CN114224302A - 一种多生理参数信号单通道同步采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多生理参数信号单通道同步采集装置，涉及生理信号检测领域。本发明包括驱动电路，防静电噪声干扰电路，并联差动放大电路，倍频方波激励光电路，差动跨阻放大电路，滤波和信号叠加电路以及过采样和快速数字锁相电路；所述驱动电路、所述防静电噪声干扰电路、所述滤波和信号叠加电路均与所述并联差动放大电路连接；所述倍频方波激励光电路与所述差动跨阻放大电路耦合；所述差动跨阻放大电路还与滤波和信号叠加电路连接；所述滤波和信号叠加电路与所述过采样和快速数字锁相电路连接。本发明具有结构简单、成本低廉、低功耗、小体积，高精度等优点，能实现心电波和多波长脉搏波的长时间动态监测。
Description
技术领域
本发明涉及生理信号检测领域，更具体的说是涉及一种多生理参数信号单通道同步采集装置。
背景技术
心电信号、脑电信号和呼吸信号等，是反映人体生理机能的重要参数，在人体健康监护方面具有重要的参考价值。该类信号均为微弱信号，易受外界干扰影响，检测困难。随着人们对日常生理健康的关注和信息技术的发展，对于简单、便携、可靠的生理信号检测设备的需求不断加大。
目前，便携式的动态监护仪大多数只能进行心电信号检测，功能单一，结构传统。杨博智设计了心电检测模块；陈兴武设计了一种便携式心电采集设备；周子龙提出了基于Android智能手机平台的便携式心电监护仪的设计，以上几种生物信号检测电路，都有较为复杂的滤波电路和放大电路。
可见如何实现采集多参数生理信号，是本领域技术人员亟需解决的。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多生理参数信号单通道同步采集装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多生理参数信号单通道同步采集装置，包括驱动电路，防静电噪声干扰电路，并联差动放大电路，倍频方波激励光电路，差动跨阻放大电路，滤波和信号叠加电路以及过采样和快速数字锁相电路；所述驱动电路、所述防静电噪声干扰电路、所述滤波和信号叠加电路均与所述并联差动放大电路连接；所述倍频方波激励光电路与所述差动跨阻放大电路耦合；所述差动跨阻放大电路还与滤波和信号叠加电路连接；所述滤波和信号叠加电路与所述过采样和快速数字锁相电路连接。
可选的，二极管D1和二极管D2反向并联，一端连接电阻R2右端和运算放大器A2的正输入端，一端接地，构成所述防静电噪声干扰电路。
可选的，运算放大器A1，运算放大器A2，电阻R3，电阻R4，电阻R5构成并联差分放大电路，其中，电信号分别从运算放大器A1同相输入端和运算放大器A2同相输入端流入，然后分别从A1输出端和A2输出端流出；所述运算放大器A1经电阻R4连接至所述运算放大器A1的输出端；所述运算放大器A2经电阻R5连接至所述运算放大器A2的输出端；所述运算放大器A1、所述运算放大器A2的反向输入端经电阻R3连接。
可选的，VCC，IR-LED，R-LED，方波f1和方波f2构成倍频方波激励电路；IR-LED正端接VCC，R11端接IR-LED的负端，另一端接方波f1；R-LED正端接VCC，R12一端接R-LED的负端，另一端接方波f2。
可选的，光电转换器D5，电阻R13，电阻R14，运算放大器A4，运算放大器A5构成差分跨阻放大电路；光电转换器D5的正端与运算放大器A4的负输连接、还与电阻R13导线连接；电阻R13通过导线和运算放大器A4的输出、电阻R15连接；光电转换器D5的负端与运算放大器A5的反相端、R14连接；R14的一端与运算放大器A5的输出端连接、R16的左端连接在一起；运算放大器A4的正相端与A5的正输入端通过导联线连接在一起，后接信号地。
可选的，电阻R15，电阻R16，电阻R8，电阻R9，电容C1构成信号叠加和滤波电路；电容C1一端通过导线连接电阻R8和电阻R15，另一端通过导线连接电阻R9和电阻R16。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种多生理参数信号单通道同步采集装置，具有以下有益效果：
1、本发明采用过采样技术结合成型信号，并使用快速数字解调算法，设计了多生理参数信号单通道同步采集放大器，利用电阻和电容的合理配置，巧妙地满足了放大器，同时采集心电信号和多波长脉搏波信号时，对心电信号输入阻抗和放大倍数要求，对多波长脉搏波信号放大倍数要求；
