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(多图) 基于多普勒原理的血流速度计设计

电子设计工程 电子科技大学 郑佃好?? 2012年02月20日 ?? 收藏0

2.1 血流速度计探头的整体设计

测量血流速度的关键是多普勒频移信号的提取,多普勒频移信号是血流速度的真实反映,血流速度计探头的主要作用是获得频移信号,为血流速度的检测提供最原始的数据。多普勒信号提取的硬件模块如图3所示,图4是具体电路。下面将详细的论述提取多普勒频移信号的方法。

振荡电路产生一个8.2 MHz高频的方波信号,把它进行功率放大后就可接超声波发射环节,发射出8.2 MHz的周期信号。同时这个振荡信号也是频移信号的解调所需要的。

超声信号的发射器中,发射器是一个压电晶体,即超声波传感器,振荡信号激励发射晶片发射超声波,超声信号发射系统发射出8.2 MHz的超声波,发射的频率是振荡电路的频率所决定的,但是只有它和晶体的固有频移相一致时发射出的超声波才是最强的。

多普勒信号提取的硬件模块

多普勒信号提取的具体电路

在超声信号传感器中,接收晶片是与发射晶片分开的。当发射超声波遇到红细胞时就产生有多普勒频移信号的回声信号。对于接收到的信号需要选频,以去掉不需要的信号,并且激励需要的信号。

在经过选频、放大环节之后,就进入了解调部分。解调部分就是利用混频器的原理,进行混频,得到需要的低频差分信号和不需要的高频信号。

对于带通滤波环节,其目的就是采用滤波器输出含有多普勒频移频率的信号,滤波器的作用是提取纯多普勒频移信号,把高频的发射信号滤掉,此时的信号中含有2倍的声波主频信号。由于多普勒信号一般在4 500 Hz以下,且由于血管壁的影响,信号中含有200Hz以下的血管壁回波信号,要得到多普勒频移信号需经带通滤波器。即得到了(4)式中的△f。

联系调频广播,可以人为地认为血流速度计探头就是一个特殊的调频系统,可以认为超声波发射出的高频信号相当于一个载波信号,人体血流的频率信号相当于是FM的调制信号,而人体就相当于一个调频电路的调制器,反射之后的信号就是以及经过调制的信号,提取频移信号就是对调频信号进行解调。

2.2 多普勒频移信号的放大、整形

经过以上处理的多普勒信号仍然是不规则的波动信号,本设计需要对频率信号进行计数,就是把信号送入单片机的外部中断口。单片机采用AT89s51,对于单片机而言,用来触发外部中断的信号必须是高低电平信号,只有这样的信号才能对其进行频率检测,而上面的设计得到的多普勒信号是连续的模拟信号,没有严格的电平跃变,很难进行采样计数,如果直接把这些模拟信号输入单片机,会使单片机产生混乱。这正是需要对多普勒频移信号进行整形的原因。只有经过整形,多普勒频移信号才能变为高低电平,从而正确的触发单片机进行频率测定。

在实验中发现简单的零电压比较器存在很多的问题,抗干扰能力差。为了克服简单比较器存在的问题,对电路做了一些改变,加入了门限电平从而提高比较器的抗干扰能力。

2.3 单片机信号处理、通信电路

单片机可以对整形过的多普勒频移信号进行计数,进而得到频移信号;另外利用单片机的作为下位机,计算机作为上位机,进行数据传输与通信,促进了系统的灵活性;脉搏测量模块、血压测量模块可以通过单片机,得到很好的扩展,提高了系统的可扩展性。单片机采用AT89S52,单片机信号处理电路、通信电路,及相关模块的电路,如图5所示。

单片机信号处理、通信电路

其中,P3.2是外部中断信号,用来接收多普勒信号并进行频率计数;XTAL1和XTAL2连接晶振;单片机复位方式采用的是上电自动复位;P3.0和P3.1用来和MAX232芯片连接使用其第二功能用作串口通讯。在单片机跟主机进行串行通信的电路连接之中,因为计算机串口是12VTTL电平,单片机是5 V的CMOS电平,如两者需通信就必须使用诸如MAX232之类的电平转换芯片,不能直接把串口接到单片机上。

3 软件设计

本章主要论述单片机与PC机硬件连接和软件设计,软件又分为两个部分:单片机软件部分和上位机软件部分。

在血流速度的检测中单片机有两个功能:一充当频率计,测量多普勒频移信号的频率,二与上位机进行通信,即进行串行通信。经过以上处理,多普勒频移信号已经变化为仅仅有高低电平两个值的数字信号,单片机需要对其进行计数,计数的原理是多普勒频移信号接单片机的外部中断,每当出现一个高低电平变化时,单片机会加1,不断进行累加,同时单片机进行计时,当计到一定时间时得出这时的有多少个外部中断,外部中断的个数和时间的比值就是频率,之后把这个频率送到计算机,单片机一直对这个过程进行不断的循环。

在上位机软件部分,主要工作是对下位机送来的生理信号(脉搏信号,多普勒血流信号等)进行处理和显示,并将相应的结果存入数据库以备查询,同时还设计打印的功能。整个系统中,数据的显示、处理、保存、打印,以及各种参数的计算和设置都是由软件控制和实现的。

4 结束语

血流速度是反映人体健康的重要参数,本文完成了基于多普勒原理的血流速度计系统的设计,对人体的血流信号进行了检测。系统具有良好的扩展性,可以很好的扩展其他检测模块,组合为一个检查人体生理信号的综合性的一个大系统。


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血流速度? 多普勒? 超声波?

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