专利名称：一种光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法
技术领域：
本发明涉及血氧饱和度测量，特别涉及一种光-频率转换式脉搏血氧仪的采样和数字信号处理方法。
背景技术：
现有血氧饱和度测量的关键环节是测量透过手指或从手指反射的光强度，这可以通过光-频率转换传感器实现。光-频率转换传感器通过将光强转换成数字脉冲信号，然后通过对数字脉冲信号计数获得频率信息，并计算出光强度。该血氧测量方法的关键部件光频转换器的工作原理是，光频转换器可以把光强度信息转化成不同频率的电脉冲，从而可以通过一定时间内的电脉冲计数推算出光强度信息。而血氧测量正是通过红外光和红光光强度变化的差异计算血氧值的。由于血氧测量需要两种波长的光强信息，因此通常需要两个红外发光管按照严格时序交替发光，分别对每个发光管发光间期的光强进行单独测量并计算出血氧。例如， 光-频率转换式脉搏血氧仪采用血氧测量方法，测量过程中包括发光管通断控制、外部中断采样和CPU数据处理。现有的已公开中国专利申请200610104505. 8采用实时反馈的方法控制两个发光管的通断以及采样过程，采样过程受CPU控制，并基于频率采样对通断进行调节。对于类似于Linux的非实时操作系统，(例如基于ARM体系结构的嵌入式系统通常采用非实时的Linux或WinCE以获得好的用户交互、通讯和多任务功能)，由于系统在同一时刻可能要处理例如定时器、串口、USB等终端及用户交互，从而可能在CPU资源的使用上产生冲突，使得采样过程受到其它中断的干扰而达不到时间精度的要求。且由于外部中断的频率可高达2000Hz，通过CPU进行中断处理将使CPU在采样时无法从事其它计算和数据处理工作，降低系统性能。对于具有DMA功能的单片机系统或嵌入式应用，即使不采用任何操作系统或采用实时操作系统，本提案的方法也可以有效节约处理器资源，提高系统性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采样过程不需要通过中断进行频率采样的光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法。为解决上述技术问题，本发明提供一种光-频率转换式脉搏血氧仪的采样和数字信号处理方法，其包括如下步骤频率采样步骤对数字脉冲信号进行连续采样，将采样时得到的定时器在所述数字脉冲信号发生时的时间值保存在采样数据先入先出队列；发光管通断步骤按照预设置时序，采用发光管定时器控制各发光管的点亮和熄灭，并将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列；处理步骤根据通断时间记录先入先出队列获得各发光管的通断时间段，从采样数据先入先出队列选择各发光管发光时间段内的脉冲时间记录，以计算不同波长的光在不同时间段内的脉冲频率；并且，对已处理的发光管通断时间记录先入先出队列和采样数据先入先出队列的内存位置置位以追踪并维护先入先出队列的头部。这里，置位指用采样定时器取值范围以外的数填充相应内存位置。所述的数字信号处理方法中，测量发光管通断时间的定时器与对血氧数字脉冲进行时间采样的定时器采用相同的硬件定时器。所述的数字信号处理方法中，所述处理步骤中，所述置位为向相应内存位置写入一大数，所述大数为一数值，其大于数字脉冲采样定时器可能取的时间值。所述的数字信号处理方法中，所述频率采样步骤中，通过直接内存访问模式对血氧探头产生的数字脉冲信号进行连续采样并保存在所述采样数据先入先出队列中。所述的数字信号处理方法中，所述发光管通断步骤中，采用中断处理程序将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列。所述的数字信号处理方法中，所述处理步骤中，设置发光管的点亮时间大于定脉冲数采样信号的时间长度，在各发光管的点亮时间段内选择定脉冲数采样信号计算频率。所述的数字信号处理方法中，具体执行如下步骤步骤Al、预分配一内存区域作为采样数据先入先出队列的存储区，将所述内存区域置位；步骤A2、预先为每一发光管分配一内存区域作为其对应的通断时间记录先入先出队列，将各所述通断时间记录先入先出队列的内存区域置位；步骤A3、启动直接内存访问模式，采用外部源作为直接内存访问数据源，源地址是采样计时器的计数观察寄存器，目标初始地址为先入先出队列头部；其中，源地址不变，目标地址自动增量，以请求模式与单服务模式执行，传输计数器设为先入先出队列大小并自