2、本发明具有结构简单、成本低廉、低功耗、小体积，高精度等优点，能实现心电波和多波长脉搏波的长时间动态监测；
3、本发明可实现心电信号、呼吸信号、肌电信号、脑电信号以及多波长脉搏波信号的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的模拟信号处理电路图；
图3为本发明的数字信号处理电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种多生理参数信号单通道同步采集装置，包括驱动电路，防静电噪声干扰电路，并联差动放大电路，倍频方波激励光电路，差动跨阻放大电路，滤波和信号叠加电路以及过采样和快速数字锁相电路；其中过采样和快速数字锁相电路为数字信号处理电路，如图3所示。驱动电路、防静电噪声干扰电路、滤波和信号叠加电路均与并联差动放大电路连接；倍频方波激励光电路与差动跨阻放大电路耦合；差动跨阻放大电路还与滤波和信号叠加电路连接；滤波和信号叠加电路与过采样和快速数字锁相电路连接。
其中，如图2所示，二极管D1和二极管D2反向并联，一端连接电阻R2右端和运算放大器A2的正输入端，一端接地，构成防静电噪声干扰电路。作用是当电信号中出现高幅值的静电干扰，静电会沿着二极管流向信号地，使得电阻R1和运算放大器A1之间的连接线上的电生理信号维持在vref±VD(vref表示信号地，VD表示为二极管压降)附近，防止运算放大器A1的正输入端电压过高，损坏电路。
其中，运算放大器A1，运算放大器A2，电阻R3，电阻R4，电阻R5构成并联差分放大电路，其中，电信号分别从运算放大器A1同相输入端和运算放大器A2同相输入端流入，然后分别从A1输出端和A2输出端流出；运算放大器A1经电阻R4连接至运算放大器A1的输出端；运算放大器A2经电阻R5连接至运算放大器A2的输出端；运算放大器A1、运算放大器A2的反向输入端经电阻R3连接。该电路放大通过该电路的差模信号，共模信号可以无放大通过。
其中，VCC，IR-LED，R-LED，方波f1和方波f2构成倍频方波激励电路；IR-LED正端接VCC，R11端接IR-LED的负端，另一端接方波f1；R-LED正端接VCC，R12一端接R-LED的负端，另一端接方波f2。
其中，光电转换器D5，电阻R13，电阻R14，运算放大器A4，运算放大器A5构成差分跨阻放大电路；光电转换器D5的正端与运算放大器A4的负输连接、还与电阻R13导线连接；电阻R13通过导线和运算放大器A4的输出、电阻R15连接；光电转换器D5的负端与运算放大器A5的反相端、R14连接；R14的一端与运算放大器A5的输出端连接、R16的左端连接在一起；运算放大器A4的正相端与A5的正输入端通过导联线连接在一起，后接信号地。
其中，电阻R15，电阻R16，电阻R8，电阻R9，电容C1构成信号叠加和滤波电路；电容C1一端通过导线连接电阻R8和电阻R15，另一端通过导线连接电阻R9和电阻R16。叠加后的信号中心电信号和光电容积脉搏波信号所占权重分别由二者各自支路上所有器件的阻抗和共同决定，心电信号支路阻抗表示为Zecg，脉搏波信号支路阻抗表示为Zppg，则叠加后的信号可以表示为
电容C1一端通过导线连接R8和R15，另一端通过导线连接R9和R16，C1与R15，R16，R8，R9又构成抗混叠低通滤波器，滤除叠加信号中的高频干扰，防止后级ADC进入非线性。
其中，红光和红外光分别穿透手指(在手指内部充满着丰富的动脉毛细血管，血管中的血液含量会随着心脏的跳动而产生周期性变化，由于血量的变化导致不同时刻血液对透过手指的光的吸收大小不同，从而导致射出手指的光强会随着血管内血液含量的变化而变化，因此透出手指的光强中就包含了手指的血液含量信息；血液中的含氧血红蛋白对红光和红外光的吸收是不同的，因此红光和红外光中射出手指后得到光强就会不一致，根据得到的红光脉搏波和红外光脉搏波，通过一定的计算可以得到人体的含氧血红蛋白信息，进而得到人体的血氧饱和度)照射到光电转换器D5。光电转换器D5的电流大小由照射到光电转换器D5的光强决定。叠加信号被ADC采集到后，传输到处理器内部，对于心电信号，使用下抽样算法，然后带通滤波可以得到干净的心电信号；对于光电容积脉搏波信号，使用快速数字锁相解调算法，分别从叠加信号中得到红光脉搏波和红外光脉搏波，然后使用下抽样技术，降低信号采样率并滤除高频干扰，最后使用带通滤波器滤除其他干扰，得到干净的红光和红外光脉搏波。
实施例2
生理信号采集装置，参见图1，该装置包括：右腿驱动电路1、防静电噪声干扰电路2、并联差分放大电路3、倍频方波激励光电路4、差分跨阻放大电路5、滤波和信号叠加电路6、过采样和快速数字锁相解调电路7。
