基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路

1.本实用新型涉及忆阻器的滤波方法，主要涉及一种基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路。


背景技术：

2.生理电信号包括心率信号、脉搏信号等微弱信号，穿戴式设备在一个多状态的复杂测量环境来检测穿戴者的生理信号，同时，穿戴设备所检测出的生理信号中还会夹杂着非常强的部分背景噪声。
3.为此，穿戴式设备需要对其不感兴趣的背景噪声进行去噪滤波，来得到较为清晰的生理信号。而现有的对背景噪声进行去噪滤波的方法为：控制器采集原始的生物机能信号，原始的生物机能信号包括生物电信号和通过传感器引入的生物非电信号，在对所采集到的原始的生物机能信号进行放大、整形、滤波等处理，将处理后的信号通过模数转换后传输到生物机能实验的专用系统软件中，系统软件中对接收所得的信号放大后进行处理。
4.由此可见，现有对生物机能信号进行去噪滤波的方式都需要软件程序经过大量的运算才能得出，而运行大量的软件程序必然需要消耗大量的电量，那么针对电池容量有限的穿戴设备来说，其需要经常更换电池，才能保证穿戴设备的持续运行，降低了消费者的使用体验。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路的硬件结构，该硬件结构在软件工程师对其中的控制器进行软件编程后，用以降低去噪过程中控制器中的运算数量，从而减少电量的损耗。
6.为此，基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路，包括采样保持器、误差计算电路、反馈调节模块、前馈计算模块、控制器，前馈计算模块由多个忆阻突触模块和一个激活模块组成，每个忆阻突触模块设置有一个输入端和两个输出端，用以将输入电压转换为两个不同的电流，各个忆阻突触模块的输入端分别经电连接控制器的电控开关ki来与各个检测生物机能信号的传感器连接以采集生物机能信号所转化成的电压vi，激活模块设置有两个输入端、一个输出端，激活模块的两个输入端分别与各个忆阻突触模块中的两个输出端连接，激活模块以纯模电的形式通过算法来得到电压vg，r为激活模块中的一个接地电阻，激活模块的输出端与采样保持器的输入端连接来采样保持电压vg，采样保持器的输出端与控制器i/o端连接以输出电压v0；误差计算电路设置有输入端、电压期望输入端和两个输出端，其输入端连接在采样保持器与控制器的连接线路上来采集电压v0，控制器的一个引脚与误差计算电路的电压期望输入端连接以传输期望电压vt，误差计算电路以纯模电的形式通过算法δv＝a(vt
‑
vo)来得到误差+δv、
‑
δv，a为比例系数，a＝r2/r1，并通过误差计算电路的两个输出端分别输出，反馈调节模块中设置有与多个忆阻突触模块一一对
应的多对开关支路，每对开关支路均包括共g极的pmos管和nmos管，任意一对pmos管、nmos管的d极、g极共接到一起形成对应开关支路的输出端，用以输出经过pmos管或nmos管滤波后的电压vpi，各对开关支路的输出端与其对应的忆阻突触模块的输入端连接以传输电压vpi，且在该连接线路上串联有与控制器电连接的电控开关si，各个pmos管的s极与误差计算电路其中一个输出端连接来接收+δv，各个nmos管的s极与误差计算电路的另一个输出端连接来接收
‑
δv，误差计算电路、反馈调节模块、前馈计算模块、控制器分别与电源连接取电，i＝1、2、3
…
n。
7.进一步地，所述各个忆阻突触模块设置有串联的忆阻器gi+、忆阻器gi
‑
，忆阻器gi+的正极与忆阻器gi
‑
的负极连接，忆阻突触模块的电压输入端连接在忆阻器gi+的正极与忆阻器gi
‑
的连接线路上，用以传输传感器的检测值。
