专利名称：一种基于usb接口的容积脉搏波信号采集器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生物医学工程的人体参数检测领域。是一种基于USB接 口的容积脉搏波信号采集器，可以采集指端容积脉搏波信号，并将信号通过 USB通用串行总线接口送入PC机，可广泛应用于心血管功能检测和分析。
技术背景目前，国内外无创检测心血管血流动力学参数的设备主要有超声心动 图法、心阻抗法、螺旋CT、心脏核医学方法、磁共振方法等，但这些方法存在着体积大、操作复杂、价格昂贵、检测环境要求严格等缺点。1938年， Hertzman首次提出了光电容积脉搏波描记法，是借助光电手段在活体组织中 检测血液容积变化的一种无创检测方法。目前，利用这一方法一般多用来检 测血氧、脑氧、肌氧、呼吸率和呼吸容量等。20世纪90年代前后，国内外研 究人员开始将容积脉搏波的机理研究与压力脉搏波理论结合起来，认为由压 力脉搏波的特性去导出和分析容积脉搏波的血流特性就成为比较直观和有效 的方法，它们两者的关系将构成心血管系统的外周阻力与血管顺应性等关键 的心血管血流参数。在这一前提下，利用容积脉搏波来检测和计算心血管血流动力学参数， 就可以成为一种非常可行的无创检测方法。对于容积脉搏波信号的采集设备 主要是临床应用的监护仪等，但这类设备大多价格昂贵、不适于携带。部分 脉搏波信号采集系统还带有RS232标准串行通讯接口电路与PC机连接。然而，这些用于固定场所、体积较大、价格昂贵的设备不能适应当前对 于实时、便捷地检测心血管血流动力学参数的要求，从而错过了很多关键生 理状态、生理过程的评价。另外，RS232标准串行通讯是一种低速的数据传 输技术，传输速率一般在9600bps-38400bps之间。在传送大量检测数据的时 候需要花费很长时间，同时它也不支持即插即用和热插拔，作为脉搏波信号 采集器使用起来很不方便。 实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有容积脉搏波信号采集系统体积较大、携 带不方便的缺点，以及使用RS232通讯接口所带来的不便。本实用新型的技术方案如图1和图2所示， 一种基于USB接口的容积脉 搏波信号采集器，包括光电传感器、CPU中央处理器、信号滤波电路、信号放大电路，数控增益电路、脉冲供电电路、供电开关控制电路、USB通用串 行总线接口电路、PC机。脉冲供电电路用来为光电传感器提供脉冲电压；PC 机通过USB通用串行总线接口电路，将指令发送给CPU， CPU控制供电开关 控制电路，从而控制光电传感器开始或停止工作；由光电传感器采集到的电 信号首先经过信号滤波电路、信号放大电路进行信号处理；数控增益电路由 数控电位器、运算放大器以及CPU连接组成，由CPU控制其放大倍数的增加 或减少；信号最后输出至CPU，在CPU的A/D转换器中完成A/D转换，并 将数字信号储存在CPU中；USB通用串行总线接口电路由USB接口与CPU 连接组成，用于把CPU中A/D转换后的容积脉搏波波形数据通过USB电缆 实时上传至PC机，或从PC机接收指令，其数据的发送和接收过程受CPU控 制；PC机通过USB接口为系统供电。所述的CPU中央处理器为Siliconlabs公司的51系列单片机，它集成了 10位A/D转换器和USB控制器等；通过其各端口的输入输出信号控制其它 各电路工作。所述的信号滤波电路由高通滤波器和一阶低通滤波器组成。高通滤波器 由RC电路组成， 一阶低通滤波器由运算放大器和RC反馈网络组成。所述的信号放大电路包括前置放大器和二级放大器。前置放大器由仪表 放大器及外围电阻组成，二级放大器由运算放大器及反馈电阻组成。所述的脉冲供电电路由555定时器及外围电路组成的多谐振荡器和三极 管组成。通过电阻RA和RB的阻值来调节脉冲宽度，IRED+为输出的脉冲电 压。所述的供电开关控制电路由PNP三极管及其外部电阻组成，三极管的基 极经过电阻Rk-l与CPU的PO.O端口相连，控制三极管的导通。所述的USB通用串行总线接口电路由CPU和USB接口及滤波电容组成。 5个容量不同的滤波电容用于屏蔽USB接口的各种高频干扰。USB通用串行 总线接口的四根线分别与CPU的VBUS、 D+、 D-和GND相连。VBUS是+5V 电压输入，D+和D-是正负信号输入，GND为地线。CPU中的数据可以通过 USB通用串行总线传入PC机，PC机也通过USB接口将指令发送给CPU。所述的数控增益电路由数控电位器和运算放大器与CPU连接组成，CPU的i/o端口分别与数控电位器的各控制端相连，包括片选，发送脉冲，幅度变化方向控制。