基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·96·2023年第20期文章编号：2095-6835（2023）20-0096-03基于LabVIEW的示波器波形采集系统的设计＊俞丙威，王宇霄，王飞，夏利勇（浙江广厦建设职业技术大学智能制造学院，浙江金华322100）摘要：示波器是一种功能强大的电子测量仪器，是电类专业的高校师生必须要接触和掌握的工具之一。

在高校实验室教学过程中，示波器常用于观测电信号的波形并读取相应的参数。

学生需要将示波器波形通过手绘的形式添加到实验报告中，并最终以纸质报告的形式上交教师并存档，这十分不利于资料的保存和管理。

利用LabVIEW友好的人机交互性和强大的通信能力，开发了一款基于LabVIEW的示波器波形采集系统。

它可通过LAN接口，将示波器波形自动采集到LabVIEW端，并可一键导出实验报告，实现了实验报告的无纸化管理。

关键词：示波器；LabVIEW；LAN接口；无纸化管理中图分类号：TP311文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.028示波器能够把随时间变化的电信号绘制到屏幕上，以图形化的形式显示，将人类肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像。

它属于通用基础类测试仪器，可广泛应用于电子系统的科研、生产与维修保障等多种测试场合[1]。

在高校教学过程中，示波器与电类专业实验实训紧密相关。

现有的高校实验实训设备基本仅将示波器作为一个辅助用测试仪器，并未将其融入到实验系统中，是一个独立的“个体”。

但在对实验实训的结果考查中，又需要借助于示波器观测的波形和参数，现一般都通过照片或者手绘的形式还原示波器波形和参数，其存在一定的局限性，并且不利于后续的资料管理和保存。

LabVIEW是虚拟仪器开发过程中最具代表性的图形化编程语言，它用图标、连线、框图代替传统的程序代码，能形象地观察数据的传输过程[2]。

目录1 引言 01.1 脉搏的研究背景 01.2 选题意义 02 系统设计方案 02.1 实现的要求和功能 02.2 采集主控芯片方案 02.3 脉搏传感器的选择 (1)2.4 上位机实现方案 (2)3 硬件电路设计 (2)3.1 系统总框架 (2)3.2 单片机模块 (3) (3)3.2.2 单片机最小系统模块 (4) (4) (5)3.3 脉搏信号的采集 (5)3.4 脉搏信号的处理 (6) (6)3.4.2 电压比较器 (7)3.4.3 运算放大器LM358 (8)3.5 液晶显示模块 (8)3.6 USB串口通信模块 (9)4系统软件设计 (9) (9)4.2主程序流程介绍 (10) (10)4.4 ADC 采用程序流程介绍 (11)4.5 LabVIEW上位机程序设计 (12)4. LaBVTEW串口通信配置 (13)4.5.2 LabVIEW 脉搏波形显示以及脉率计算 (14)5 系统测试与结果分析 (16) (16)6 误差分析与修正 (18)总结 (19)致谢 (19)参考文献 (21)附录 (21)附录A硬件原理图 (21)附录B PCB图 (23)附录C 硬件外观图 (24)附录D LabVIEW程序及前面板： (25)附录F 部分程序 (26)1 引言1.1 脉搏的研究背景每分钟脉搏跳动次数这一物理量在生产加工，人们日常生活的各个方面都是一个最基本也是非常重要的一个物理量，在很多应用条件下，需要对脉搏跳动这个量进行检测和监控。

近几年来，伴随现代科学技术的不断进步，对现代设备的精度的要求也越来越高，信息技术领域的前沿尖端技术包括传感器技术，通讯技术以及计算机技术。

我们可以通过脉搏跳动的情况了解到心脏的情况，以得知身体的健康状况。

然而诊断看病是个不容易的工作，诊脉的方法不容易被人掌握。

1.2 选题意义由心脏搏动而引起的脉搏,我们可以根据这个线索去找反映身体的重要标志。

针对脉搏的跳动,我们都知道在中医上有一种非常重要的诊断方式，那就是诊脉。

0引言光电检测在现代的工业自动化领域中已获得越来越多的关注，显示出广阔的应用前景。

例如，大米色选机、生物医学应用中都需要从背景噪声中将有用的微弱光电信号提取出来。

同时，越来越复杂的测试条件、高度自动化的工业化生产需要功能强大、系统灵活的新一代测试仪器，从简单功能组合向以计算机为核心的通用虚拟测试平台过渡、从硬件模块向软件形式过渡，代表着电子测试仪器的发展方向，图形化虚拟仪器集成开发环境LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）提供了一个非常好的开发平台[1]。