8.进一步地，所述激活模块的两个输入端分别为i
‑
、i+端，忆阻器gi+的负极与激活模块的i+端连接，忆阻器gi
‑
的正极与激活模块的i
‑
端连接，激活模块将i
‑
、i+所输入的电流运算放大后得到电压vg，传输给采集保持器。
9.进一步地，所述采样保持器包括电压接受端、电阻r10、电控开关ki、电容c1、缓冲放大器a，电阻r10的一端与电压接受端连接，另一端与共c极的缓冲放大器a的输入端连接，电控开关ki设置在电阻r10与缓冲放大器a的连接线路上，电容c1的一端设置在电控开关ki有缓冲放大器a的连接线路上，电容c1的另一端接地，电控开关ki与控制器电连接。
10.进一步地，所述误差计算电路包括电阻、由g极互连的两个pmos所组成的zi结构、由g极互连的两个nmos所组成的ki结构，电阻、zi结构、ki结构各设置有四个，vcc为电源的正极电压，vss为电源的负极电压，在vcc与vss之间依次串联一个pmos管p1和一个nmos管n1，pmos管p1的g极与d极共接在一起后与vcc连接来取电，pmos管p1的s极与nmos管n1的d极连接且控制器采集该连接线路上的电压
‑
δv，nmos管n1的s极与vss连接，nmos管n1的g极悬空，控制器的电压测量引脚连接在结构k6的kb端与结构z6的zb端的连接线路上，电阻r1的一端连接在结构k6的kd端与结构z6的zd端的连接线上，控制器与电阻r1的另一端连接以采集期望电压v
t
,结构k6的kc端与结构z5的za端连接，结构k6的ka端串联电阻r4后与结构z5的zb、zd端共接在一起后与vss连接，结构z6的zc端与结构k5的ka端连接，结构z6的za端串联电阻r3后和结构k5的kb、kd端共接在一起后与vcc连接，结构k5的kc端与结构z5的zc端连接，nmos管n1的g极的连接在该线路上，控制器采集结构k5的kc端与结构z5的zc端之间的电压+δv，且r2的一端连接在该线路上，另一端接地。
11.进一步地，所述激活模块包括电阻、由g极互连的两个pmos所组成的zi结构、由g极互连的两个nmos所组成的ki结构，结构ki、zi各设置有四个，电阻设置有五个，vcc为电源的正极电压，vss为电源的负极电压，结构z4的zb、zd端分别对应与结构k4的kb、kd端连接，结构z4的zd端与结构k4的kd端之间的电流为i+，结构z4的za端串联电阻r5后与vcc连接来取电，结构k4的ka端串联电阻r6后与vss连接，结构z4的zc端与结构k3的ka端连接，结构k3的kb、kc端分别与vcc连接，结构z3的zb、zd端分别与vss连接，结构z3的zc端与结构k3的kc端连接，结构z2的za端串联电阻r7后与vcc连接，结构k2的ka端串联电阻r8后与vss连接，结构z2的zb端与结构k2的kb端共接在一起后接地，控制器采集结构z2的zd端与结构k2的kd端共接在一起后并联在结构z3的zc端、结构k3的kc端的连接线路上的电流i
‑
，结构z2的za端串联电阻r7后与vcc连接，结构z2的za端串联电阻r8后与vss连接，结构z2的zc端与结构k1的
ka端连接，结构k1的kb、kd端共接在一起后与vcc连接，结构k2的kc端与结构z1的za端连接，结构z1的zb、zd端共接在一起后与vss连接，结构k1的kc端与结构z1的zc端共接子一起后与电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端接地。
12.进一步地，所述各个结构ki中任意一个nmos管的d极和g极共接在一起后形成ka端，该nmos管的s极的端点作为kb端，另外一个nmos管的d极的端点作为kc端，该nmos管的s极的端点作为kd。