动重载；步骤A4、采用发光管定时器的中断事件控制各发光管的通断时序，并将通断时的采样计时器值记录到各发光管对应的通断时间记录先入先出队列中；步骤A5、周期性地对各所述通断时间记录先入先出队列进行处理，分析所述通断时间记录先入先出队列选择某一发光管发光的时间段，在所述采样数据先入先出队列中找出属于所述时间段中的脉冲时间，按预设置规则选择脉冲，采用所选脉冲数目除以所选脉冲段的首尾时间差作为频率计数，并将各先入先出队列中刚处理过的内存区域置位；其中， 选择采样脉冲的规则为选择指定数目的脉冲，并确保所选脉冲与发光管的通断时点有一定的安全距离；步骤A6、采用各发光管时间段的频率计数进行血氧测量计算。所述的数字信号处理方法中，步骤Al和A2中，将所述内存区域全置位为大数，用于表示该内存区域的内存位置无未读数据；步骤A5中，将各先入先出队列中刚处理过的内存区域置位为大数。所述大数为一数值，其大于数字脉冲采样定时器可能取的时间值。所述的数字信号处理方法中，步骤A5还包括步骤A50、根据所述频率计数的结果， 分别调整各发光管的通断时间参数。本发明的有益技术效果在于将发光管的控制过程与采样过程分解为相对独立的两个过程，由于二者之间不需直接反馈，从而消除了处理器即时处理的要求，使得采样过程可以在不受中断干扰的情况下独立进行，并且，采样过程不需要通过中断完成，实现了在非实时操作系统上的高时间精度，从而实现血氧测量的高精度，同时改善系统的性能。该方法也可用于实时操作系统或不含操作系统的单片机应用，由于采样过程不需要占用处理器资源，可以有效改善系统的性能和时间精度。
图1为本发明方法的一种实施方式示意图；图2为本发明一个实施例的基本结构及定时器模块作用图；图3为本发明一个实施例的基本结构及定时器模块活动图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的一个实施例是，一种光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法，其包括如下步骤频率采样步骤、发光管通断步骤以及处理步骤。频率采样步骤对血氧探头产生的数字脉冲信号进行连续采样，将得到的采样信息保存在采样数据先入先出(FIFO)队列。优选的，通过直接内存访问(DMA)模式对血氧探头产生的数字脉冲信号进行连续采样并保存在所述采样数据先入先出队列中。发光管通断步骤将时间划分为分别由不同光源照射的时间段，例如，将采样过程划分成由红光、红外光、无光照射的时间段等。这样，通过定时器按上述划分的时序点亮和熄灭发光管，并将各发光管点亮和熄灭时的时间值保存在各自的通断时间记录先入先出队列。例如，所述发光管通断步骤中，采用中断处理程序，在点亮或熄灭发光管时从硬件定时器获得时间值并保存在该发光管对应的通断时间记录先入先出队列。其中，预设置时序最初根据经验值设置，并根据采样过程中测量的结果反馈调整。处理步骤根据发光管通断步骤中获得的通断时间记录先入先出队列值获得各发光管的通断时间段，从频率采样步骤中获得的采样数据先入先出队列值选择各发光管通时间段内的脉冲时间记录，以计算不同波长的光在不同时间段内的脉冲频率，也就是说，在各发光管的通断时间段内选择相应的脉冲时间值记录计算脉冲频率；对已处理的发光管先入先出队列和采样数据先入先出队列位置置位，用一个大于可能的最大定时器时间的值填充，例如用OxFFFF填充，以识别未经处理的新数据，因为新添加到先入先出队列的定时器值小于OxFFFF，通常嵌入式系统定时器的最大可能值是可以通过寄存器设置的。例如，一种光-频率转换式脉搏血氧仪的采样和数字信号处理方法，其包括如下步骤频率采样步骤对数字脉冲信号进行连续采样，每次采样时，定时器在所述数字脉冲信号发生时有一时间值，将该时间值保存在采样数据先入先出队列；连续采样则保存一系列的上述时间值，采用先入先出队列方式进行存储，得到一采样数据先入先出队列。发光管通断步骤按照预设置时序，采用发光管定时器控制各发光管的点亮和熄灭，并将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列。