本文针对微弱光电信号的采集和处理问题，利用光敏二极管采集，并对转化的初始光电信号进行调理，设计由仪用放大器构成的前置放大电路。

加州理工学院曾对光通信中的微弱光信号的检测器，做过使用或不使用前置放大器，以及用不同特性的放大器进行过深入的实验研究，给出了各种比较数据，证明在对微弱光信号检测系统中使用性能优良的前置放大器对于提升系统性能是非常重要的[2]。

本文提出将信号放大滤波后送入C8051F040单片机中，采用虚拟仪器技术，利用LabVIEW作为该光电检测系统信息处理的平台，可以实时显示采集信号的直观信息，同时软件中丰富的数据处理包可以分析出信号的幅度、频率和频谱等信息。

1系统总体设计该系统主要由以下几个部分构成：首先，是微弱光信号采集部分，通过光电转换器件来实现把光传感信号转换为模拟电信号。

其次，采集得到模拟电信号进入前置的两级放大电路中，将比较微弱的模拟电信号进行增益放大，再经过滤波后，得到较为稳定纯净的电信号，由于系统选用的C8051F040单片机内部包含高速A/D转换部件，所以可以将模拟电信号直接送入单片机的内部，单片机是数据采集和转换电路的控基于LabVIEW的微弱光电信号采集与处理系统的设计*何玲玲，张仲，葛立峰（安徽大学电子科学与技术学院，合肥230039）摘要：微弱光电信号的采集与处理技术是工业自动化中常见的一个问题。

基于Labview的压力控制脉搏采集系统曾博才【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)011【摘要】为了提取更多的脉搏信息，设计出一种可控制压力大小的脉搏采集系统。

该系统的设计不仅实现了对脉搏压力自动的选择，它还通过压力信号反馈于控制信号，控制信号决定加压还是减压．这样就保证了压力的稳定以及采集的脉搏信号的稳定。

这克服了以往压力脉搏采集系统的压力不稳定的弊端，可以采集到稳定的脉搏信息。

该系统还可以模拟脉诊系统中的浮、中、沉3种指力，这样就可以获取不同压力下的脉搏信号．可以方便对不同状态下的脉搏信号进行提取分析。

%In order to extract more pulse information, the paper designs a controlled pressure on the size of the pulse acquisition system. The system is designed not only to achieve the automatic selection of the pulse pressure, it through the pressure signal feedback control signal, control signal determines the pressure or reduced pressure, thus ensuring the stability of the pressure and the stability of the collected pulse signals. Which overcomes the drawbacks of the past, the pressure pulse acquisition system pressure instability, can be collected to the steady pulse of information. The system can also simulate a floating pulse system, Shen three refers to the force, so that you can get the pulse of the signal under different pressures, can be easily extracted under different conditions of pulse signal analysis.【总页数】4页(P57-60)【作者】曾博才【作者单位】四川大学,四川成都610064【正文语种】中文【中图分类】TP399【相关文献】1.基于labVIEW的喷墨压力采集系统设计 [J], 张淼;程光耀;刘忠俊;石庆杰2.基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统 [J], 章伟;高博;龚敏3.基于Labview的AM幅度调制脉搏波采集分析系统 [J], 余婷;何强;胡建敢;梁琛颖;余成波4.基于LabVIEW的心音和脉搏信号融合采集系统的设计 [J], 陈培敏;田杨萌;王宏伟;王彩霞;郝少华5.基于LabVIEW的继电器簧片压力采集系统 [J], 刘超; 刘蜜; 丁成波因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法林凌;李娜;李刚【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2010(030)002【摘要】在众多近红外光谱检测方法中,动态光谱法以能消除检测中个体差异和测量条件的影响而备受研究者的青睐.动态光谱提取自光电容积脉搏波,是与动脉血液信息高度相关的近红外光谱,可应用于动脉血液成分的无创检测,具有很好的临床应用价值.高精度和高速度是动态光谱检测的核心问题.应用过采样和数字锁相检测技术能提高动态光谱法中光电脉搏波信号的检测精度,文章对此进行了理论推导.同时,为了克服过采样导致的大数据最和锁相放大要求的大运算量等困难,提出了基于LabVIEW的快速算法和通过外部接口调用C语言的方法应用于动态光谱光电脉搏波的提取,并在LabVIEW环境下进行实验验证.结果表明,该方法不但提高了运算速度,还大大缩小了数据的存储量.【总页数】4页(P444-447)【作者】林凌;李娜;李刚【作者单位】天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072;天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津,300072【正文语种】中文【中图分类】TG115.3【相关文献】1.基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统 [J], 章伟;高博;龚敏2.基于DTCWT和cICA的光电容积脉搏波运动干扰消除算法 [J], 文苗;王成;白丽红;张通3.基于近红外光谱与光电容积脉搏波技术的毛细血管再充盈时间测量仪的设计与开发 [J], 陈瑞;陈晔;谷源涛;谢志毅;王仲4.基于光电容积脉搏波的呼吸信号提取及其系统的研制 [J], 周晶晶;叶继伦;张旭5.基于示波法和光电容积脉搏波描记法的动脉顺应性动态检测仪 [J], 赵安;吴宝明因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于LabVIEW的脉搏信号检测与分析系统作者：吉林医药学院杨风健应用领域:自动化测量挑战：根据人体阻抗特性，通过拾取阻抗变化测量人体脉搏信号。