13.进一步地，所述各个结构zi中任意一个pmos管的d极和g极共接在一起后形成za端，该pmos管的s极的端点作为zb端，另外一个pmos管的d极的端点作为zc端，该pmos管的s极的端点作为zd。
14.有益效果：
15.本实用新型所提供一种基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路，通过采样保持器、误差计算电路、反馈调节模块、前馈计算模块、控制器组成的硬件结构，在软件工程师对其中的控制器进行软件编程后替代控制器中对检测生物机能信号的传感器检测到的生物机能信号所转化成的电压值，所进行的放大、整形、滤波等去噪的处理运算，用以降低去噪过程中控制器中的运算数量，从而减少电量的损耗。
16.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
18.图1为自适应滤波原理结构示意图；
19.图2为本实用新型的基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路的结构示意图；
20.图3为本实用新型的误差计算电路的结构示意图；
21.图4为本实用新型的激活模块的结构示意图。
22.附图标记说明：1
‑
激活模块；2
‑
误差计算电路；3
‑
采样保持器；4
‑
反馈调节模块。
具体实施方式
23.结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。
24.图1为自适应滤波原理的结构示意图，其中，x(n)表示n时刻的输入信号值，y(n)表示n时刻的输出信号值，d(n)表示n的参考信号值或所期望响应信号值，误差信号e(n)为d(n)与y(n)之差。自适应数字滤波器的滤波参数受误差信号e(n)的控制，根据e(n)的值而自动调整，使之适合下一时刻的输入x(n+1)，以便输出y(n+1)接近于所期望的参考信号d(n+1)。
25.见图2，本实施例的基于忆阻器的生理电信号滤波去噪电路，包括采样保持器3、误差计算电路2、反馈调节模块4、前馈计算模块、控制器，其中，前馈计算模块由多个忆阻突触模块和一个激活模块1组成，任意一个忆阻突触模块由串联的忆阻器gi+、忆阻器gi
‑
组成，
忆阻器gi+的正极与忆阻器gi
‑
的负极连接，电压vi从忆阻器gi+的正极与忆阻器gi
‑
的连接线路中输入，忆阻器gi+的负极与激活模块1的i+端连接，忆阻器gi
‑
的正极与激活模块1的i
‑
端连接，电压vi为检测生物机能信号的传感器检测到的生物机能信号所转化成的电压vi(i＝1、2、3
…
k)，激活模块1起到一个放大器的作用，激活模块1将i
‑
、i+所输入的电流运算放大后得到电压vg，激活模块1与采样保持器3的输入端连接，采样保持器3的输出端与控制器i/o端连接以输出电压v0。误差计算电路2的电压输入端连接在采样保持器3与控制器的连接线路上，用采集电压v0，控制器的另外一个引脚与误差计算电路2的电压期望输入端连接以传输期望电压v
t
，电压v0和期望电压v
t
经误差计算电路2运算后，通过误差计算电路2的两个输出端分别输出电压+δv和
‑
δv，误差计算电路2的两个输出端分别与多个双mos管连接，任意一个双mos管包括共g极的pmos管和nmos管，pmos管和nmos管的d极分别共接在一起后采集任意一个忆阻突触模块的电压vi，pmos管的s极与误差计算电路2输出电压为+δv的输出端连接，pmos管的s极与误差计算电路2的输出端之间串联一个电控开关si，电控开关si与控制器电连接，nmos管的s极与误差计算电路2输出电压为
‑
δv的输出端连接，nmos管的s极与误差计算电路2的输出端之间也串联一个电控开关si，电控开关si与控制器电连接，多个电控开关si同时打开。