处理步骤根据通断时间记录先入先出队列获得各发光管的通断时间段，从采样数据先入先出队列选择各发光管通时间段内的脉冲时间记录，以计算不同波长的光在不同时间段内的脉冲频率；并且，对已处理的发光管先入先出队列和采样数据先入先出队列位置置位以追踪并维护先入先出队列的头部。优选的，所述置位为写入一大数，所述大数为一数值，其大于最大数字脉冲信号的时间值，即大数为大于可能的最大脉冲时间采样值的数。优选的，发光管定时器与采样计时器采用相同的硬件定时器。也就是说，本发明通过将频率采样、发光管通断和处理器处理分解为3个独立的过程，可以确保频率采样的高时间精度且不受其它中断的影响，适用于非实时操作系统，同时满足用户交互、通讯、多任务等需求。本发明的一个实施例是，一种光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法， 包括以下步骤1、将对数字脉冲信号的连续采样信息，例如脉冲捕获的定时器时间信息，保存在一个FIFO结构中，优选的，通过DMA实现。2、通过定时器按照一定时序驱动发光管，并将不同发光管的通断时间值，即定时器时间信息，保存在不同的FIFO结构中，这可以通过中断处理程序实现，3、根据发光管通断步骤中获得的通断时间记录先入先出队列值获得各发光管的通断时间段，从频率采样步骤中获得的采样数据先入先出队列值选择各发光管通时间段内的脉冲时间记录，在各发光管的通断时间段内选择相应的脉冲时间值记录计算脉冲频率， 例如可以选择定脉冲数周期进行计算，只要确保点亮时间大于定脉冲数采样信号的时间长度。处理器对处理过的FIFO单元置位以维护FIFO的读写头部。4、优选的，在必要时，处理器可以对不同发光管通断时间参数进行调整。与上述任一相关例相结合，又一个例子是，一种光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法，执行如下步骤步骤Al、预分配一内存区域作为采样数据先入先出队列的存储区，将所述内存区域置位，例如，将所述内存区域全填充OxFFFF。需要说明的是，OxFFFF只是一个可选的数字，也可以是0xFFFE、0xFFFD等，只要确保大于可能的最大脉冲时间采样值即可。步骤A2、预先为每一发光管分配一内存区域作为其对应的通断时间记录先入先出队列，将该区域置位，例如，所述内存区域全填充OxFFFF。步骤A3、启动直接内存访问模式，采用外部源作为直接内存访问数据源，源地址是采样计时器的计数观察寄存器，目标初始地址为先入先出队列；其中，源地址不变，目标地址自动增量，以请求模式与单服务模式执行，传输计数器设为先入先出队列大小并自动重载。步骤A4、采用发光管定时器的中断事件控制各发光管的通断时序，并将通断时的硬件定时器值记录到相应发光管对应的通断时间记录先入先出队列中。步骤A5、根据发光管通断步骤中获得的通断时间记录先入先出队列值获得各发光管的通断时间段，从频率采样步骤中获得的采样数据先入先出队列值选择各发光管通时间段内的脉冲时间记录，在各发光管的通断时间段内选择相应的脉冲时间值记录计算脉冲频率，从而实现了计算不同波长的光在不同时间段内的脉冲频率；对已处理的发光管先入先出队列和采样数据先入先出队列位置置位，用一个大于可能的最大定时器时间的值填充， 例如用OxFFFF填充，以识别未经处理的新数据，因为新添加到先入先出队列的定时器值小于OxFFFF，通常嵌入式系统定时器的最大可能值是可以通过寄存器设置的。与上述任一相关例相结合，例如，步骤A5中，选择采样脉冲的规则为选择指定数目的脉冲，并确保所选脉冲与发光管的通断时点有一定的安全距离。优选的，步骤A5还包括以下步骤步骤A50、根据所述频率计数的结果，分别调整各发光管的通断时间参数。又如，步骤A5还包括以下任一个、任意两个、或者全部步骤步骤A50、根据所述频率计数的结果，反馈设计通断时间段。步骤A6、采用各发光管时间段的频率计数进行血氧测量计算。与上述任一相关例相结合，又一个例子是，发光管定时器与采样计时器采用相同的硬件定时器，即，两者一体设置。这就好比两个不同的过程使用同一个手表计时。