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当前位置：&>>&&>>&&>>&最新解读脉搏测量的工作原理
&&& 1 引言
&&& 脉搏测量属于检测有无脉博的测量，有脉搏时遮挡光线，无脉搏时透光强，所采用的传感器是红外接收二极管和红外发射二极管。用于体育测量用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。
&&& 2 脉搏信号的拾取
&&& 脉搏信号拾取电路如图1所示，IClA接为单位 增益缓冲器以产生2.5V的基准电压。
&&& 红外接收二极管在红外光的照射下能产生电能，单个二极管能产生O.4 V电压，0.5 mA电流。型红外接收二极管和型红外发射二极管工作波长都是940 nm,在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。在图l中，RO选100 Ω是基于红外接收二极管感应红外光灵敏度考虑的。R0过大，通过红外发射二极管的电流偏小，BPW83型红外接收二极管无法区别有脉搏和无脉搏时的信号。反之，R0过小，通过的电流偏大，红外接收二极管也不能准确地辨别有脉搏和无脉搏时的信号。当红外发射二极管发射的红外光直接照射到红外接收二极管上时，IC1B的反相输入端电位大于同相输入端电位，Vi为“O”.当手指处于测量位置时，会出现二种情况：一是无脉期。虽然手指遮挡了红外发射二极管发射的红外光，但是，由于红外接收二极管中存在暗电流，仍有lμA的暗电流会造成Vi电位略低于2.5 V.二是有脉期。当有跳动的脉搏时，血脉使手指透光性变差，红外接收二极管中的暗电流减小，Vi电位上升。
&&& 由此看来，所谓脉搏信号的拾取实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过IClB的放大而得到的。所拾取的信号为2μV左右的电压信号。&&
&&& 3 信号的放大
&&& 按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器，它由IC2A和C04等组成，如图2所示。转折频率由R07、C04、R08和C05决定，放大倍数由R08和R06的比值决定。
&&& 根据二阶低通滤波器的传递函数，可得
&&& 按人的脉搏最高为4 Hz考虑，低频特性是令人满意的。
&&& 需要说明的是，以上分析是在忽略C03的条件下做出的，如果考虑C03的话，那么：
&&& 由此可见，C03没有影响频率特性的分析，它的作用只是隔直。
&&& 二级放大器兼比较器如图3所示。Rpll用以调整系统的放大倍数，C06用以防止放大器自激。采用二级放大，零点漂移不很明显，在0.1 V左右。所以将比较器的阈值电压设计成O.25 V，以确保滤除干扰信号。采用比较器的好处是能有效地克服零点漂移所造成的影响，提高测量的准确性。
&&& 4 波形整形
&&& 波形整形电路如图4所示，IC3A是型单稳态多谐振荡器，有效脉宽为0.05 s。其宽度由R22和C20决定。IC3B也组成一个单稳态多谐振荡器，脉宽为240ms.D2、Dl和T3等组成一个或非门，只有C，E两点均为低电平时，整机输出才是高电平。设计这个电路的目的是为了在输出端输出一个窄脉冲，并且要在由R13和C07决定的时间内任何信号都不会干扰输出。R23和C21充电时间的长短决定了计数脉冲的宽度，一般不希望它太宽。波形整形时序如图5所示。
&&& 5 结束语
&&& 当该放大器用于集群脉搏测量仪时，一定要注意不同信号通道之间的相互影响，建议把各个放大器的电源分开。此外，测量通道需要一个开关电路，当指夹悬空时，这个开关电路关闭单稳态电路，切断信号通路，防止乱计。
&&& 几年的生产实践证明，该放大处理电路稳定可靠。下面是笔者在设计中获得的一些体会。
&&& 采用二级放大好于三级放大，个别三级放大电路板的零点漂移大得足以达到满幅，使得测量不准确。每个单级放大器放大倍数最好不要大于30,以免自激振荡。