电位器与运算放大器组成了反馈电路。信号的最后输出通过一个二极管连接到CPU的模拟信号输入端口，在CPU内部进行A/D转换。本实用新型整个系统利用USB通用串行总线接口供电，经过电压转换电 路降压后，给各放大器供电。CPU控制了光电传感器脉冲供电电路的开启和 关闭。开启时，电信号将通过高通滤波器、前置放大电路、低通滤波器和数 控增益调节电路，经过基线调整，送入CPU中的10位A/D转换器。PC机通 过通用串行总线接口给CPU发送指令，开启脉冲供电电路以及控制数控增益 电阻的阻值变化。采集到的数据通过USB通用串行总线接口实时上传至PC 机。本实用新型的特点是本实用新型选择了集成度较高的CPU,它集成了 A/D转换器和USB控制 器，从而减少了一些烦琐的外部电路，使得整个信号采集器实现了小型化设 计，携带方便。可在PC机端控制传感器的开启和关闭，检测时打开传感器，不检测时就 关闭它，既可以保护传感器又减少了功耗。同时，也可由PC机发送指令调节 采集信号的幅度大小，以适应不同人群信号幅度差距大的特点。针对目前现有的一些信号采集器使用的RS232标准串行通讯接口传输速 率低、不支持即插即用、不支持热插拔的缺点，本实用新型使用USB通用串 行总线接口与PC机通讯。这种接口具有快速、即插即用、支持热插拔的特点， 从而使采集器与计算机的连接更加高效、便利，操作简单。同时，本实用新 型可以将采集到的信号实时传入PC机，使得心血管功能的检测和分析更为快 速和方便。
图1本实用新型的示意框图；图2本实用新型的电路原理图；具体实施方式
结合图l、图2对本实用新型作进一步的说明.-一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器，由光电传感器、CPU中央处理器、信号滤波电路、信号放大电路、数控增益电路组成、脉冲供电电路、 供电开关控制电路、USB通用串行总线接口电路、电源转换电路、基线调节电路、HAG接口电路。CPU中央处理器U4为Siliconlabs公司的51系列单片机，型号为 C8051F320。它集成了 10位A/D转换器、USB控制器，并支持在线调试。CPU 的VDD端口是其内部的稳压器将+5V电压转换为+3.3V的输出，可为外部电 路提供电压。发光二极管与保护电阻R4-3相连，灯亮时表示已接通USB通 用串行总线接口电路。脉冲供电开关控制电路由Ql与CPU相连组成。光电传感器接口 Jl的4 脚是光电传感器的供电端口，与Rin连接至Ql的集电极；Ql是型号为9015 的PNP三极管。Ql的基极经过保护电阻Rk-l，与CPU的PO.O脚相连，由 CPU控制该端口的电压，从而控制三极管的导通和断开。导通时即给光电传 感器供电，断开时就停止供电。脉冲供电电路由UR型号为555的定时器与外部电阻、电容、二极管组成 多谐振荡电路。脉冲电压的占空比由RA和RB的阻值控制，UR的Q脚即为 脉冲电压的输出。Q脚通过保护电阻RIRJ与Q2基极相连；Q2是型号为卯13 的NPN三极管。UR的Q脚电压输出控制Q2的导通和关闭。当导通时，111￡0+ 输出为VDD (+3.3V)，断开时，IRED+输出为OV。容积脉搏波电信号从接口 Jl的1、3脚输入。分别经过C1-1、R1-1和Cl-2、 Rl-2的高通滤波电路后，输入系统的前置放大器Ul， Ul的型号为ADI公司 的仪表放大器AD620。 Rg是反馈电阻，连接在U1的1脚和8脚之间，其阻 值决定了前置放大倍数。Ul的7、 4脚分别为芯片提供+5V禾口-5V的电压， Cl-3、 Cl-4为滤波电阻，用来滤除电源线上的高频干扰。二级放大电路由U2A 以及R2-1、 Rl-3组成，U2是型号为NE5532的其中一个运算放大器。二级放 大倍数为R2-l与Rl-3的比值。R2-l和C2-l构成的RC网络与U2A构成了 一阶低通滤波器。芯片的4、 8脚分别提供了-5V和+5V的电压，C2-2和C2-3 为滤波电容。信号从U2A的1脚输出，接着通过数控增益电路调节放大倍数。U3与 U2B和CPU连接组成了数控增益电路。U3是数控增益电位器，型号为 X9C103; U2B是型号为NE5532的另一个运算放大器。U3的CS脚与CPU的P0.1相连，用来片选。INC脚与CPU的P1.2脚相连，用来给芯片发送脉 冲，在脉冲到来时才会触发一次阻值的调整。U/D脚与CPU的P1.3相连，用 来控制数控电位器阻值的增大或减小。VL和VH、 VW分别与U2B的6脚和 7脚相连，构成反馈网络，形成放大电路，其放大倍数为X9C103的阻值与 R2-3的比值。