需要说明的是，本发明各实施例涉及的定时器是硬件定时器，它启动后按照一定的频率，即一定的时间间隔，从0开始递增，当递增超过预设最大值后又从0开始，因此还要根据循环次数才能准确算出相对时间。本发明及其各个实施例对定时器的使用主要有两种方式，第一种方式是定时器启动后设置它按照固定时间间隔产生定时器中断，这一时间间隔可以是微秒、毫秒、或秒级， 在定时器中断中触发CPU执行特定任务；第二种方式是通过读取定时器的计数寄存器的值获得相对时间。上述脉冲捕获的定时器时间信息采用的是前述定时器使用方式的第二种方式。即系统在检测到脉冲信号时，即发生外部中断时，将定时器的计数寄存器的值复制到一个FIFO结构中代表该脉冲的发生时间，即所述脉冲捕获的定时器时间信息。要实现在捕获到脉冲信号时将定时器计数寄存器的值复制到一个FIFO结构中有两种做法，一种做法是通过脉冲信号产生外部中断，CPU在外部中断的处理函数中将定时器计数寄存器的值复制到FIFO结构中；另一种方法是脉冲不经CPU处理，而是作为DMA源，引起DMA操作，在DMA 操作中将定时器计数寄存器的值复制到FIFO结构。与上述任一相关例相结合，又一个例子是，如图2所示，脉冲信号触发DMA操作， DMA操作将硬件计时器的值复制到采样数据的FIFO结构；系统按一定时序触发红光和红外光管通断，并将通断时点计时器的值复制到对应的通断时间记录FIFO结构；然后由软件定时器触发血氧分析过程，由血氧分析模块使用上述通断时间和脉冲时间，分析计算，输出血氧值以及其他参数。如图3所示，从执行流程来看，设置基于DMA的外部中断捕获，等待脉冲信号，脉冲信号到达时，将硬件定时器计数寄存器的值复制到采样数据FIFO;启动硬件定时器，等待定时器中断，定时器中断产生时，控制光源通断并将硬件计时器的值复制到通断时间记录FIFO结构；启动软件定时器，等待软件定时器触发数据处理和血氧计算过程。下面以S3C2440和Linux操作系统为例，继续说明本发明的光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法，其执行以下步骤1、由操作系统分配一块内存区域作为采样数据的FIFO，将内存区域置位，由于定时器的最大计数值可控，因此只要置位数据大于最大计数值即可避免置位值与有效数据冲突，故在初始化时将FIFO的所有位置置为大于计数器最大值的数，如OxFFFF等。2、由操作系统为每个发光管分配一块内存区域作为通断时间记录FIFO，初始化时将FIFO的所有位置置为大于计数器最大预设值的数，如OxFFFF等。3、启动DMA，DMA源是外部源，如n)(DREQ0，nXDREQl等，源地址是定时器的计数观察寄存器，即以采样计时器的计数观察寄存器作为源地址，目标初始地址为FIFO，源地址不变，目标地址自动增量，请求模式，单服务模式，传输计数器设为FIFO大小并自动重载。4、在定时器的中断事件中控制不同发光管的通断时序，并记录通断时的定时器值到对应的通断时间记录FIFO中，此定时器与采样计时器是同一定时器。
5、系统定期对上述FIFO进行处理，先分析通断时间记录FIFO选择某一发光管发光的时间段，然后在采样数据FIFO中找出属于该时间段的脉冲时间，按规则选择脉冲，例如选择指定数目的脉冲，并确保所选脉冲与发光管的通断时点有一定的安全距离，所选脉冲数目除以所选脉冲首尾的时间差即为频率计数。6、通过不同发光管时间段的频率计数可以对血氧进行计算。7、优选的，还可以通过对通断时间段的设计和动态优化，以及对通断时间记录 FIFO和采样数据FIFO的搜索匹配算法优化进一步提高系统的性能。下面对于脉冲周期及其计算，举例说明，假设红灯和红外灯通断时定时器的值如下。
权利要求
1.一种光-频率转换式脉搏血氧仪的数字信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤 频率采样步骤对数字脉冲信号进行连续采样，将采样时得到的定时器在所述数字脉冲信号发生时的时间值保存在采样数据先入先出队列；发光管通断步骤按照预设置时序，采用发光管定时器控制各发光管的点亮和熄灭，并将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列；处理步骤根据通断时间记录先入先出队列获得各发光管的通断时间段，从采样数据先入先出队列选择各发光管发光时间段内的脉冲时间记录，以计算不同波长的光在不同时间段内的脉冲频率；并且，对已处理的发光管通断时间记录先入先出队列和采样数据先入先出队列的内存位置置位以追踪并维护先入先出队列的头部。