&&& 本信号放大器的高频转折频率由C05、C04、R07、R08和R06决定，C05、C04通常选聚丙烯器或聚碳酸酯电容器，R07、R08和R06通常选金属膜五。
&&& IClA、R02和R03组成电压跟随器，设计值为2.5 V,精确度由R02和R03决定，最好用金属膜五色环器。
&&& 隔直电容器C03的漏电要小，选用钽器为佳。
&&& IClA和IC1B要选用偏置电流小、输入失调电压小的。考虑到性价比，笔者使用了和。
技术资料出处:中电网
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单片机、ARM、DSP这三者的可以说是CPU，那这三者有什么区别吗？
首先，说CPU，中央处理器，本质就是一个集成电路，实现的功能就是从一个地方（如rom）读出一个指令，从一个地方（如ram）读出数据，然后根据指令的不同[][][][][][][][][][]
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推荐电子百科第2章脉搏信号分析综合训练实例；2.1训练任务；设计视觉疲劳实验，能准确得到视觉疲劳前后两种不同；2.2实验设计与数据采集；2.3信号预处理；人体的脉象信号是一种微弱的信号，信噪比比较的低，；（1）基线漂移、人体呼吸等低频干扰，频率小于1H；（2）工频干扰，是固定频率的干扰，频率为50HZ；（3）其他一些干扰信号，主要是高频干扰；；图2.1；所以，为了对信号
第2章 脉搏信号分析综合训练实例
2.1 训练任务
设计视觉疲劳实验，能准确得到视觉疲劳前后两种不同状态；对受试者在实验前、实验过程和实验后的脉搏信号进行采集；基于MATLAB对脉搏信号进行滤波处理、特征提取和分析，以期找到VDT作业疲劳对脉搏信号影响最明显的特征，为视觉疲劳的评测提供依据。
2.2 实验设计与数据采集
2.3 信号预处理
人体的脉象信号是一种微弱的信号，信噪比比较的低，正常人的脉象信号在0~20HZ的频率范内，且大约99%的能量分布在0~10HZ，在检测和采集时，由于受到仪器，人体方面的影响，所采集的信号中通常包括干扰信号,如图2.1中的一段脉搏信号，其中最主要的干扰信号有：
（1）基线漂移、人体呼吸等低频干扰，频率小于1HZ；
（2）工频干扰，是固定频率的干扰，频率为50HZ；
（3）其他一些干扰信号，主要是高频干扰；
所以，为了对信号做准确的分析，在分析处理之前必须做一些必要的预处理。针对信号中存在噪声的特点，基线漂移和呼吸等低频干扰在1HZ以下，而脉搏信号主要在低频范围，所以可以设计让信号先通过一个带通滤波器，借以滤除基线漂移、呼吸引起的干扰，然后再通过一个陷波滤波器滤除固定的工频干扰。
在设计滤波器前，介绍一下常用数字滤波器知识：
数字滤波器可分为无限冲激响应数字滤波器（IIR）和有限冲激响应数字滤波器（FIR），其具体设计过程不再详述，就一些性能区别作简介。
从性能上说，IIR数字滤波器可用较低的阶数获得高的选择性，幅频特性好，但缺点是相位不是严格线性的。相反，FIR滤波器却可以得到严格的线性相位，但FIR只能用较高的阶数达到高的选择性；对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤波器高5到10倍，成本较高，信号延时也较大。
综合上述我们选用IIR滤波器，对常用一些IIR滤波器性能做比较。
利用Butterworth滤波器、Chebysheve I型滤波器、Che-bysheveⅡ型滤波器、椭圆滤波器都可以进行低通、高通、带通、带阻滤波器的设计，但是各有特点。
其中Butterworth滤波器通带内的幅频响应曲线能得到最大限度的平滑，但牺牲了截止频率的坡度；Chebysheve I型滤波器通带内等波纹，阻带内单调；ChebysheveⅡ型滤波器通带内单调，然而阻带内等波纹；椭圆滤波器阻带和通带内都是等波纹的，但下降的坡度更大，而且可以以更低的阶数实现和其他两类滤波器一样的性能指标。