26.采样保持器3为常规的采样保持器3，用以保持电压。采样保持器3包括电压接受端、电阻r10、电控开关ki、电容c1、缓冲放大器a，电阻r10的一端与电压接受端连接，另一端与共c极的缓冲放大器a的输入端连接，电控开关ki设置在电阻r10与缓冲放大器a的连接线路上，电容c1的一端设置在电控开关ki有缓冲放大器a的连接线路上，电容c1的另一端接地，电控开关ki与控制器电连接。
27.下述电路中具有多个结构ki和结构zi，其中，i＝1、2、3
……
n。各个结构ki包括g极互连的两个nmos管，且任意一个nmos管的d极和g极连接到同一个节点后形成ka端，该nmos管的s极的端点作为kb端，另外一个nmos管的d极的端点作为kc端，该nmos管的s极的端点作为kd。各个结构zi包括g极互连的两个pmos管，且任意一个pmos管的d极和g极连接到同一个节点后形成za端，该pmos管的s极的端点作为zb端，另外一个pmos管的d极的端点作为zc端，该pmos管的s极的端点作为zd。
28.见图3，误差计算电路2各设置有四个电阻、z结构和k结构，在vcc与vss之间依次串联一个pmos管p1和一个nmos管n1，pmos管p1的g极与d极共同连接在同一节点并与vcc连接来取电，pmos管p1的s极与nmos管n1的d极连接且控制器采集该连接线路上的电压
‑
δv，nmos管n1的s极与vss连接，nmos管n1的g极悬空，控制器的电压测量引脚连接在结构k6的kb端与结构z6的zb端的连接线路上，电阻r1的一端连接在结构k6的kd端与结构z6的zd端的连接线上，控制器与电阻r1的另一端连接以采集期望电压v
t
,结构k6的kc端与结构z5的za端连接，结构k6的ka端串联电阻r4后与结构z5的zb、zd端连接到同一个节点后与vss连接，结构z6的zc端与结构k5的ka端连接，结构z6的za端串联电阻r3后和结构k5的kb、kd端连接至同一节点后与vcc连接，结构k5的kc端与结构z5的zc端连接，nmos管n1的g极的连接在该线路上，控制器采集结构k5的kc端与结构z5的zc端之间的电压+δv，且r2的一端连接在该线路上，另一端接地。
29.见图4所示的激活模块1，由五个电阻、四个结构k和四个结构z组成，结构z4的zb、zd端分别对应与结构k4的kb、kd端连接，结构z4的zd端与结构k4的kd端之间的电流为i+，结
构z4的za端串联电阻r5后与vcc连接来取电，结构k4的ka端串联电阻r6后与vss连接，结构z4的zc端与结构k3的ka端连接，结构k3的kb、kc端分别与vcc连接，结构z3的zb、zd端分别与vss连接，结构z3的zc端与结构k3的kc端连接，结构z2的za端串联电阻r7后与vcc连接，结构k2的ka端串联电阻r8后与vss连接，结构z2的zb端与结构k2的kb端连接至同一个节点后接地，控制器采集结构z2的zd端与结构k2的kd端连接至同一个节点后并联在结构z3的zc端、结构k3的kc端的连接线路上的电流i
‑
，结构z2的za端串联电阻r7后与vcc连接，结构z2的za端串联电阻r8后与vss连接，结构z2的zc端与结构k1的ka端连接，结构k1的kb、kd端连接至同一个节点后与vcc连接，结构k2的kc端与结构z1的za端连接，结构z1的zb、zd端连接至同一个节点后与vss连接，结构k1的kc端与结构z1的zc端连接至同一节点后与电阻r9的一端连接，电阻r9的另一端接地。
30.基于上述忆阻器的生理电信号滤波去噪电路，执行步骤1
‑
3来降低电量的损耗：
31.步骤1.断开全部si，采集电压vi来求取电压vg；
32.具体地，控制器控制电控开关ki闭合、si断开，电压vi经过忆导突触模块后分别输出忆导值i
‑
和i+并传输到激活模块1中，激活模块1运算后得到电压vg。
33.步骤2.对电压vg采样保持得到电压v0；
34.步骤3.闭合电控开关si并断开电控开关ki，采集电压v0并输入期望输出电压v