2.根据权利要求1所述的数字信号处理方法，其特征在于，测量发光管通断时间的定时器与对血氧数字脉冲进行时间采样的定时器采用相同的硬件定时器。
3.根据权利要求1所述的数字信号处理方法，其特征在于，所述处理步骤中，所述置位为向相应内存位置写入一大数，所述大数为一数值，其大于数字脉冲采样定时器可能取的时间值。
4.根据权利要求1所述的数字信号处理方法，其特征在于，所述频率采样步骤中，通过直接内存访问模式对血氧探头产生的数字脉冲信号进行连续采样并保存在所述采样数据先入先出队列中。
5.根据权利要求1所述的数字信号处理方法，其特征在于，所述发光管通断步骤中，采用中断处理程序将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列。
6.根据权利要求1所述的数字信号处理方法，其特征在于，所述处理步骤中，设置发光管的点亮时间大于定脉冲数采样信号的时间长度，在各发光管的点亮时间段内选择定脉冲数采样信号计算频率。
7.根据权利要求1至6任一所述的数字信号处理方法，其特征在于，具体执行如下步骤步骤Al、预分配一内存区域作为采样数据先入先出队列的存储区，将所述内存区域置位；步骤A2、预先为每一发光管分配一内存区域作为其对应的通断时间记录先入先出队列，将各所述通断时间记录先入先出队列的内存区域置位；步骤A3、启动直接内存访问模式，采用外部源作为直接内存访问数据源，源地址是采样计时器的计数观察寄存器，目标初始地址为先入先出队列的头部；其中，源地址不变，目标地址自动增量，以请求模式与单服务模式执行，传输计数器设为先入先出队列大小并自动重载；步骤A4、采用发光管定时器的中断事件控制各发光管的通断时序，并将通断时的采样计时器值记录到各发光管对应的通断时间记录先入先出队列中；步骤A5、周期性地对各所述通断时间记录先入先出队列进行处理，分析所述通断时间记录先入先出队列选择某一发光管发光的时间段，在所述采样数据先入先出队列中找出属于所述时间段中的脉冲时间，按预设置规则选择脉冲，采用所选脉冲数目除以所选脉冲段的首尾时间差作为频率计数，并将各先入先出队列中刚处理过的内存区域置位；其中，选择采样脉冲的规则为选择指定数目的脉冲，并确保所选脉冲与发光管的通断时点有一定的安全距离；步骤A6、采用各发光管时间段的频率计数进行血氧测量计算。
8.根据权利要求6所述的数字信号处理方法，其特征在于，步骤Al和A2中，将所述内存区域全置位为大数，用于表示该内存区域的内存位置无未读数据；步骤A5中，将各先入先出队列中刚处理过的内存区域置位为大数。 所述大数为一数值，其大于数字脉冲采样定时器可能取的时间值。
9.根据权利要求6所述的数字信号处理方法，其特征在于，步骤A5还包括步骤A50、根据所述频率计数的结果，分别调整各发光管的通断时间参数。
全文摘要
本发明涉及一种光-频率转换式脉搏血氧仪的采样和数字信号处理方法，包括步骤对数字脉冲信号连续采样，得到的采样信息保存在采样数据先入先出队列；按照预设置时序采用发光管定时器驱动各发光管，将各发光管的通断时间值分别保存在对应的通断时间记录先入先出队列；对采样数据先入先出队列及各通断时间记录先入先出队列进行处理，在各发光管的通断时间段内选择脉冲周期计算频率；对已处理先入先出队列置位以追踪并维护其头部。通过将控制过程与采样过程分解为相对独立的两个过程，两个过程可独立进行，实现了在非实时操作系统上的高时间精度，从而实现血氧测量的高精度；同时对于计算资源较低的微处理器系统，可提高系统的运行性能和时间精度。
文档编号A61B5/1455GK102512176SQ20111040153
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月6日 优先权日2011年12月6日
发明者倪平强, 刘伟, 刘立, 孟庆虎, 廖京生, 张如意, 彭忠宝, 沈昭, 胡超, 钟灿成 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院