CN110292366A - 基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统 - Google Patents

Abstract

一种基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统，该电路包括：差动放大电路、高通滤波‑放大电路、压力信号放大电路和电压抬升电路。其中，差动放大电路将脉搏差分电压信号转换为单端的第一电压信号，第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；高通滤波‑放大电路从该第一电压信号中提取并放大动态脉搏波信号；电压抬升电路对放大后的动态脉搏波信号进行电压抬升，得到第二电压信号输出；压力信号放大电路将第一电压信号放大后输出；根据第一电压信号和第二电压信号能分别计算动态脉搏波信号和静态压力信号大小。本发明能够对压阻式压力传感器检测的静态压力和动态脉搏波信号进行分离和放大，有利于精确地测量脉搏信号。

Description

基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统

技术领域

本发明涉及脉搏测量的医疗电子信息技术领域，尤其涉及一种基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统。

背景技术

脉诊在我国历史悠久，临床上常采用“浮中沉”三部脉法按触人体不同部位的脉搏，以体察脉象变化，此处“浮中沉”表示了按压脉搏的指力大小，是正确地进行脉诊的关键因素之一。而随着近年来中国传统医学的数字化以及健康监护设备的特殊需求，市场上出现了越来越多种的脉搏信号采集系统。这些系统可以持续监测人民身体状态，为人民提供最及时的健康预警服务，为观察脉象提供了一定的便利性。

目前常用的脉搏信号采集系统中一般采用压电式传感器和压阻式传感器来采集微弱的脉搏信号，却忽略了静态压力的影响，而静态压力正是对应于脉诊中的“浮中沉”三部脉法的指法。其中，压电式传感器由于其电荷的易失性，不能同时检测施加在人体腕部的静态压力和被测人体的脉搏信号。而压阻式压力传感器具有较宽的量程和较高的灵敏度，其输出的压力信号中包含了静态压力和动态脉搏波，只是目前还未出现将静态压力和动态脉搏波分离检测的报道。

例如现有的一种适用于脉搏测量装置的脉搏信号处理电路，利用运放先将脉搏传感器输出的负电压抬升；然后用高通滤波电路抑制0.05Hz以下的低频干扰，降低了脉搏信号因相移产生的线性失真；最后用低通滤波电路抑制了脉搏信号中40Hz以上的高频干扰，减小了输出波形的小幅过冲，提高了信号的保真度。但是，该脉搏传感器只输出脉搏信号，不能准确地获取静态压力信息，不符合传统中医的脉诊理论，用于中医诊断的意义有限。综上所述，现有技术中尚没有一种基于既能检测静态压力，又能检测动态脉搏波的压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种脉搏信号处理电路，包括差动放大电路、高通滤波-放大电路、电压抬升电路和压力信号放大电路，其中：

差动放大电路，用于将一压阻式压力传感器输出的脉搏差分电压信号转换为单端的第一电压信号并输出，所述第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；

高通滤波-放大电路，用于从所述差动放大电路输出的第一电压信号中提取动态脉搏波信号，以及将所述动态脉搏波信号放大后输出；

电压抬升电路，用于将所述高通滤波-放大电路输出的放大后的动态脉搏波信号进行电压抬升，将电压抬升后的动态脉搏波信号作为第二电压信号输出；

压力信号放大电路，用于将所述差动放大电路输出的第一电压信号进行放大并输出；

其中，根据所述电压抬升电路输出的第二电压信号和压力信号放大电路输出的第一电压信号能够分别计算得到动态脉搏波信号和静态压力信号大小。

作为本发明的另一个方面，提供了一种脉搏信号采集系统，包括压阻式压力传感器、如上所述的脉搏信号处理电路和单片机，其中：

压阻式压力传感器，用于获取并输出脉搏差分电压信号；

脉搏信号处理电路，用于对所述脉搏差分电压信号进行处理后，输出第一电压信号和第二电压信号，其中第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；第二电压信号仅包括动态脉搏波信号；

单片机，用于采集所述脉搏信号处理电路的第一电压信号和第二电压信号，通过计算分别得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小。

与现有技术比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明基于压阻式压力传感器，能同时监测静态压力信号和动态的脉搏波信号，通过脉搏信号处理电路分别得到包含静态压力信号和动态脉搏波信号的第一电压信号，以及仅包含动态脉搏波信号的第二电压信号，从而能够分别计算动态脉搏波信号和静态压力信号大小，实现了静态压力和动态脉搏波的分离检测。