利用LabVIEW强大数字信号处理功能还原脉搏波形，并对波形的特征信息进行提取及存储。

采集足够的数据后，主要运用该语言的数学程序库以及数值分析计算功能进行回归分析，建立相关数学模型，揭示脉搏信号与心血管类疾病的联系。

应用方案：使用NI公司的LabVIEW 8.5作为软件开发平台，结合自行设计的脉搏信号采集装置，开发了一个具有信号分析、处理、显示以及对数据进行回归分析等功能的脉搏信号测量系统。

使用的产品：LabVIEW8.5学生版介绍在世界范围内，心血管类疾病患者与日俱增，已成为人类健康的头号杀手。

美国心脏协会报告称，每年大约有240万美国人死于心血管疾病，其中尤以高血压患者所占比率最高，现象最为普遍。

中国卫生部公布中国心血管疾病患者已超过1.5亿，心血管病是目前中国人群最主要的死因。

因此预防此类疾病的产生显得尤为重要。

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，从脉搏波中提取人体的生理和病理信息作为临床诊断和治疗的依据，受到中外医学界的重视，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率、节律等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中的许多生理病理的血流特征。

中医的诊脉理论认为脉搏波的传播与心血管系统的血液运动、血管壁运动规律有着密切的联系。

正文：脉搏信号形成机理血液在心血管组成的循环系统中按照一定的方向周而复始的流动，称为血液循环，其动力来源与心脏，心脏通过做有秩序的收缩和舒张活动，使血液源源不断地从心脏射入动脉，心脏每收缩一次，动脉内的压力就发生一次周期性的波动，这种周期性的压力变化引起动脉血管发生波动，称为脉搏。

脉搏可以沿着动脉管壁向外周血管传播，这种空间上传播的波动称为脉搏波。

阻抗法测量原理生物电阻抗测量，或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。

基于LabVIEW的脉搏信号检测与分析系统————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于LabVIEW的脉搏信号检测与分析系统作者：吉林医药学院杨风健应用领域:自动化测量挑战：根据人体阻抗特性，通过拾取阻抗变化测量人体脉搏信号。

利用LabVIEW强大数字信号处理功能还原脉搏波形，并对波形的特征信息进行提取及存储。

采集足够的数据后，主要运用该语言的数学程序库以及数值分析计算功能进行回归分析，建立相关数学模型,揭示脉搏信号与心血管类疾病的联系.应用方案：使用NI公司的LabVIEW 8.5作为软件开发平台，结合自行设计的脉搏信号采集装置,开发了一个具有信号分析、处理、显示以及对数据进行回归分析等功能的脉搏信号测量系统。

