脉搏波动频率测量系统总体方案设计
2.1  系统硬件电路方案
本设计中，脉搏波动频率测量的实现是通过脉搏传感器采集脉搏信息输出电压信号，经信号放大电路对其进行放大。然后，将放大后的脉搏信号通过电压基准变化电路和过零比较器转换为单片机易于处理的脉冲信号。通过对单片机进行编程来实现对脉搏波动频率的测量和计算，最终在显示电路中直观的显示出来。硬件原理框图如图2-1:

图2-1 脉搏测量系统硬件原理框图
由图2-1可知，本系统硬件部分主要由以下部分构成：脉搏传感器部分、信号放大电路部分、电压基准变化电路部分、过零比较器部分、单片机处理电路部分及显示电路部分。其中各部分实现功能如下：
1、脉搏传感器部分。选用合适的脉搏传感器，将脉搏信号转换成电信号输出。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
2、信号放大电路部分。脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
3、电压基准变化电路部分。放大后脉搏信号在一个周期内，有多个零值，不便于对脉搏波动频率进行测量。通过电压基准变化，将脉搏基准下调，使其在一个周期内，只有两个零值，便于后续电路的处理。
4、过零比较器部分。单片机是数字信号处理工具，输入单片机的信号必须是离散的数字信号或者是脉冲信号。过零比较器就用于把周期性脉搏信号变为脉冲信号，便于单片机处理。
5、单片机处理电路部分。本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率，以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
6、显示电路部分。单片机处理得到的脉搏波动频率信息，最后在显示电路中直观地显示出来。所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
考虑到每个模块都可以有多种实现方案，下面通过比较各种方案，来选择最优化的实现方案。
2.1.1  脉搏传感器的选择
传感器又称为换能器、变换器等。脉搏传感器是脉搏检测系统中重要的组成部分，其基本功能是将切脉压力和桡动脉搏动压力这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电量。脉搏传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了脉搏测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
目前，脉搏信号的测量方式主要有：
1、光电脉搏波传感器。血管不受压力时，血流均匀，反射光也比较均匀，故传感器无脉搏信号输出；当血管受压血液不流动时，传感器也无输出信号；只有当血管受到挤压，血管中的血液断续流动时，反射光也随之变化，这时传感器输出脉搏信号，达到了测量脉搏的作用。这种传感器的特点是结构简单、可靠性高、抗干扰能力强，主要用于测量脉搏的跳动次数。人体不同部位的脉搏波波形存在差异，光电脉搏波传感器不适合用于提取不同部位的脉搏波信号。
 2、力传感器测量。其测量原理是，将测力传感器的受力端压在人体桡动脉处，模仿人的指头。这种方式通常采用压阻式传感器，它具有抗干扰能力强的特点，但由于动脉血管产生的力很小，故量程小，抗冲击力不强。
3、脉搏信号还表现为皮肤振动，因此可以用加速度传感器进行检测，其特点是结构简单、体积小、波形测量精度较高。
本设计中，采用第三种脉搏传感器，即基于由脉搏跳动引起皮肤振动而研制的脉搏传感器。其型号选择了生物医学工程实验室的MP100型压电式脉搏传感器。它是上海洪联公司生产的，该产品具有使用方便、性能稳定、体积小巧、性价比高等特点。其主要技术指标：
1) 频率响应≥1500HZ
2) 无源
3) 输出电缆二芯
4) 外型尺寸Ø16.5*6
2.1.2  信号放大电路的选择
脉搏传感器出来的电压信号较弱，一般在毫伏级，需要对其进行放大。所以，设计信号放大电路，将脉搏传感器出来的信号进行放大，使之成为一个幅值适当的信号，便于后续电路的处理。
MP100型压电式脉搏传感器输出电压大约为-10mv～40mv，在后续电路中需要将其通过过零比较器，转换为脉冲信号，只要将其放大100倍，就可以满足后续电路处理的要求。同时，要求放大电路有较高的输入阻抗。
同相比例放大电路简单、实用、焊接方便，相对反相比例放大电路而言，具有更高的输入阻抗，而且价格便宜，所以，本设计选择了同相比例放大电路。
可以组成同相比例放大电路的运算放大器件有很多，比如LM324，OP07等。
1、LM324。
LM324是四运放集成电路，价格很便宜，但经实验测试，LM324放大的效果却不是很理想，所以，最终没有选LM324。
2、OP07。
OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移，特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。而且，OP07的价格便宜。
所以，从性能价格方面综合考虑，最后本设计选择了OP07。
2.1.3  单片机的选择
本设计作为一个简单脉搏测量仪，最后需给出脉搏波动频率。以单片机作为信息处理中心，通过对单片机进行编程，完成信号输入检测、信息分析处理及信息显示。