2、本发明将动态脉搏波信号和静态压力信号分离出来，分别获得了更大的放大倍数，提高了灵敏度。

3、本发明的高通滤波电路的高截止频率低于脉搏波信号的频率，解决了低频率(0.5Hz-2Hz)信号的交直流信号分离的问题，可适用于所有低频率信号的交直流分离应用场景。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、差动放大电路；2、高通滤波-放大电路；3、电压抬升电路；4、电压跟随电路；5、压力信号放大电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于压阻式压力传感器的脉搏信号处理电路及采集系统，其中，该压阻式压力传感器具有由周边固定的硅敏感膜形成的应力杯结构，并在硅敏感膜表面应力最大处制作四个压敏电阻，组成惠斯通电桥。在采集脉搏信号时，是将压阻式压力传感器按压于人体皮肤表面，这个静态压力与人体脉搏引起的压力的共同作用将使压阻式压力传感器中的惠斯通电桥的桥臂电阻发生改变，从而破坏惠斯通电桥的平衡状态，产生相应大小的电压信号。其中静态压力大小保持稳定，对应于电压信号中的直流部分；脉搏波信号与人体心跳信号频率一致，对应于电压信号中的超低频率的交流部分。通过本发明的脉搏信号处理电路可以将静态压力信号和脉搏波信号的分离与放大，实现了静态压力和动态脉搏波的同时检测，符合传统中医“浮中沉”的理论基础，为正确脉诊提供可靠依据。

根据本发明的一些实施例，提供了一种脉搏信号处理电路，包括差动放大电路、高通滤波-放大电路、电压抬升电路和压力信号放大电路，其中：

差动放大电路，用于将一压阻式压力传感器输出的脉搏差分电压信号转换为单端的第一电压信号并输出，第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；

高通滤波-放大电路，用于从差动放大电路输出的第一电压信号中提取动态脉搏波信号，以及将动态脉搏波信号放大后输出；

电压抬升电路，用于将高通滤波-放大电路输出的放大后的动态脉搏波信号进行电压抬升，将电压抬升后的动态脉搏波信号作为第二电压信号输出；

压力信号放大电路，用于将差动放大电路输出的第一电压信号进行放大并输出；

其中，根据电压抬升电路输出的第二电压信号和压力信号放大电路输出的第一电压信号能够分别计算得到动态脉搏波信号和静态压力信号大小。

其中，电压抬升电路的抬升电压由稳定恒压源提供，作为优选，稳定恒压源包括电压跟随电路，连接至电压抬升电路的反相端，具有输入阻抗大、对前级分压电路产生的电压信号影响很小，同时输出阻抗小，负载能力强的优点。

根据本发明的一些实施例，还提供了一种脉搏信号采集系统，包括：

压阻式压力传感器，用于获取并输出脉搏差分电压信号；

如上的脉搏信号处理电路，用于对脉搏差分电压信号进行处理后，输出第一电压信号和第二电压信号，其中第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；第二电压信号仅包括动态脉搏波信号；

单片机，用于采集脉搏信号处理电路的第一电压信号和第二电压信号，通过计算分别得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小。

其中，通过以下公式计算分别得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小：

Vo1≈(DC+AC)*m；

Vo2≈n*AC+U；

其中，Vo1为第一电压信号，Vo2为第二电压信号，DC为静态压力信号，AC为动态脉搏波信号，m为压力信号放大电路的放大倍数，n为高通滤波-放大电路的放大倍数，U为抬升电压。

以下通过具体实施例来对本发明的技术方案作进一步说明：

实施例1

本实施例基于压阻式压力传感器，其输出端是一个电压差分对信号，它包括了静态压力信号和动态的脉搏波信号，进而提供了对该电压差分对信号进行处理的脉搏信号处理电路，包括差动放大电路1、高通滤波-放大电路2、压力信号放大电路5、电压抬升电路3、以及电压跟随电路4，具体电路结构如图1所示：

差动放大电路1包括运算放大器U1和电阻则～R4，其中，电阻R1的一端连接至运算放大器U1的反相输入端，电阻R1的另一端为差分电压输入端；电阻R2的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R2的另一端为差分电压输入端；电阻R3的一端连接至运算放大器U1的反相输入端，电阻R3的另一端连接至运算放大器U1的输出端；电阻R4的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R4的另一端接地；运算放大器U1的输出端输出单端电压信号。该差分对信号经过差动放大电路1变为单端的第一电压信号输出，该第一电压信号中仍然包括静态压力信号和动态的脉搏波信号。在差动放大电路1中，电阻R1～R4的阻值相等，且应远大于压阻式压力传感器的惠斯通桥臂电阻的阻值，以获得较高保真度的信号。

