基于uPSD3234的反射式红外心率检测仪的设计方案

因此，滤波器输出也由输出信号和输出噪声两部分组成，即：

　　式（2）中，输出信号的频谱函数为S0（ω），其对应的时域信号为：

　　滤波器输出噪声的平均功率为：

　　所以，在抽样时刻t0，线性滤波器输出信号的瞬时功率与噪声平均功率之比为：

　　从式（3）可见，在输入信号给定的情况下，输出信号比r0只与滤波器传输函数H（ω）有关。根据施瓦兹不等式：

　　根据帕塞瓦尔定理有：

　　式（5）中，E为输入信号的能量，故得关系式：

　　根据施瓦特不等式中等号成立的条件X（ω）=kY*（ω），k为任意常数，可得不等式中等号成立的条件为：

　　式（7）中，K为常数，通常可选择为k=1.

　　S*（ω）是输入信号频谱S（ω）的复共轭。该滤波器在给定时刻t0能获得最大输出信噪比2E/n0.

　　这种滤波器的传输函数H（ω）除相乘因子Ke-jωt0外，与信号频谱的复共轭相一致，所以称该滤波器为匹配滤波器。

　　易得到匹配滤波器的脉冲响应为：

　　红外线接收探头获取的动脉搏动光脉冲信号的数字匹配滤波的过程是通过输入信号序列s（n）与匹配滤波器的冲击响应序列h（n）求卷积的方法来实现的。 由于匹配滤波器只匹配相应的输入信号，一旦输入信号发生变化，原来的匹配滤波就不再称为匹配滤波器了，而脉搏波十分复杂，即使同一人的脉搏也不是每一周期都相同，所以需要针对脉搏信号的特征设计匹配滤波器。根据脉搏波的形成机理和脉搏的特征点，设计了四种脉搏波微分波形作为匹配滤波器的模板，如图3所示。模板长度为100，恰好是微分波形主脉冲峰的宽度。

　　图3 匹配滤波器模板

　　工作时，通过比较四个模板的输出结果来确定使用哪一个滤波器的输出值。

　　本设计利用uPSD3234内置的ADC对经预处理后的脉搏信号进行采样，采样频率为500Hz.

　　下面将简单介绍整个数据处理过程：

　　1）经ADC通道0和通道1采样得到信号波形图如4图所示。

　　图4 采用波形

　　2）对采样的交流信号数据进行低通滤波。由于设计仅实现心率检测的功能，故此低通滤波截止频率设计为8.5Hz，部分波形如图5所示。

　　图5 低通滤波输出

　　3）利用脉搏波形态上具有陡峭上升沿的特点，通过微分运算将其突出出来，部分波形如图6所示。

　　图6 数字微分波形

　　4）检测上面微分波形图的负脉冲信号需要用到匹配滤波器。另外，由于匹配滤波输出值会因为心率检测仪的使用对象、放置位置等因素的影响而产生很大的变化，所以在设计中还需要其能够自动调节阈值。信号大于阈值，则认为是检测到了一个心跳信号。匹配滤波及检测输出的效果如图7所示。

　　图7 匹配滤波输出、阈值线及心跳检测信号

　　以上信号处理得到的心跳检测信号即是反映人体瞬时心跳的信号，据此可用一种中值算法精确地计算出测量对象的心率。此中值算法为：如果心跳检测信号的两个脉冲间隔在人心跳的正常间隔内，则记录间隔时间，否则跳过。在记录足够的心跳间隔后即可算出这些间隔的中值。根据中值可以规定这些间隔的上下边界。处在上下边界之间的值视为有效间隔值。当有效间隔值的数目超过设定的数量时，就可以算出平均间隔值。由于采样频率为500Hz，所以每个间隔为2us.由此得出比较精确的心率。

　　3 软件设计

　　系统软件设计流程如图8所示。主要有显示驱动程序、按键处理程序、信号处理程序、心率检测程序、USB通信服务程序等。

　　图8软件流程图4结语

　　本方案所设计的反射式红外心率检测仪主要单片机uPSD3234作为系统的核心部件，采用匹配滤波等数字信号处理方法得到心率数据，将微电子技术与生物医学工程技术紧密地结合在一起，达到了方案设计的要求。并且，本方案已成功应用于健身产品跑步机中，具有一定的创新性和实际应用价值，并且有良好的市场推广价值。