1、AVR单片机
AVR单片机是ATMEL公司生产的单片机。高速度(50ns)、低功耗,硬件应用Harward结构，具有预取指令功能，使得指令可以在一个时钟周期内执行，而MSC-51要12个时钟周期执行一条指令。AVR单片机如LPC2131等。
2、凌阳单片机
凌阳是台湾凌阳公司推出的单片机，具有高速度、低价、可靠、实用、体积小、功耗低和简单易学等特点，如SPCE061等。
3、51单片机
51单片机是INTEL公司生产的。它具有结构简单，价格便宜，易于开发的特点。通用型，有总线扩展，有较强的位处理功能，有全双工异步串行通信口。但是其功能相对较少，访问外部数据有瓶颈，作电压范围窄。
本设计中，单片机只需要对脉搏信号的波动频率进行测量、计算和显示，对单片机的要求不是很高。而对51单片机，本人比较熟悉，所以，本设计中选择51单片机作为信息处理中心。
在51系列单片机中，AT89系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种新型高性能低价位、低电压低功耗的8位CMOS微型计算机。AT89S51就是其中一款，它可以完全满足本设计的设计要求，而且，AT89S51的价格较低。
2.2  系统软件方案选择
2.2.1  脉搏波动频率测量方案的选择
通过放大电路、电压基准变化电路及过零比较器出来的信号为脉冲信号。脉冲信号的频率是指在单位时间内由信号所产生的交变次数或脉冲个数，即 。可以看出测量fx必须将N或t两个量之一作为闸门或基准，对另一个量进行测量。对于不同的频率范围，有三种不同的测量方法。
1、周期测量法：适用于低频信号。采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时基进行计数得nx，因此被测信号周期为 ，每分钟脉搏跳动次数为 。
2、多周期同步法：适用于中频信号。其特点是标准频率信号不是用来填充待测信号的周期，而是与待测信号分别输入到两个计数器进行同步计数。
3、频率测量法：适用于高频信号。充分利用单片机内的两个定时/计数器，一个作为定时器，给出标准闸门信号，另一个作为计数器。
人体脉搏波动频率一般为60～80次/min，其频率成分主要分布在0～20Hz之间，属于次声，最高频率不超过40Hz，一般情况下为1Hz左右，属于低频信号。所以，本设计中选择周期测量法。
2.2.2  单片机工作方式的选择
单片机数据传送方式一般有以下几种：
1、查询方式：由于CPU与外设之间存在时序、速度等差异，在数据传送前必须检测接口状态，探查外设是否数据准备就绪。查询方式优点是结构简单，硬件开销小；缺点是CPU在整个传送过程中需要不断检测外设状态，由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。
2、中断方式：CPU无需检测外设是否数据准备就绪，不占据CPU时间，因此CPU与外设并行工作，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。
本设计中，只对过零比较后的脉冲信号进行频率计算，CPU工作不是很繁忙，可以选择查询方式。
2.2.3  显示电路方案的选择
脉搏信号经过单片机处理，得到脉搏波动频率之后，需要在显示电路中直观地显示出来。所以，需要选用合适的显示设备及显示电路，来实现对脉搏波动频率信息的显示。
人体脉搏信号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率一般为60～80次/min。本设计中，设定显示的每分钟脉搏跳动次数误差不超过1次，显示位数为2位。
可以选择7段LED数码显示器来对脉搏波动频率信息进行显示。它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长、使用方便等特点，使用非常广泛。它由若干个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种数字或字符。
LED常用显示方法有两种：静态显示和动态扫描显示。
1、静态显示：所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O接口用于笔划段字形显示。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小，较小的电流能得到较高的亮度且字符不闪烁。静态显示适用于显示器位数较少时。
2、动态扫描显示：所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器各个位（扫描），对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。利用人的视觉暂留功能可以看到整个显示，但必需保证扫描速度足够快，字符才不闪烁。当显示位数较多时，用静态显示所需的I/O太多，一般采用动态显示的方法。
本设计中，显示的脉搏波动频率位数取2位，显示位数少，所以，选择静态显示。
2.3  本章小结
本章主要介绍了脉搏波动频率测量系统硬件原理框图及软件实现方案，并通过比较硬件电路组成部分和软件部分各种实现方案，最终确立了最佳方案。