设计滤波器时要根据实际情况综合考虑截止特性和相位失真的要求等要求。截止特性好的，相位失真就严重，两者不可兼得。
Matlab信号工具箱提供直接设计IIR数字滤波器的函数，直接调用这些函数就可以很方便地设计满足我们要求的滤波器。数字滤波器的函数如下：
Butterworth数字滤波器设计：
调用格式：
[N,Wn] =buttord(Wp, Ws, Rp, Rs);
[b,a]=butter(N,Wn,’ftype’);
[n,Wn]=buttord(Wp,Ws,Rp,Rs)，在给定滤波器性能的情况下（通带截止频率Wp、阻带截止频率Ws、通带内最大衰减Rp和阻带内最小衰减Rs），计算ButterWorth滤波器的阶数N和截止频率Wn。
[b,a]=butter(n,Wn,’ftype’)，根据阶数N和截止频率Wn计算ButterWorth滤波器分子分母系数（b为分子系数的矢量形式，a为分母系数的矢量形式）,ftype为设计滤波器的类型，ftype=high时，为高通滤波器；ftype=bandpass时，为带通滤波器；ftype=stop时，为带阻滤波器，类型不写时默认为低通滤波器。
ChebyshevⅠ型数字滤波器设计：
调用格式：
[N,Wn]=cheb1ord(Wp,Ws,Rp,Rs)；
[b,a] = cheby1(N,Rp,Wn,'ftype') ；
Chebyshev Ⅱ数字滤波器设计：
调用格式：
[n,Wn]=cheb2ord(Wp,Ws,Rp,Rs)；
[b,a] = cheby2(N,Rp,Wn,'ftype') ；
ChebyshevⅠ和Chebyshev Ⅱ的功能具体使用时可查看MATLAB中的帮助文件。 零相位数字滤波
格式：y = filtfilt(b,a,x)
说明：y = filtfilt(b,a,x)对输入信号x做前向和反向处理，实现零相位数字滤波。b、
a分别为滤波器传递函数的分子和分母系数向量（按降幂排列）。
综合为此我们设计零相位巴特沃斯带通滤波器滤除基线漂移和呼吸等引起的干扰，设计零相位切比雪夫II型滤波器滤除工频干扰。
巴特沃斯带通滤波器设计：
wp=[0.9,50]/(fs/2);
ws=[0.1,200]/(fs/2);
[N,wc]=buttord(wp,ws,rp,rs);
[num,den]=butter(N,wc);
[H,W]=freqz(num,den);
plot(fs*W/(2*pi),abs(H));
title('butterworth带通滤波器
幅频响应');
xlabel('频率');
ylabel('幅度');
切比雪夫II型滤波器
wp1=[48,52]/(fs/2);
ws1=[49,51]/(fs/2);
[N1,wc1]=cheb2ord(wp1,ws1,rp1,rs1);
[num1,den1]=cheby2(N1,rp1,wc1,'stop');
[H1,W1]=freqz(num1,den1);
plot(fs*W1/(2*pi),abs(H1));
xlabel('频率');
ylabel('幅度');
title('切比雪夫II型滤波器幅频响应');
去除干扰噪声后的脉搏信号:
2.4 脉搏信号时域特征提取
脉搏信号的特征提取是脉搏信号分析中的关键，能不能准确的提取出来脉搏信号的特征关系到能不能准确的分析脉搏信号，其时域中提取的主要特征有脉搏的峰值、周期等。而在这其中最重要的是峰值的提取，准确的提取出来峰值，可为进一步分析其周期，脉率等其他参数打下基础。提取信号的峰值基本思想是基于阈值的方法，设一个阈值，当信号满足阈值且在其前后最大时为峰值，可认为此点为峰值点，但是由于脉搏信号不完全都是标准的，由此可以定位脉搏信号中的主波峰值。
2.5 脉搏信号频域特征提取
2.6 特征分析与讨论
包含各类专业文献、应用写作文书、外语学习资料、专业论文、行业资料、中学教育、73脉搏信号分析综合训练实例等内容。　
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