电位器RBase与电阻RBasel-l、 RBasel-2和U2B构成基线调 节电路，通过调节电位器RBase的阻值，来调节给U2B的参考电压，使得输 出的有效信号在A/D转换器允许的范围内。U2B的7脚的信号输出经过二极 管D2，滤掉负信号后，与CPU的P1.4相连，P1.4作为CPU中A/D转换器的模拟信号输入端口。USB通用串行总线接口电路由USB接口与CPU连接组成。J2为USB通 用串行总线接口，共有4根线。4脚接地，3、 2脚分别与CPU的D+和D-相 连，是信号的正负输入端。1脚为整个系统提供+5V电压，是系统的VCC， 且与CPU的VBUS和REGIN相连，使其为CPU供电。C4-4、 C4-5、 C4-6、 C4_7、 C4-8与VBUS相连，另一端接地，是滤波电容，用来滤除电源上的高 频噪声干扰。电压转换电路由U5及其外部电阻、电容、电感和二极管组成。U5的型 号为MAX735， V+脚提供+5V电压，由PC机通过USB接口提供。VOUT脚 是电压转换后的-5V输出，为系统的各放大器供电。CPU的外部复位电路由RESET开关、电容与CPU连接组成。RESET开 关一端经过电阻R4-2接CPU的VDD，另一端接地，当开关按下时，系统复 位。JTAG接口电路由J4与CPU连接组成。由于CPU具备在线调试的功能， 因此可以在电路中设置JTAG接口，可灵活的编写和下载CPU程序。本实用新型在检测时，先将设备插入PC机的USB接口，同时，只需要 将人体的食指或中指放入光电传感器中；待PC机启动采集后即可实时采集容 积脉搏波信号，并将数据上传至PC机进行进一步分析。本实用新型体积小(约 为4.5cm* 1.7cm)，和普通U盘大小相似，携带方便，操作简单，实用性强。
权利要求1、一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器，包括光电传感器、CPU中央处理器、信号滤波电路、信号放大电路，数控增益电路、脉冲供电电路、供电开关控制电路、USB通用串行总线接口电路、PC机；脉冲供电电路用来为光电传感器提供脉冲电压；PC机通过USB通用串行总线接口电路，将指令发送给CPU，CPU控制供电开关控制电路，从而控制光电传感器开始或停止工作；由光电传感器采集到的电信号首先经过信号滤波电路、信号放大电路进行信号处理；数控增益电路由数控电位器、运算放大器以及CPU连接组成，由CPU控制其放大倍数的增加或减少；信号最后输出至CPU，在CPU的A/D转换器中完成A/D转换，并将数字信号储存在CPU中；USB通用串行总线接口电路由USB接口与CPU连接组成，用于把CPU中A/D转换后的容积脉搏波波形数据通过USB电缆实时上传至PC机，或从PC机接收指令，其数据的发送和接收过程受CPU控制；PC机通过USB接口为系统供电。
2、 根据权利要求1所述的一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器， 其特征在于CPU中央处理器为51系列单片机。
3、 根据权利要求1所述的一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器， 其特征在于脉冲供电电路由555定时器及外围电路组成的多谐振荡器和三 极管组成。
4、 根据权利要求1所述的一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器， 其特征在于供电开关控制电路由PNP三极管及其外部电阻组成。
专利摘要一种基于USB接口的容积脉搏波信号采集器，用于生物医学工程的人体参数检测领域。包括光电传感器、CPU中央处理器、信号滤波电路、信号放大电路，数控增益电路、脉冲供电电路、供电开关控制电路、USB通用串行总线接口电路、PC机。脉冲供电电路用来为光电传感器提供脉冲电压；供电开关控制电路用来控制传感器启动或停止；由光电传感器采集到的电信号首先经信号滤波电路、信号放大电路处理，经过数控增益电路的幅度调节传入CPU，在CPU的A/D转换器中进行模数转换，数据储存在CPU中；USB通用串行总线接口电路将采集到的数据实时传入PC机；PC机为整个系统供电。该设备体积小，携带方便；可广泛用于心血管功能检测和分析。
文档编号A61B5/02GK201085618SQ20072017370
公开日2008年7月16日 申请日期2007年10月19日 优先权日2007年10月19日
发明者松 张, 杨益民, 陈廷鋆 申请人:北京工业大学