基于最小方差法的脉搏频率测量系统研究

张开生，　权思敏

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



基于最小方差法的脉搏频率测量系统研究

张开生，权思敏

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

[摘要]系统以嵌入式芯片LPC2103为控制核心，采用红外脉搏传感器HKG-07A采集人体脉搏信号，将采集到的信号经过放大电路处理之后传输至嵌入式芯片，利用芯片内部的定时器计数短时间内脉搏跳动的次数，通过求最小方差的方法计算人体每分钟的脉搏频率，并将测量结果实时显示在数码管上。与传统脉诊方法相比，该方法实时性强，便于测试者使用。

[关键词]脉搏频率；脉搏传感器；最小方差；嵌入式；数码管

在我国传统中医学中，脉诊是最具有特色的一种诊断方法，它历史悠久，内容丰富，在中医诊断中占有极为重要的地位。然而，通过脉诊判断出人体的脉搏频率及身体健康状况需要多年的不断学习与经验积累，并且脉诊的测量结果不够直观[1-2]。随着现代科学技术的不断发展，特别是信号检测处理技术及计算机科学技术的飞速发展，人们对人体脉搏信号的检测分析有了更加深入的研究。传统的脉搏频率测量是通过人体脉搏检测并计数，从而得出人体每分钟的脉搏频率，其测量结果不稳定，误差大，并且不直观。本系统采用的嵌入式芯片，运算处理速度快，实时性强[3]，并且采用最小方差的方法测量脉搏频率，可以将测量结果误差最小化。

1系统设计

图1　系统框图

脉搏频率测量系统由红外脉搏传感器、信号放大电路、嵌入式芯片以及脉搏频率显示4部分组成。根据系统模块功能的不同，系统的结构框图如图1所示。

(1)红外脉搏传感器：将采集到的人体脉搏信号转换为相对应的模拟电压信号进行输出。

(2)信号放大电路：将脉搏传感器采集到的微弱的脉搏信号进行放大，并将其传输到嵌入式芯片内部A/D转换器中，以便于将脉搏信号转换为数字信号进行后续计算、处理。

(3)嵌入式芯片：嵌入式芯片是以LPC2103为核心，它用来控制A/D转换器的相应寄存器对输入的脉搏信号进行从模拟信号到数字信号的转换[4]，并利用芯片内部的定时器结合最小方差对数字信号进行定时计数处理，从而计算出人体脉搏频率。

(4)脉搏频率显示：将脉搏频率计数、测量的结果实时显示在数码管上。

2系统硬件设计

2.1信号采集

脉搏传感器位于脉搏频率测量系统最前端，具有获取检测信号与转换信号的重要作用。由于压力类脉搏传感器主要是腕带式的，其输出的脉搏波形容易随着被测试人员的穿戴习惯而发生变化。系统采用红外脉搏传感器可以有效地避免这一问题，并准确地输出被测试者的脉搏波形。红外系列脉搏传感器检测人体脉搏波形的原理，是根据波长固定的红外线对人体血管末端血液微循环产生的血液容积变化的敏感特性，检测由于心脏的跳动而引起的被测试者指尖的血液容积发生相应的变化，采集到的脉搏信号会经过脉搏传感器内部的信号放大、调理等电路的处理。本系统采用的传感器型号为HKG-07A，其输出信号为反应指尖血容积变化的完整的脉搏波电压信号，该系列红外脉搏传感器主要用于临床上脉搏频率的测量、监测以及脉搏波形的病理分析。

2.2信号预处理

在系统硬件电路中，最主要的是对脉搏信号进行处理的放大、调理电路，其主要作用是把红外脉搏传感器采集到的微弱的脉搏信号调理为满足嵌入式芯片LPC2103内部的A/D转换要求的信号。由于红外脉搏传感器采集到的脉搏信号电压幅度范围为0～600 mV，而嵌入式芯片LPC2103内部的A/D转换器的输入电压范围是0～3.3 V[4]，为了达到芯片的转换要求，需要把脉搏信号放大到合适的范围，即把脉搏信号放大5倍。

信号放大电路主芯片选用的是Analog Devices公司的AD8553，电路图如图2所示。

图2　AD8553电路图

2.3显示电路

脉搏频率显示电路采用7段共阳数码管实时显示脉搏频率的测量结果，数码管由8个发光二极管组成，当发光二极管被点亮时，会显示相对应的数字。数码管采用8位串行输入/并行输出芯片74HC595驱动，数码管显示分为3部分，右边两位为定时器每10 s测量到的脉搏频率，中间一位为每10 s计数的次数，左边3位为经过最小方差法计算得出的人体每分钟脉搏跳动次数。显示电路如图3所示。

图3　显示电路

3系统软件设计

3.1信号采集

由于HKG-07A脉搏传感器采集到的脉搏信号为模拟信号[5]，因此在数据采集过程中首先需要将模拟信号转换为嵌入式芯片LPC2103可处理的数字信号，芯片内部集成有一个10位的A/D转换器，因此可将采集到的数据直接送至嵌入式芯片，在其内部完成A/D转换。

