基于ADS125H02的自适应宽动态范围的脉搏信号采集系统设计

【作 者】吴柔，叶继伦,，张旭,，刘杰，袁懋结，文斌

1 深圳大学 生物医学工程学院，深圳市，518060

2 深圳市生物医学工程重点实验室，深圳市，518060

3 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

0 引言

心脏和动脉血管系统在人体八大系统之一循环系统中为重要的功能组成[1]。脉搏信号一定程度上展现了心脏器官和血液循环系统的生理状态，提取并分析脉搏信号对于临床医生来说很重要。在为患者制定治疗方案时，准确掌握各项生理功能是保证治疗效果的基础。同时，传统中医学利用脉诊推断患者病理信息，具有重要的价值。脉搏信号波形变化与一个心动周期内动脉血压脉动变化直接相关，与血管阻力、血管壁弹性等血流参数的变化间接相关并且受外部环境、心理状态的直接影响。

鉴于心脏血管系统的复杂性，脉搏信号包含的信息十分丰富。需要采集系统尽可能不漏掉有用的诊断信息。传统自适应脉搏信号采集系统由于集成电路技术发展限制，采集精度低，并通过复杂滤波放大电路设计，以满足信号要求，但这样会导致硬件电路体积庞大且整体功耗高，不利于产品化。通过在数字信号处理方面实现陷波来简化电路，为实现脉搏信号采集系统的低功耗、宽动态范围、自适应，采用TI公司高精度采集芯片ADS125H02作为核心芯片设计出自适应脉搏信号采集系统硬件电路。

1 自适应脉搏信号采集系统总体结构

本硬件采集系统设计由STM32最小系统、电源模块、放大滤波模拟电路、光电驱动和ADS125H02数字采集放大模块组成，系统架构如图1所示[2]。微弱的脉搏信号经过探头光电转换获得，一级放大之后经减法电路减去脉搏信号中的直流信号，低频脉动信号经过一阶低通滤波器滤除高频干扰信号，ADS125H02芯片采集脉搏信号经PGA放大后通过SPI协议发送到STM32单片机，后续单片机由串口传输至上位机显示波形。该脉搏信号系统在噪声方面、信号动态范围进行改善，满足在弱灌注情况下采集组织脉搏信号。

图1 自适应宽动态范围脉搏信号采集系统原理框图Fig.1 Functional block diagram of adaptive wide dynamic range blood oxygen collection system

2 硬件系统设计

2.1 隔离模块

2.1.1 电源隔离

在设计电源时，为了避免电源的原边和副边噪声相互串扰，隔离是保证电源信号稳定性和安全性的重要方法。本设计选用获准用于医疗应用的村田（Murata）公司MEJ2系列DC/DC转换器，环形磁体完全包封非常适合应用在对安全性和小型化要求较高的系统。

2.1.2 光耦隔离

在以单片机为核心控件构成的测量控制系统中，外部设备产生的电源波动和干扰信号等因素都会对MCU的正常运行直接产生影响[3]。在MCU与外部信号之间进行电气隔离，可以提高系统的可靠性和稳定性。由于光耦隔离体积小、价格低、使用灵活等特点，在信号隔离传输方面应用广泛。本设计选用亿光（Everlight Electronics）公司H11LX系列，由于输出检测器包含一个具有滞后性施密特触发器，从而实现脉冲整形和抗干扰。

2.2 光电驱动

本系统设计选用H桥驱动电路驱动探头，实现红光和红外光二极管交替发光。采用近似方波控制的方式，通过单片机相应的GPIO口以一定频率的脉冲驱动电路。由于较低的开关频率对器件损耗较小，因此使用寿命长，节约成本。

为实现探头自适应，即通过STM32 DA管脚输出电压控制H桥驱动电路电流，进而控制脉搏信号探头根据不同肤色输出不同光强，使信号经一级放大后保持在800 mV～1 000 mV左右。

图2 探头驱动电路Fig.2 Probe drive circuit

2.3 预处理电路设计

由于脉搏信号十分微弱，在弱灌注的情况下不易被提取，为了提高电路的信噪比，在ADS125H02采集芯片的前端增加前级放大电路、消除直流偏置电路和抗混叠滤波器[4-5]。由于OPA381的高精度和低噪声特性，前级放大选择电流运放OPA381和电阻电容构成带增益的低通滤波电路。经过一级放大之后的脉搏信号包含非脉动、静脉直流信号和脉动交流信号。因此采用硬件减法电路消除直流信号。在硬件减法电路输入端前加一个单极、低通滤波器，除滤掉高频干扰外，进一步削减信号中的直流分量，仅保留包含脉搏波脉动信号的频率分量。

