一款基于EFM32的便攜式心率計設計

　　在消費電子領域，便攜式電子產品由于體積小、質量輕的特點越來越受到消費者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分。基于這個思路，我們設計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進行測量的傳統方法，使用非常方便。該產品主要包括三個部分：信號的采集、數據處理以及LED 顯示和報警電路。

　　系統總體設計

　　圖1 系統結構框圖

　　如圖1 所示，從傳感器檢測到的脈搏信號轉化為電壓信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級和后級隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號經前置放大后送入高通濾波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經過低通濾波器濾除環境中的高頻干擾。處理完的信號送入后級繼續放大以便得到干擾小且清晰的信號，此信號經比較器和二極管整流后直接送入單片機處理，以驅動顯示電路和報警電路。

　　系統硬件電路原理圖

　　圖2 為電路原理圖，下面對各模塊進行逐一描述。

　　圖2 系統硬件電路原理圖

　　1 電壓跟隨和前置放大電路

　　電壓跟隨器的輸入信號，即脈搏傳感器信號從V+端輸入，反饋電阻置零，構成一個同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV 級的心音信號放大到V 級，以供顯示和記錄使用。

　　根據心音脈搏信號的特性，要求放大器具有以下特性：

　　1、足夠高的增益，約800 倍。

　　2、有合適的頻帶寬度(0.78～ 3.33Hz)

　　3、因為心音脈搏信號比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號的損失，有高共模抑制比(大于80dB)來抑制干擾和噪聲。

　　由于在實際應用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩定性，一級放大器不能實現如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成。其中，前級采用負反饋差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統中，采用基于雙運放電路的微功耗儀表放大器 LM358 作為心音脈搏信號的前級放大器。為防止產生非線性失真以致損害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數不宜過高，選擇為1000 倍左右。

　　電壓跟隨和前置放大電路

　　2 高低通濾波器電路

　　在本設計中，信號頻率較低，在 0.78～3.33Hz 之間，因此濾波器的設計成為本電路的關鍵。首先，要經過一個0.5Hz 的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經過一個低通濾波器以濾除心音信號的絕大多數干擾。在實現電路中，普通的濾波器已經很難對這么低的信號進行濾波，因此在本設計中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz 的巴特沃斯濾波器。圖3 為低通濾波的原理圖。

　　圖3：低通濾波原理圖

　　圖3：低通濾波原理圖

　　3 后級放大和比較整流電路設計

　　心音信號經過前級放大后，幅度還未達到理想的應用值，且還有一定的干擾，因此需要后級放大器繼續放大，以達到使用要求。整個電路采用一般的反向放大器模塊電路。比較整流電路的作用是將處理后的信號轉化為不含負脈沖的方波，以送入單片機進行處理。該電路由一個過零比較器和整流電路構成，由于送入單片機的信號要求為正電壓，所以經過整流電路后，信號將全部轉化為正跳沿的方波。