使用的产品:LabVIEW8。

5学生版介绍在世界范围内,心血管类疾病患者与日俱增，已成为人类健康的头号杀手。

美国心脏协会报告称，每年大约有240万美国人死于心血管疾病，其中尤以高血压患者所占比率最高，现象最为普遍。

中国卫生部公布中国心血管疾病患者已超过1。

5亿，心血管病是目前中国人群最主要的死因。

因此预防此类疾病的产生显得尤为重要。

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，从脉搏波中提取人体的生理和病理信息作为临床诊断和治疗的依据，受到中外医学界的重视，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率、节律等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中的许多生理病理的血流特征。

中医的诊脉理论认为脉搏波的传播与心血管系统的血液运动、血管壁运动规律有着密切的联系。

正文：脉搏信号形成机理血液在心血管组成的循环系统中按照一定的方向周而复始的流动，称为血液循环，其动力来源与心脏,心脏通过做有秩序的收缩和舒张活动,使血液源源不断地从心脏射入动脉，心脏每收缩一次，动脉内的压力就发生一次周期性的波动，这种周期性的压力变化引起动脉血管发生波动,称为脉搏。

基于LabVIEW的脉象信息采集系统
邹建;应苑松;卢平;钱波
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2011(030)006
【摘要】为了更好地对人体脉象信息进行存储、分析,便于医学研究,利用自行研制的电容式压力传感器来获取脉象信息,设计了相关的硬件电路对信号进行调理；通过USB2004数据采集卡采集脉象信息,并借助虚拟仪器技术充分利用LabVIEW开发平台的强大功能,构建出人体脉象信息采集系统.该系统能够实现对人体脉象信息的实时数据采集、数据存储、波形回放、频谱分析、脉搏频率的显示、脉搏过缓或过速的警示等功能.通过对采集到的脉象信息进行分析,能有效获得包含人体生理状况的丰富的频谱信息,为医学研究提供极具参考价值的数据.实验结果表明,系统具有良好的可靠性和稳定性.
【总页数】3页(P63-65)
【作者】邹建;应苑松;卢平;钱波
【作者单位】重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044;重庆大学光电工程学院,重庆400044
【正文语种】中文
【中图分类】TP274+.2
【相关文献】
1.基于LabVIEW及MATALB混合编程的试卷信息采集系统 [J], 杨美程;王群
2.基于Labview的中医脉象采集实验系统 [J], 潘礼庆
3.基于LabVIEW的汽车刹车盘摩擦磨损特性信息采集系统设计 [J], 王立新;翟利刚;高雅妍
4.基于LabVIEW的智能化中医脉象识别系统 [J], 杨凌;王汝旭;张文博;王光辉
5.基于LabView的焊接信息采集系统 [J], 张瑞;Pascal Paillard;;
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技术创新《微计算机信息》2011年第27卷第5期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》测控自动化基于LabVIEW 的脉搏信号检测系统Pulse Signal Detecting System Based on LabVIEW(深圳职业技术学院)韩君HAN Jun摘要:本文给出了基于LabVIEW 的脉搏信号检测系统的设计方案。

利用压电传感器和单片机采集脉搏信号,并通过串口传送至上位机。

利用虚拟仪器软件LabVIEW 编写上位机软件,实现脉搏波形显示、存储、波形回放、波形分析等功能。

系统开发周期短,功能易扩展,具有广阔的应用前景。

关键词:LabVIEW;脉搏;单片机中图分类号:TP273文献标识码:AAbstract:This paper introduces the design of a pulse signal detecting system based on ing piezoelectric sensor and MCU the system completes collecting of the pulse signals,and transmits them to PC.The PC software is programmed with LabVIEW,it can achieve functions such as pulse waveform display,storage,waveform playback and waveform analysis.The system has short de -velopment cycle,it is easy to expand,and has broad application prospects.Key words:LabVIEW;Pulse;MCU文章编号:1008-0570(2011)05-0058-021引言脉搏是常见的生理现象,是心脏和血管状态等重要信息的外在反应。