在进行脉搏信号采集的时候，需要选择适当的采样频率。即选用的采样频率大小与单位时间内A/D转化器完成转换的次数有关，并且单位时间内采集的数据量与采样频率成正比，当采样频率提高，相应地，单位时间内采集到的数据量也会增加，这虽然提高了原始信号的准确性，但同时也增加了系统的计算量。相反，若采样频率太低则会造成原始信号的失真或偏差较大[6-9]。由于系统采用的红外脉搏传感器HKG-07A输出波形为脉冲波形，根据波形的高低电平跳变可以判断出脉搏跳动次数。系统设置以每10 s为一个定时周期，定时计数每10 s采集脉搏频率，将其存放在数组中并实时显示在数码管上。

3.2最小方差算法

为了避免脉搏传感器松动或者测量时间不够而造成对脉搏信号进一步分析和处理产生错误的影响，则必须在脉搏信号处理过程中消除这些不良影响。系统根据脉搏信号的形态变化规律采用了最小方差的方法对脉搏信号进行计算处理，该方法具有数据处理速度快，实现简单，计算结果误差小的特点，可以很大程度上消除外界环境对脉搏信号产生的干扰，使得系统测量结果更加准确。

系统将每10 s内定时计数得到的脉搏频率数存放在一个数组内，再依次将数组内连续的6个数据求总和，当数组内连续6个数据中有2个以上的数据为0，则该6个数据舍弃，否则求取这6个数据的平均值，将平均值与数组内连续6个数据进行比较，得到偏差最小的一个数据。

根据最小方差得出采集到的脉搏数据与平均值偏离程度最小的数据，记录其数组下标，将该测量数据乘以6，所得数据即为人体每分钟脉搏频率。

图4　算法流程图

3.3算法流程图

系统所设计的最小方差算法程序流程图如图4所示。设计思路是根据嵌入式芯片内部的定时器定时10 s读取红外脉搏传感器采集到的人体脉搏频率数据，并将其存放在数组中，当数组内达到6个数据时，即定时为1 min时，判断数组内数据为0的个数是否大于2，若多于2个，则6个数据全部舍弃；若小于2个，则对6个数据求取平均值，并求取数组内与平均值偏差最小的一个数据，将该数据乘以6，即可得到人体1 min的脉搏频率。

4系统测试分析

在最小方差算法设计完成之后，对系统进行测试。随机选择几位被测人员，将他们的手指夹上红外脉搏传感器，读取被测人员的脉搏频率，通过嵌入式芯片LPC2103内部的定时器及最小方差算法分析、计算测量人体脉搏情况，并将测量、计算到的脉搏频率显示在数码管上。同时，将数码管上显示的计算结果与同一被测对象的脉诊结果进行比较，选取其中的5次测量结果进行比较，具体比较结果如表1所示。从表1所列出的数据可以看出，采用最小方差的方法计算得到的脉搏频率与人工把脉所得到脉搏频率误差在4%以内。

表1　系统测试结果

注：当测试者处于安静状态时，成人的脉搏频率一般为60～100次/min。为了验证最小方差法的精确性，测试者2的脉搏频率为运动后得到的测量结果[10-12]。

5小结

采用基于最小方差法的脉搏频率测量方法将脉搏检测技术与嵌入式技术结合起来可以长时间可靠、有效地检测人体脉搏，并准确地分析、计算出人体脉搏频率，以便于有效的对被检测者的身体健康状况做出评估。在实际测试中，数码管上可以实时显示被测者的脉搏频率，与人工把脉测量到的脉搏频率基本一样，显示了采用最小方差算法的优越性[13]。本文设计的脉搏频率检测系统对人体脉搏变化具有较高的灵敏性，且具有对使用者的舒适度好、精确度高、易使用等特点，为医学上实时检测脉搏频率提供了一个良好的方法。

[参考文献]

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[11]余泽峰，王军，林艺文，等．基于HKG-07B传感器的人体脉搏信号采集系统设计及实现[J]．传感器世界，2013,19(8)：24-27．

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[13]张霞．基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理[D]．兰州：兰州理工大学，2011．

[责任编辑：李 莉]

Pulse frequency measurement system based on minimum variance

ZHANG Kai-sheng,QUAN Si-min

(College of Electrical & Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology,Xi’an 710021, China)

Abstract:The embedded chip LPC2103 was used as the core in system, while the infrared pulse sensor HKG-07A was used to collect human pulse signal. The signal was transferred to the embedded chip after being processed in amplifying circuit, and the timer inside the chip was used for timing and counting the number of pulse signal in short time. Then the pulse frequency per minter was calculated by minimum variance and the measurement result was displayed real-time in digital tube. Compared with traditional pulse-taking method, this new method has the characteristics of strong real-time performance and precise measurement.

Key words:pulse frequency;pulse sensor;minimum variance;embedded;digital tube

[中图分类号]TN21； TP368.2

[文献标识码]A

作者简介：张开生(1963—)，男，山西省运城市人，陕西科技大学教授，博士，主要研究方向为嵌入式系统的应用；权思敏(1991—)，女，陕西省宝鸡市人，陕西科技大学硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统及物联网的应用。

基金项目：西安市科技局项目(CXY1343(6))；榆林市科技局项目(2011K-29)；陕西省西安未央科技区项目(2012-03)

收稿日期：2015-10-28修回日期：2016-01-08

[文章编号]1673-2944(2016)02-0029-05