其中，滤波和信号叠加电路6、右腿驱动电路1、防静电噪声干扰电路2、并联差分放大电路3、倍频方波激励光电路4和差分跨阻放大电路5，构成生理信号采集电路，过采样和快速数字锁相解调电路7为生理信号解调电路。
其中，右腿驱动电路1将共模信号反向放大后反馈回人体，抑制输入放大器的共模信号，提高电路的共模抑制比。
防静电噪声干扰电路2由并联二极管构成，进入电路的静电等高频干扰信号可通过二极管反向输出到电源轨，防止静电等高频干扰击毁电路。
并联差分放大电路3由运算放大器和电阻构成并联差分放大电路，对于差模信号并联差分放大电路可以根据电阻值的配比，放大一定倍数，对于共模信号并联差分放大电路不做放大处理，可正常通过，并联差分放大电路结合右腿驱动电路，构成心电信信号放大电路，用于采集心电信号。
倍频方波激励光电路4由电源轨、发光二极管、限流电阻和激励信号源组成，
其中，激励信号源产生的信号是倍频方波信号，与电源轨、发光二极管、限流电阻组合可产生倍频激励光。
差分跨阻放大电路5由运算放大器、电阻和光电转换器件组成，将光电转换器件接收到的光信号转换为差分电压信号。具体实现时，两路高频方波电压激励信号可以由微处理器产生；
滤波和信号叠加电路6由电阻电容构成，低通滤波电路抑制信号中的高频干扰，防止ADC进入非线性。信号叠加电路将心电信号和多波长脉搏波信号叠加为一路信号，信号叠加时心电信号的权重和多波长脉搏波信号的权重由叠加电路的电阻值控制。
过采样和快速数字锁相电路7中的过采样由模数转换器实现，快速数字锁相解调由微处理器实现。实际应用时，二者使用两个处理器实现也可共用一个微处理器，既可产生两路高频方波电压激励信号，也可以实现快速数字锁相解调。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，包括驱动电路，防静电噪声干扰电路，并联差动放大电路，倍频方波激励光电路，差动跨阻放大电路，滤波和信号叠加电路以及过采样和快速数字锁相电路；所述驱动电路、所述防静电噪声干扰电路、所述滤波和信号叠加电路均与所述并联差动放大电路连接；所述倍频方波激励光电路与所述差动跨阻放大电路耦合；所述差动跨阻放大电路还与滤波和信号叠加电路连接；所述滤波和信号叠加电路与所述过采样和快速数字锁相电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，二极管D1和二极管D2反向并联，一端连接电阻R2右端和运算放大器A2的正输入端，一端接地，构成所述防静电噪声干扰电路。
3.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，运算放大器A1，运算放大器A2，电阻R3，电阻R4，电阻R5构成并联差分放大电路，其中，电信号分别从运算放大器A1同相输入端和运算放大器A2同相输入端流入，然后分别从A1输出端和A2输出端流出；所述运算放大器A1反向输入端经电阻R4连接至所述运算放大器A1的输出端；所述运算放大器A2反向输入端经电阻R5连接至所述运算放大器A2的输出端；所述运算放大器A1、所述运算放大器A2的反向输入端经电阻R3连接。
4.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，VCC，IR-LED，R-LED，方波f1和方波f2构成倍频方波激励电路；IR-LED正端接VCC，R11端接IR-LED的负端，另一端接方波f1；R-LED正端接VCC，R12一端接R-LED的负端，另一端接方波f2。
5.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，光电转换器D5，电阻R13，电阻R14，运算放大器A4，运算放大器A5构成差分跨阻放大电路；光电转换器D5的正端与运算放大器A4的负输连接、还与电阻R13导线连接；电阻R13通过导线和运算放大器A4的输出、电阻R15连接；光电转换器D5的负端与运算放大器A5的反相端、R14连接；R14的一端与运算放大器A5的输出端连接、R16的左端连接在一起；运算放大器A4的正相端与A5的正输入端通过导联线连接在一起，后接信号地。
6.根据权利要求1所述的一种多生理参数信号单通道同步采集装置，其特征在于，电阻R15，电阻R16，电阻R8，电阻R9，电容C1构成信号叠加和滤波电路；电容C1一端通过导线连接电阻R8和电阻R15，另一端通过导线连接电阻R9和电阻R16。
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