t
，计算期望输出期望电压vt与电压vo之间的误差δv；
35.具体地，控制器控制电控开关si闭合、ki断开，通过如下算法求取期望电压vt与电压vo之前误差δv：
36.δv＝a(vt
‑
vo)
37.其中，a为比例系数，a＝r2/r1。
38.步骤4.采集误差
‑
δv、δv输入反馈调节模块4，求取用以调整忆阻突触模块的编程电压vpi；
39.具体地，误差
‑
δv为+δv的反向电压根据lms算法，每个训练周期的权值调整量由输入和误差共同决定。在误差计算电路2中，根据误差计算电路2中的误差+δv、
‑
δv和电压vi来求取编程电压vpi，算法如下：
[0040][0041]
其中，sgn(vi)为符号函数，即若vi>0，则sgn(vi)＝1；若vi＝0，则sgn(vi)＝0；若vi<0，则sgn(vi)＝
‑
1。根据该算法可分别算出各个电压vpi，将各个求取出的电压vpi放入误差计算电路2中，控制结构zi或结构ki闭合或断开，如果输入电压vi为正，则误差计算电路2中的pmos管闭合和nmos管断开，相反，如果输入电压vi为负，则nmos管闭合和pmos管断开，以保证在误差计算电路2中的部分电路的导通，用以校准忆阻器gi+、忆阻器gi
‑
之间的突触权重，使得最终输出的电压v0是电压vi去噪后的值。
[0042]
步骤s5.具体包括了以下步骤a
‑
e，在时间tp内调节忆阻器gi+、忆阻器gi
‑
的突触权重：
[0043]
步骤a.电压vpi与忆阻器阈值电压比较，若电压vpi大于或等于忆阻器阈值电压，则停止测试，否则跳转至步骤b，由于忆阻器阈值电压是忆阻器的设定值，是固定值；
[0044]
步骤b.采集电压vpi并通过以下算法求取电压v0与期望电压vt间的误差e：vpi＝e
·
sgn(vi)；
[0045]
步骤c.根据以下算法求取期望电压vt：e＝a(vt
‑
vo)，其中a为比例系数，a＝r2/r1；
[0046]
步骤d.根据以下算法求取忆阻器gi+、忆阻器gi
‑
之间的突触权重wi并放入忆阻突触模块中进行调节：其中，wi＝gi
+
‑
gi
‑
。
[0047]
具体地，参见下表1：
[0048]
δvvivpigi+gi
‑
wivoi+++增大减小增大增大+
‑‑
减小增大减小增大
‑
+
‑
减小增大减小减小
‑‑
+增大减小增大减小
[0049]
其中，符号+代表正电压，符号
‑
代表负电压，当δv为正时，电压vi和电压vpi均为同向，即电压vi和电压vpi的电压值均为正值或均为负值，此时，调整忆阻突触权重，均能使输出电压voi增大，进而使得δv减小。相反，当δv为负时，电压vi和电压vpi反向，即电压vi和电压vpi分别为正值或负值，此时，调整忆阻突触权重，均能使输出电压vo减小，进而使得δv的绝对值也在减小。当δv低于忆阻阈值电压时，调整将停止。
[0050]
另外，步骤s1前，还包括激活步骤，具体包括了以下的运算步骤，来给反馈调节模块4输入初始值v0；
[0051]
(1)在r9(i+
‑
i
‑
)<vss的情况下，vo＝vss；
[0052]
(2)在vss≤r9(i+
‑
i
‑
)≤vcc的情况下，vo＝r9(i+
‑
i
‑
)；
[0053]
(3)在r9(i+
‑
i
‑
)>vcc的情况下，vo＝vcc。
[0054]
通过激活步骤，给反馈调节模块4输入初始值。
[0055]
本实施例的有益效果：
[0056]
1.通过控制器控制采样保持器、误差计算电路、反馈调节模块4、前馈计算模块、控制器的结构，使用硬件结构来对生物机能信号转化成的电压vi进行去噪的操作，减少控制器进行软件去噪时所消耗的电量；
[0057]
2.误差计算电路保证输出准确的vo；
[0058]
3.激活模块保证本实施例中的方法能够运行。