基于LabVIEW的人体脉搏波检测系统
王芳;吴效明
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2009(025)022
【摘要】本文根据人体脉搏信号特征设计了一个脉搏检测装置,能够获得不失真的人体脉搏波形并且能在PC机上显示,以便医护人员观察和研究.该脉搏波检测系统的最大特点是利用DAQ数据采集卡采集信号并用LabVIEW虚拟仪器的操作面板及相应的程序,显示出脉搏的波形和脉搏频率以及实现波形的存储、回放和异常信号报警等功能.相比与传统的仪器,虚拟仪器并不依赖于硬件,其性能很大程度上由应用软件决定,大大缩短系统的开发时间和成本,提高生产效率高达4～10倍.
【总页数】2页(P61-62)
【作者】王芳;吴效明
【作者单位】510006,广东广州,华南理工大学生物医学工程系;510006,广东广州,华南理工大学生物医学工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.人体脉搏波信号检测系统 [J], 程咏梅;夏雅琴;尚岚
2.基于Labview的AM幅度调制脉搏波采集分析系统 [J], 余婷;何强;胡建敢;梁琛颖;余成波
3.基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统 [J], 李姝颖;魏安海;张和华;尹军;
4.基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统 [J], 李姝颖;魏安海;张和华;尹军
5.人体脉搏波传播时差检测系统 [J], 李庆芬;瞿继恂;文晓阳
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应用LabVIEW进行人体脉搏分析1.1 人体脉搏研究的背景和意义脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。

早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。

但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。

中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。

随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。

另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。

因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。

本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器LabVIEW设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。

