CN202515663U - 阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其包括一解调和滤波单元、信号放大和低通滤波单元、微处理器，所述信号放大和低通滤波单元的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，信号放大和低通滤波单元的输出端通过一A/D转换器电性连接至微处理器，信号放大和低通滤波单元包括一低通电路，该低通电路包括一运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相输入端通过一D/A转换器与微处理器电性连接。本实用新型降低了呼吸检测设备的复杂度，从而减少生产工序、提高效率、降低成本的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种呼吸检测装置，具体涉及一种阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统。
背景技术
病人的基本生理参数检测主要包括心电，血压，血氧和呼吸。目前检测呼吸率主要是通过阻抗或者鼻管，鼻管呼吸检测呼吸率要增加额外的管子连接病人鼻子，增加一些检查设备，成本升高，而且病人身体上本来就有许多检测传感器和连接线，这样就很不方便。如图1所示，阻抗检测呼吸率是利用测量心电(ECG)的两个电极(即图中的二个ECG电极)及导连线(和心电混用)，把人体呼吸时肌肉运动引起阻抗变化，这微弱信号通过调制载波、导连线切换开关、解调和滤波(指高频滤波)、60-70dB信号放大和低通滤波、再经微处理器的A/D模拟转换成数字信号、软件数字滤波、工频陷波、呼吸波形模式识别，最后用最近的几个波形取平均算呼吸率。
如图2所示，在60-70dB信号放大和低通滤波部分，包括放大电路6、低通电路7、滤波电路8、放大滤波电路9、电位调整电路10，现有技术是电位调整电路10用一个电位器(即一个参考电压Vref依次通过电阻R21、滑动变阻器R23、电阻R22后接至另一个参考电压Vref上，滑动变阻器R23的滑动端接至低通电路7中运算放大器的同相输入端)来调整信号放大参考电压，此种方式弊端有：1、硬件成本高，占用PCB空间；2、生产加工费时费力，调整不方便；3、因为有用信号实在是太微弱，只有0.05-1mV，而信号放大了一千多倍，受元件使用老化的影响，当产品使用一段时间后，调整好的参考电压可能就不再适合了，已经偏离基点，即直流漂移了；4、受人体体位活动变化或采集传感器(ECG电极)极化电压影响，参考电压不能跟随小范围调整，致使放大通路饱和信号超出范围，也就是直流漂移了。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种降低设备的复杂度、减少生产工序、提高效率、降低成本的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其包括一解调和滤波单元、信号放大和低通滤波单元、微处理器，所述信号放大和低通滤波单元的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，信号放大和低通滤波单元的输出端通过一A/D转换器电性连接至微处理器，信号放大和低通滤波单元包括一低通电路，该低通电路包括一运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相输入端通过一D/A转换器与微处理器电性连接。
优选地，所述信号放大和低通滤波单元还包括一放大电路、滤波电路、放大滤波电路，所述放大电路、低通电路、滤波电路、放大滤波电路依次电性连接，放大电路的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，放大滤波电路的输出端与A/D转换器电性连接。
优选地，所述放大电路包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1，解调和滤波单元的输出端通过电容C1连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R1的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，另一端连接至一第一参考电压，运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3连接至运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的反相输入端并通过电阻R2连接至一第二参考电压。
优选地，低通电路还包括电阻R4、电阻R5、电容C2，运算放大器U1的输出端通过电阻R4连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R5和电容C2并联后跨接于运算放大器U2的反相输入端和运算放大器U2的输出端之间。
优选地，所述滤波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6和电容C3后接地，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6、电阻R7、电容C4后接地。
优选地，所述放大滤波电路包括运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5，运算放大器U3的同相输入端连接于电阻R7和电容C4之间，运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8连接至一第三参考电压，电阻R9跨接于运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的输出端依次通过电阻R10、电容C5后接地，A/D转换器连接于电阻R10和电容C5之间。
