基于uPSD3234的反射式红外心率检测仪的设计方案

　　由于匹配滤波器只匹配相应的输入信号，一旦输入信号发生变化，原来的匹配滤波就不再称为匹配滤波器了，而脉搏波十分复杂，即使同一人的脉搏也不是每一周期都相同，所以需要针对脉搏信号的特征设计匹配滤波器。根据脉搏波的形成机理和脉搏的特征点，设计了四种脉搏波微分波形作为匹配滤波器的模板，如图3所示。模板长度为100，恰好是微分波形主脉冲峰的宽度。

　　图3 匹配滤波器模板

　　工作时，通过比较四个模板的输出结果来确定使用哪一个滤波器的输出值。

　　本设计利用uPSD3234内置的ADC对经预处理后的脉搏信号进行采样，采样频率为500Hz.

　　下面将简单介绍整个数据处理过程：

　　1)经ADC通道0和通道1采样得到信号波形图如4图所示。

　　图4 采用波形

　　2)对采样的交流信号数据进行低通滤波。由于设计仅实现心率检测的功能，故此低通滤波截止频率设计为8.5Hz，部分波形如图5所示。

　　图5 低通滤波输出

　　3)利用脉搏波形态上具有陡峭上升沿的特点，通过微分运算将其突出出来，部分波形如图6所示。

　　图6 数字微分波形

　　4)检测上面微分波形图的负脉冲信号需要用到匹配滤波器。另外，由于匹配滤波输出值会因为心率检测仪的使用对象、放置位置等因素的影响而产生很大的变化，所以在设计中还需要其能够自动调节阈值。信号大于阈值，则认为是检测到了一个心跳信号。匹配滤波及检测输出的效果如图7所示。

　　图7 匹配滤波输出、阈值线及心跳检测信号

　　以上信号处理得到的心跳检测信号即是反映人体瞬时心跳的信号，据此可用一种中值算法精确地计算出测量对象的心率。此中值算法为：如果心跳检测信号的两个脉冲间隔在人心跳的正常间隔内，则记录间隔时间，否则跳过。在记录足够的心跳间隔后即可算出这些间隔的中值。根据中值可以规定这些间隔的上下边界。处在上下边界之间的值视为有效间隔值。当有效间隔值的数目超过设定的数量时，就可以算出平均间隔值。由于采样频率为500Hz，所以每个间隔为2us.由此得出比较精确的心率。

　　3软件设计

　　系统软件设计流程如图8所示。主要有显示驱动程序、按键处理程序、信号处理程序、心率检测程序、USB通信服务程序等。

　　图8软件流程图