2對本實用新型作進一步的說明.-一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器，由光電傳感器、CPU中央處理器、信號濾波電路、信號放大電路、數控增益電路組成、脈沖供電電路、 供電開關控制電路、USB通用串行總線接口電路、電源轉換電路、基線調節電路、HAG接口電路。CPU中央處理器U4為Siliconlabs公司的51系列單片機，型號為 C8051F320。它集成了 10位A/D轉換器、USB控制器，并支持在線調試。CPU 的VDD端口是其內部的穩壓器將+5V電壓轉換為+3.3V的輸出，可為外部電 路提供電壓。發光二極管與保護電阻R4-3相連，燈亮時表示已接通USB通 用串行總線接口電路。脈沖供電開關控制電路由Ql與CPU相連組成。光電傳感器接口 Jl的4 腳是光電傳感器的供電端口，與Rin連接至Ql的集電極；Ql是型號為9015 的PNP三極管。Ql的基極經過保護電阻Rk-l，與CPU的PO.O腳相連，由 CPU控制該端口的電壓，從而控制三極管的導通和斷開。導通時即給光電傳 感器供電，斷開時就停止供電。脈沖供電電路由UR型號為555的定時器與外部電阻、電容、二極管組成 多諧振蕩電路。脈沖電壓的占空比由RA和RB的阻值控制，UR的Q腳即為 脈沖電壓的輸出。Q腳通過保護電阻RIRJ與Q2基極相連；Q2是型號為卯13 的NPN三極管。UR的Q腳電壓輸出控制Q2的導通和關閉。當導通時，111￡0+ 輸出為VDD (+3.3V)，斷開時，IRED+輸出為OV。容積脈搏波電信號從接口 Jl的1、3腳輸入。分別經過C1-1、R1-1和Cl-2、 Rl-2的高通濾波電路后，輸入系統的前置放大器Ul， Ul的型號為ADI公司 的儀表放大器AD620。 Rg是反饋電阻，連接在U1的1腳和8腳之間，其阻 值決定了前置放大倍數。Ul的7、 4腳分別為芯片提供+5V禾口-5V的電壓， Cl-3、 Cl-4為濾波電阻，用來濾除電源線上的高頻干擾。二級放大電路由U2A 以及R2-1、 Rl-3組成，U2是型號為NE5532的其中一個運算放大器。二級放 大倍數為R2-l與Rl-3的比值。R2-l和C2-l構成的RC網絡與U2A構成了 一階低通濾波器。芯片的4、 8腳分別提供了-5V和+5V的電壓，C2-2和C2-3 為濾波電容。信號從U2A的1腳輸出，接著通過數控增益電路調節放大倍數。U3與 U2B和CPU連接組成了數控增益電路。U3是數控增益電位器，型號為 X9C103; U2B是型號為NE5532的另一個運算放大器。U3的CS腳與CPU的P0.1相連，用來片選。INC腳與CPU的P1.2腳相連，用來給芯片發送脈 沖，在脈沖到來時才會觸發一次阻值的調整。U/D腳與CPU的P1.3相連，用 來控制數控電位器阻值的增大或減小。VL和VH、 VW分別與U2B的6腳和 7腳相連，構成反饋網絡，形成放大電路，其放大倍數為X9C103的阻值與 R2-3的比值。電位器RBase與電阻RBasel-l、 RBasel-2和U2B構成基線調 節電路，通過調節電位器RBase的阻值，來調節給U2B的參考電壓，使得輸 出的有效信號在A/D轉換器允許的范圍內。U2B的7腳的信號輸出經過二極 管D2，濾掉負信號后，與CPU的P1.4相連，P1.4作為CPU中A/D轉換器的模擬信號輸入端口。USB通用串行總線接口電路由USB接口與CPU連接組成。J2為USB通 用串行總線接口，共有4根線。4腳接地，3、 2腳分別與CPU的D+和D-相 連，是信號的正負輸入端。1腳為整個系統提供+5V電壓，是系統的VCC， 且與CPU的VBUS和REGIN相連，使其為CPU供電。C4-4、 C4-5、 C4-6、 C4_7、 C4-8與VBUS相連，另一端接地，是濾波電容，用來濾除電源上的高 頻噪聲干擾。電壓轉換電路由U5及其外部電阻、電容、電感和二極管組成。U5的型 號為MAX735， V+腳提供+5V電壓，由PC機通過USB接口提供。VOUT腳 是電壓轉換后的-5V輸出，為系統的各放大器供電。CPU的外部復位電路由RESET開關、電容與CPU連接組成。RESET開 關一端經過電阻R4-2接CPU的VDD，另一端接地，當開關按下時，系統復 位。JTAG接口電路由J4與CPU連接組成。由于CPU具備在線調試的功能， 因此可以在電路中設置JTAG接口，可靈活的編寫和下載CPU程序。本實用新型在檢測時，先將設備插入PC機的USB接口，同時，只需要 將人體的食指或中指放入光電傳感器中；待PC機啟動采集后即可實時采集容 積脈搏波信號，并將數據上傳至PC機進行進一步分析。本實用新型體積小(約 為4.5cm* 1.7cm)，和普通U盤大小相似，攜帶方便，操作簡單，實用性強。
權利要求1、一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器，包括光電傳感器、CPU中央處理器、信號濾波電路、信號放大電路，數控增益電路、脈沖供電電路、供電開關控制電路、USB通用串行總線接口電路、PC機；脈沖供電電路用來為光電傳感器提供脈沖電壓；PC機通過USB通用串行總線接口電路，將指令發送給CPU，CPU控制供電開關控制電路，從而控制光電傳感器開始或停止工作；由光電傳感器采集到的電信號首先經過信號濾波電路、信號放大電路進行信號處理；數控增益電路由數控電位器、運算放大器以及CPU連接組成，由CPU控制其放大倍數的增加或減少；信號最后輸出至CPU，在CPU的A/D轉換器中完成A/D轉換，并將數字信號儲存在CPU中；USB通用串行總線接口電路由USB接口與CPU連接組成，用于把CPU中A/D轉換后的容積脈搏波波形數據通過USB電纜實時上傳至PC機，或從PC機接收指令，其數據的發送和接收過程受CPU控制；PC機通過USB接口為系統供電。
2、 根據權利要求1所述的一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器， 其特征在于CPU中央處理器為51系列單片機。
3、 根據權利要求1所述的一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器， 其特征在于脈沖供電電路由555定時器及外圍電路組成的多諧振蕩器和三 極管組成。
4、 根據權利要求1所述的一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器， 其特征在于供電開關控制電路由PNP三極管及其外部電阻組成。
專利摘要一種基于USB接口的容積脈搏波信號采集器，用于生物醫學工程的人體參數檢測領域。包括光電傳感器、CPU中央處理器、信號濾波電路、信號放大電路，數控增益電路、脈沖供電電路、供電開關控制電路、USB通用串行總線接口電路、PC機。脈沖供電電路用來為光電傳感器提供脈沖電壓；供電開關控制電路用來控制傳感器啟動或停止；由光電傳感器采集到的電信號首先經信號濾波電路、信號放大電路處理，經過數控增益電路的幅度調節傳入CPU，在CPU的A/D轉換器中進行模數轉換，數據儲存在CPU中；USB通用串行總線接口電路將采集到的數據實時傳入PC機；PC機為整個系統供電。該設備體積小，攜帶方便；可廣泛用于心血管功能檢測和分析。
文檔編號A61B5/02GK201085618SQ20072017370
公開日2008年7月16日 申請日期2007年10月19日 優先權日2007年10月19日
發明者松 張, 楊益民, 陳廷鋆 申請人:北京工業大學