图3 脉搏信号预处理电路Fig.3 Pulse signal preprocessing circuit

2.4 模/数转换模块

ADS125H02采用差分输入的方式，其共模抑制比（CMRR）高达105 dB，直流输入阻抗1 GΩ。为了保护前级输入端加上钳位二极管，将输入电压限制在HV_AVSS– 0.3（最小值）HV_AVDD+0.3（最大值）之间。ADS125H02只能工作在SPI通信模式下，单片机内核通过串口读/写寄存器。CS端信号选择是否开始转换，DRDY引脚高低电平表示数据转换完成与否，从DRDY/DOUT引脚读取最新转换数据。在PCB布线时，按照数据手册指示最优布局，进一步减小板卡面积。

ADS125H02通过HV_AVDD和HV_AVSS两个引脚外接电压控制输入电压，最大范围可调至±20 V。本设计采用TPS7A39作为AD芯片的输入电压电源轨，它有两个通道，通过调整电阻匹配可以独立输出对称或不对称电压，同时正负输出在启动期间按比例进行相互跟踪。TPS7A39还具有较高的PSRR，消除会影响信号完整性的电源开关噪声。

图4 ADS125H02输入电压模块Fig.4 ADS125H02 input voltage module

ADS125H02单片可实现增益0.125 至 128，芯片前端输入信号满幅值Vmax为20 V，A/D的转换位数N为24，此时采集系统的最小分辨率数值LSB[7]为：

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

下位机软件依托于KEIL主要实现初始化STM32单片机DA、AD、SPI等应用引脚以及系统控制硬件电路数字芯片的引脚，比如ADS125H02片选引脚功能。系统上电后，先进行各模块功能初始化以及系统自检，判断探头是否连接完好，接着启动定时器中断采集数据做滤波平均预处理后发送至上位机。

3.2 上位机软件设计

上位机软件功能主要有数字陷波器消除50 Hz工频干扰，去基线漂移并实时显示脉搏信号波形。采用双通道分别显示红光和红外脉搏信号，直观显示脉搏波形信号的所有信息。两个STM32AD通道分别是一级放大后的信号幅值和探头脱落检测识别。脉率计算采用队列方式灵活存储一段数据，选择汉明窗进行平滑滤波且窗口长度可调，通过差分求点然后计算脉率。实现基于C++桌面开发，使用MFC生成桌面应用程序。PC端显示界面如图5所示。

图5 上位机界面Fig.5 Host computer interface

4 系统测试

经测试，系统电源噪声为27.5 mV，接上探头空载时电路噪声为35 mV。为了验证本系统的性能，将其与迈瑞PM-50血氧饱和度监测仪、惟拓力XH60A生命体征监护仪进行对比测试，测试结果如表1所示，结果显示满足实用需求。

表1 脉搏血氧仪产品对比测试Tab.1 Comparison test of pulse oximeter products

为了验证上位机脉率计算算法的准确性，通过FLUKE Index血氧模拟器，设置模拟PI为3%，记录脉率从30到250变化，测试结果如表2所示，可以看出结果良好。

表2 脉率测试结果Tab.2 Pulse rate test results

5 结束语

由于脉搏信号测量需要满足在微弱且较强背景噪声下应用，因此本研究基于ADS125H02设计了宽动态范围脉搏信号采集系统，并实现专用光电探头自适应发光控制，同时考虑到系统安全和数据完整性，在微处理器控制电路与上位机及外部供电之间进行电源隔离和光耦隔离，从目前的测试结果来看，本采集系统采集精度和范围以及抗干扰和电气安全都能够满足预期的要求。

本研究的最终目的是实现脉搏信号采集的系统设计，在完成电路设计并对信号做基础的处理后，下一步将进行算法处理比如脉搏信号饱和度值计算，联合上位机通过后级信号反馈调节前级一级放大，从而实现更好的自适应控制，最终实现全范围的脉搏信号测量及应用。