高通滤波-放大电路2包括运算放大器U2、电容C1和电阻R5～R8，其中，电容C1的一端连接至差动放大电路1的输出端，电容C1的另一端连接至电阻R6的一端；电阻R6的另一端连接至运算放大器U2的同相输入端；电阻R5的一端连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R5的另一端接地；电阻R7的一端连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R7的另一端连接至运算放大器U2的输出端；电阻R8的一端连接至运算放大器U2的同向输入端，电阻R8的另一端接地；运算放大器U2的输出端输出动态脉搏波信号。在高通滤波-放大电路2中，电容C1和电阻R6、R8构成的高通滤波电路将其中的动态脉搏波信号提取出来，其高截止频率应低于脉搏波信号的频率(0.5-2Hz)。在高通滤波-放大电路2中，将动态脉搏信号放大后输出。放大后的动态脉搏信号的范围约为-1.6V到1.6V，需要用电压抬升电路3将其抬升约1.6V，1.6V的抬升电压由电压跟随电路4产生。

电压抬升电路3包括运算放大器U3和电阻R11～R14，其中，电阻R12的一端连接至高通滤波-放大电路2的输出端，电阻R12的另一端连接至运算放大器U3的正相输入端；电阻R11的一端连接至运算放大器U3的反相输入端，电阻R11的另一端连接至电压跟随电路的输出端；电阻R13的一端连接至运算放大器U3的反相输入端，电阻R13的另一端连接至运算放大器U3的输出端；电阻R14的一端连接至运算放大器U3的同相输入端，电阻R14的另一端接地；运算放大器U3的输出端输出非负的动态脉搏波信号，作为第二电压信号。

电压跟随电路4产生电压抬升电路所需的抬升电压，一般为1.6～1.7V。电压跟随电路4包括电阻R9～R10和运算放大器U5，其中，电阻R9、R10的一端分别接入正、负电源端，电阻R9、R10的另一端分别连接至运算放大器U5的同相输入端，运算放大器U5的反相输入端连接至运算放大器U5的输出端，运算放大器U5的输出端连接至电压抬升电路3的输入端。

差动放大电路1中输出的信号包括静态压力信号和动态的脉搏波信号。将其作为压力信号放大电路5的输入进行放大，压力信号放大电路5的输出中仍然包括静态压力信号和动态脉搏波信号。压力信号放大电路5包括运算放大器U4和电阻R15～R18，其中电阻R15的一端连接至运算放大器U4的反相输入端，电阻R15的另一端接地；电阻R16的一端连接至差动放大电路1的输出端，电阻R16的另一端接地；电阻R17的一端连接至运算放大器U4的反相输入端，电阻R17的另一端连接至运算放大器U4的输出端，电阻R18的一端连接至运算放大器U4的同相输入端，电阻R18的另一端接地；运算放大器U4的输出端输出静态压力信号和动态脉搏波信号。

由于高通滤波-放大电路2和压力信号放大电路5的放大倍数均已知，可以根据二者的电压输出，即第一电压信号和第二电压信号，分别计算得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小，从而完整地实现了静态压力信号和动态脉搏波信号的分离与分别放大。

具体可由单片机(MCU)采集脉搏信号处理电路输出的第一电压信号和第二电压信号，并根据电路分析，通过以下公式来分别计算静态压力信号和动态脉搏波信号大小：

Vo1≈(DC+AC)*50；

Vo2≈100*AC+1.667V；

其中，Vo1为第一电压信号，Vo2为第二电压信号，DC为静态压力信号，AC为动态脉搏波信号，50为压力信号放大电路的放大倍数，100为高通滤波-放大电路的放大倍数，1.667V为抬升电压大小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉搏信号处理电路，其特征在于，包括差动放大电路、高通滤波-放大电路、电压抬升电路和压力信号放大电路，其中：

差动放大电路，用于将一压阻式压力传感器输出的脉搏差分电压信号转换为单端的第一电压信号并输出，所述第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；

高通滤波-放大电路，用于从所述差动放大电路输出的第一电压信号中提取动态脉搏波信号，以及将所述动态脉搏波信号放大后输出；

电压抬升电路，用于将所述高通滤波-放大电路输出的放大后的动态脉搏波信号进行电压抬升，将电压抬升后的动态脉搏波信号作为第二电压信号输出；

压力信号放大电路，用于将所述差动放大电路输出的第一电压信号进行放大并输出；

其中，根据所述电压抬升电路输出的第二电压信号和压力信号放大电路输出的第一电压信号能够分别计算得到动态脉搏波信号和静态压力信号大小。

2.根据权利要求1所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，所述差动放大电路包括运算放大器U1和电阻R1～R4，其中：