优选地，所述A/D转换器设置于微处理器中。
优选地，所述D/A转换器设置于微处理器中。
本实用新型所阐述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，与现有技术相比，其有益效果在于：本实用新型用微控制器通过一D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，输出一个直流电压做参考电压，并根据采样到的阻抗呼吸信号波形的直流电平来调整，使输出的直流电平为需要值，防止直流漂移，本实用新型降低了呼吸检测设备的复杂度，从而减少生产工序、提高效率、降低成本的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统。
附图说明
附图1为阻抗检测呼吸率设备的工作流程图；
附图2为现有技术阻抗呼吸检测的直流漂移平衡系统的电路原理图；
附图3为本实用新型阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统的电路原理图；
附图4为图3中微处理器的软件处理流程图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统做进一步描述，以便于更清楚的理解本实用新型所要求保护的技术思想。
如图3～4所示，阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其包括一解调和滤波单元、信号放大和低通滤波单元、微处理器U4，信号放大和低通滤波单元的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，信号放大和低通滤波单元的输出端通过一A/D转换器电性连接至微处理器U4，信号放大和低通滤波单元包括一低通电路2，该低通电路2包括一运算放大器U2，运算放大器U2的同相输入端通过一D/A转换器与微处理器U4电性连接。其中，作为本实用新型较佳的实施例，A/D转换器和D/A转换器可设置于微处理器U4中，从而更加节约成本。本实用新型采用微控制器U4自身带的D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，输出一个直流电压做参考电压，并根据采样到的阻抗呼吸信号波形的直流电平来调整，使输出的直流电平为需要值，防止直流漂移；减少生产工序提高效率，降低成本。
具体地，信号放大和低通滤波单元还包括一放大电路1、滤波电路3、放大滤波电路4、电位调整电路5，其中，电位调整电路5为微处理器U4，微处理器U4设有A/D转换器和D/A转换器，放大电路1、低通电路2、滤波电路3、放大滤波电路4依次电性连接，放大电路1的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，放大滤波电路4的输出端与A/D转换器电性连接。
放大电路1包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1，解调和滤波单元的输出端通过电容C1连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R1的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，另一端连接至一第一参考电压Vref，运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3连接至运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的反相输入端并通过电阻R2连接至一第二参考电压Vref。
低通电路2还包括电阻R4、电阻R5、电容C2，运算放大器U1的输出端通过电阻R4连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R5和电容C2并联后跨接于运算放大器U2的反相输入端和运算放大器U2的输出端之间。
滤波电路3包括电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6和电容C3后接地，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6、电阻R7、电容C4后接地。
放大滤波电路4包括运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5，运算放大器U3的同相输入端连接于电阻R7和电容C4之间，运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8连接至一第三参考电压Vref，电阻R9跨接于运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的输出端依次通过电阻R10、电容C5后接地，A/D转换器连接于电阻R10和电容C5之间。
本实用新型的详细工作原理及过程：
1、在图3中，电位调整电路5中微控制器U4首先利用自带D/A转换器输出一个参考电压到低通电路2中运算放大器U2的同相输入端，一般这个电压是微控制器U4的D/A转换器电压的一半，因为这样不管阻抗呼吸信号是正还是负信号都能够检测，不容易出现运算放大器U2饱和。
2、在电位调整电路5中微控制器U4用其自带的A/D转换器以50HZ的采样速率连续采样，用每秒50次是因为工频是50HZ，便于后面滤波；再就是人体呼吸率一般是每分钟20次左右，最高不超过120次(2HZ)，根据奈奎斯特(Nyquist)定理，只要采样频率大于呼吸信号最高谐波2倍即可(Ws≥2Wm)。
3、经步骤S401(A/D转换)后，在图4的步骤S402(数字滤波工频陷波)中，采样后的数据有各种噪音，必须进行数字滤波。本发明在软件处理中用了2个滤波算法：
A、为了保证实时性，用MATLAB软件设计了一个简单的二阶巴特沃斯低通滤波器，带宽是人类呼吸最高频率2HZ；
B、另外针对50HZ工频又用一个简单的滑动平均滤波，滑动平均滤波对周期性的噪音有比较好的滤除效果，因为经过前面2HZ和硬件RC阻容滤波(滤波电路3)，已经把工频滤除了大部分，此处就不需要那么严格了。
4、在图4的步骤S403(取出直流电平)中，任何一个呼吸信号波形都是由直流和交流组成的f(t)＝fD+fA(t)；全都可以用傅立叶分解为直流和各种频率的正弦加余弦：
A0即是所需要的直流电平：
A＝1/T∫f(t)dt
此处T是呼吸波形的周期，一般人是每分钟20次，3秒一次，此处取T＝3s，A/D采样率是50HZ，因此一个呼吸周期所需要的值是Yn＝3*50＝150个采样点；f(t)是阻抗呼吸(Resp)的采样值；这样在3秒就可以取出信号的直流分量转入下一个操作步骤。
5、图4步骤S404(D/A转换输出电压)中，在此处用上述得到的直流电平和已经输出到低通电路2中运算放大器U2的同相输入端的电平做比较，分成3种状态：
A、如果直流漂移很小，不做处理；
B、如果直流漂移到了规定的小范围，那么自动把原有输出D/A值加1或减1，一直到信号的直流分量到规定范围；
C、如果发现偏差比较大，原有D/A值加或减一个比较大的合适值，这样可以加速信号回归到基线位置，快速抑制直流漂移；
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其包括一解调和滤波单元、信号放大和低通滤波单元、微处理器，所述信号放大和低通滤波单元的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，信号放大和低通滤波单元的输出端通过一A/D转换器电性连接至微处理器，其特征在于，信号放大和低通滤波单元包括一低通电路，该低通电路包括一运算放大器U2，所述运算放大器U2的同相输入端通过一D/A转换器与微处理器电性连接。
2.根据权利要求1所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述信号放大和低通滤波单元还包括一放大电路、滤波电路、放大滤波电路，所述放大电路、低通电路、滤波电路、放大滤波电路依次电性连接，放大电路的输入端与解调和滤波单元的输出端电性连接，放大滤波电路的输出端与A/D转换器电性连接。
3.根据权利要求2所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述放大电路包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、运算放大器U1，解调和滤波单元的输出端通过电容C1连接至运算放大器U1的同相输入端，电阻R1的一端连接至运算放大器U1的同相输入端，另一端连接至一第一参考电压，运算放大器U1的反相输入端通过电阻R3连接至运算放大器U1的输出端，运算放大器U1的反相输入端并通过电阻R2连接至一第二参考电压。
4.根据权利要求3所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，低通电路还包括电阻R4、电阻R5、电容C2，运算放大器U1的输出端通过电阻R4连接至运算放大器U2的反相输入端，电阻R5和电容C2并联后跨接于运算放大器U2的反相输入端和运算放大器U2的输出端之间。
5.根据权利要求4所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述滤波电路包括电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6和电容C3后接地，运算放大器U2的输出端依次经过电阻R6、电阻R7、电容C4后接地。
6.根据权利要求5所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述放大滤波电路包括运算放大器U3、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5，运算放大器U3的同相输入端连接于电阻R7和电容C4之间，运算放大器U3的反相输入端通过电阻R8连接至一第三参考电压，电阻R9跨接于运算放大器U3的反相输入端和运算放大器U3的输出端之间，运算放大器U3的输出端依次通过电阻R10、电容C5后接地，A/D转换器连接于电阻R10和电容C5之间。
7.根据权利要求1所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述A/D转换器设置于微处理器中。
8.根据权利要求1或7所述的阻抗呼吸检测的直流漂移自动平衡系统，其特征在于，所述D/A转换器设置于微处理器中。
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|---|---|---|---|---|
| CN103166889A (zh) * | 2013-03-25 | 2013-06-19 | 大唐微电子技术有限公司 | 一种数字对讲机信号解调装置和芯片 |
| CN103300861A (zh) * | 2013-05-08 | 2013-09-18 | 深圳市科曼医疗设备有限公司 | 阻抗式呼吸测量系统 |
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