电阻R1的一端连接至运算放大器U1的反相输入端，电阻R1的另一端为差分电压输入端；

电阻R2的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R2的另一端为差分电压输入端；

电阻R3的一端连接至运算放大器U1的反相输入端，电阻R3的另一端连接至运算放大器U1的输出端；

电阻R4的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R4的另一端接地；

运算放大器U1的输出端输出所述单端的第一电压信号。

3.根据权利要求2所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，电阻R1～R4的阻值相等，且大于所述压阻式压力传感器的压敏电阻的阻值。

4.根据权利要求1所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，所述高通滤波-放大电路包括运算放大器U2、电容C1和电阻R5～R8，其中：

电容C1的一端连接至差动放大电路的输出端；

电阻R5的一端连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R5的另一端接地；

电阻R6的一端连接至电容C1的另一端，电阻R6的另一端连接至运算放大器U2的同相输入端；

电阻R7的一端连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R7的另一端连接至运算放大器U2的输出端；

电阻R8的一端连接至运算放大器U2的同向输入端，电阻R8的另一端接地；

运算放大器U2的输出端输出放大后的动态脉搏波信号；

作为优选，电容C1、电阻R6和电阻R8组成RC高通滤波电路，其高截止频率低于脉搏波信号的频率。

5.根据权利要求1所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，所述电压抬升电路包括运算放大器U3和电阻R11～R14，其中：

电阻R11的一端连接至运算放大器U3的反相输入端，电阻R11的另一端连接至一稳定恒压源；

电阻R12的一端连接至高通滤波-放大电路的输出端，电阻R12的另一端连接至运算放大器U3的正相输入端；

电阻R13的一端连接至运算放大器U3的反相输入端，电阻R13的另一端连接至运算放大器U3的输出端；

电阻R14的一端连接至运算放大器U3的同相输入端，电阻R14的另一端接地；

运算放大器U3的输出端输出所述第二电压信号。

6.根据权利要求5所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，所述稳定恒压源用于产生所述电压抬升电路所需的抬升电压；作为优选，所述稳定恒压源包括电压跟随电路，其中：

所述电压跟随电路包括电阻R9～R10和运算放大器U5，其中：

电阻R9、R10的一端分别接入正、负电源端，电阻R9、R10的另一端分别连接至运算放大器U5的同相输入端；

运算放大器U5的反相输入端连接至运算放大器U5的输出端，运算放大器U5的输出端连接至运算放大器U3的反相输入端。

7.根据权利要求1所述的脉搏信号处理电路，其特征在于，所述压力信号放大电路包括运算放大器U4和电阻R15～R18，其中：

电阻R15的一端连接至运算放大器U4的反相输入端，电阻R15的另一端接地；

电阻R16的一端连接至差动放大电路的输出端，电阻R16的另一端接地；

电阻R17的一端连接至运算放大器U4的反相输入端，电阻R17的另一端连接至运算放大器U4的输出端；

电阻R18的一端连接至运算放大器U4的同相输入端，电阻R18的另一端接地；

运算放大器U4的输出端输出放大后的所述第一电压信号。

8.一种脉搏信号采集系统，其特征在于，包括压阻式压力传感器、如权利要求1至7任意一项所述的脉搏信号处理电路和单片机，其中：

压阻式压力传感器，用于获取并输出脉搏差分电压信号；

脉搏信号处理电路，用于对所述脉搏差分电压信号进行处理后，输出第一电压信号和第二电压信号，其中第一电压信号包括静态压力信号和动态脉搏波信号；第二电压信号仅包括动态脉搏波信号；

单片机，用于采集所述脉搏信号处理电路的第一电压信号和第二电压信号，通过计算分别得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小。

9.根据权利要求8所述的脉搏信号采集系统，其特征在于，所述压阻式压力传感器具有由周边固定的硅敏感膜形成的应力杯结构，并在硅敏感膜表面应力最大处设置四个压敏电阻，并连接成惠斯通电桥，通过所述惠斯通电桥输出所述脉搏差分电压信号。

10.根据权利要求8所述的脉搏信号采集系统，其特征在于，通过以下公式计算分别得到静态压力信号和动态脉搏波信号大小：

Vo1≈(DC+AC)*m；

Vo2≈n*AC+U；

其中，Vo1为第一电压信号，Vo2为第二电压信号，DC为静态压力信号，AC为动态脉搏波信号，m为压力信号放大电路的放大倍数，n为高通滤波-放大电路的放大倍数，U为抬升电压。