1.2国内外研究现状脉搏系统和脉搏信息的研究包括两大方面: 一是理论分析与计算(即建模方面)；二是信号检测与分析。

从发表的文献来看, 国外在前一方面做了大量的研究, 也早于国内学者; 而国内在后一方面的研究多于国外。

对脉搏信号的分析主要包括以下方面:（1）脉搏信号检测与提取用脉搏记录仪器描绘脉搏波图像已有百余年的历史。

1860年法国人研制了杠杆脉搏描记器，成为现代脉象描记的基础。

脉象仪的总体构成包括脉象信号检测，信号预处理和信号分析三个环节。

我国医务界约从50年代初就开始了用西方传来的脉搏描记技术，使脉象图形化。

近十多年来，已经研制出了许多性能各异的脉象仪，各类脉搏描记器最关键和差异较大的部分就是脉象传感器的研制。

从测量原理上讲，脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容式等多种[1]。

山西大学学报(自然科学版)33(1):92～96,2010Journal of Shanxi University(Nat.Sci.Ed.)　文章编号:025322395(2010)0120092205基于LabV IEW的无创脉搏血氧检测系统设计姚　峰,乔晓艳,董有尔(山西大学物理电子工程学院,山西太原030006)摘　要:设计了一种无创光电容积脉搏波检测系统,它借助LabV IEW图形化虚拟仪器开发平台,利用LabV IEW 产生时序信号,调制夹指传感器拾取的光电容积脉搏波.通过前置放大滤波及信号调理电路,然后采集脉搏波.经过基于LabV IEW的数字锁相技术,最终解调获得光电容积脉搏波信号.实验结果表明,该系统可以实现无创脉搏波实时检测、脉搏波形回放、储存和分析等功能.关键词:LabV IEW;数字锁相技术;血氧饱和度;光电容积脉搏波中图分类号:R319 文献标识码:A血氧饱和度是临床医学上重要的生理参数,它是衡量人肺的氧合能力及人体血液携氧能力的重要指标[1,2].目前,基于朗伯2比尔定律的近红外双波长法可实现血氧饱和度无创、连续、实时监测,具有很好的临床应用价值,成为研究的热点[3].但是该方法存在抗干扰能力弱、信噪比不高、受个体差异影响大等缺点,制约了血氧饱和度检测精度的提高.血氧饱和度是从光电容积脉搏波中提取光谱信息计算得到的,因此,光电容积脉搏波是脉搏血氧饱和度检测的关键.光电容积脉搏波是某个测量部位血液容积的光电描记,由于它容易受多种因素影响,为了提高其抗干扰能力,获得较好的光电容积脉搏波波形,本文利用虚拟仪器开发平台,设计了一种基于LabV IEW的数字锁相放大器.它采用数字乘法器和数字滤波器取代模拟器件,并在动态范围、线性失真、噪声抑制方面的性能远优越于模拟器件,尤其是零点漂移这一重要特性[4].数字锁相放大器借助虚拟仪器LabV IEW的优势,极大地提高了光电容积脉搏波检测的抗干扰能力和测量精度.此外,虚拟仪器是以软件为核心的结构体系,具有极强的灵活性.由于大多数生理信号频率较低,对采集系统没有特殊的要求,完全可以借助虚拟仪器实现一台计算机对脉搏波、呼吸波、心电图、血压、血氧等生理参数的采集、存储、处理和分析等功能.因此,设计基于虚拟仪器的脉搏血氧检测系统具有广泛的应用价值. 1　测量原理血氧饱和度(SaO2)是指人体血液中血红蛋白实际结合氧气的量与其最大结合氧气的量的百分比.血氧饱和度的定义为[2]SaO2=C HbO2C HbO2+C Hb(1)其中,C HbO2、C Hb分别为氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度.当入射光透过某种溶液时,其光吸收特性遵循Lambert2beer定律[5],可描述为II0=10-εcl(2)其对数化表示为A=lgII0=-εc;L(3)3收稿日期:2009206221;修回日期:2009209218 基金项目:山西省自然科学基金(2007011041);山西省高校科技开发项目(20081001) 作者简介:姚　峰(19862),男,江苏镇江人,硕士生,研究方向:生物医学信息检测与处理.通信联系人:E2mail:xyqiao@ 其中I 0、I 分别为入射光强度和透射光强度,c 、ε、A 分别为物质的浓度、吸光系数和吸光度,L 为光路长度.当两个不同波长的光λ1与λ2透过血液时,根据(1)式和(3)式,可得到血液对波长为λ1与λ2的吸光度方程,联立可推算出血氧饱和度计算式为[5]Sa 2O =ε2Q -η2(ε2-ε1)Q -(η1-η2)(4)其中ε1和ε2为Hb 和HbO 2在波长λ1处的吸光系数,η1和η2为Hb 和HbO 2在波长λ2处的吸光系数,通常为一常数.Q =A λ1A λ2,其中A λ1和A λ2分别为血液对λ1和λ2波长光的吸光度.由(4)式可知,脉搏血氧饱和度是按照人体组织对不同波长的红光和红外光的吸光度之比(A λ1/A λ2)推算出的,比值A λ1/A λ2与脉搏血氧饱和度的函数关系应为线性关系,但由于生物组织是一种强散射、弱吸收、各向异性的复杂光学系统,不完全符合经典的Lambert 2beer 定律,因而导致了表达红光和红外光吸光度相对变化的测量值与脉搏血氧饱和度之间关系的数学模型建立困难,只能通过定标曲线的方法来确定A λ1/A λ2与SaO 2的对应关系[6].由于光电容积脉搏波幅值可反映透射光的强度,而透射光强度与吸光度的比值A λ1/A λ2成一定函数关系.因此,可根据测得的脉搏波幅值对脉搏血氧饱和度SaO 2进行定标,最终获得可靠的脉搏血氧饱和度值.2　系统设计2.1　硬件系统设计脉搏血氧检测系统总体上由硬件和软件两大部分组成,其系统框图如图1所示.硬件部分由夹指传感器、恒流源电路、信号放大调理电路、N I6251数据采集卡组成.软件部分是以计算机为基础的虚拟仪器开发软件平台.图1　脉搏血氧检测系统框图Fig.1　System diagram of the detection of pulse oxygen2.1.1　夹指传感器根据检测原理,综合考虑设计了由OL66940TM F 发光芯片、OP30TM F 光电接收管及硅胶构成的夹指传感器.OL66940TM F 发光芯片是660nm 的红光L ED 和940nm 的红外光L ED 集成的.红光L ED (Red )和红外光L ED (IRed )是共阳极的,起到简化电路设计的作用,两个L ED 正向工作电流为20mA.O P30TM F 在零偏状态下具有良好的线性和较低的暗电流,有利于对微弱的光信号进行检测,它的光谱响应范围较宽,尤其在600nm 到1000nm 之间.硅胶的隔光透射能力比较好,把OL66940TM F 发光芯片和O P30TM F 光电接受管置于其中,能较好的降低来自外界光的干扰.2.1.2　光调制时序信号及恒流源驱动电路由于人体脉搏血氧信号是变化缓慢且强度较弱的信号,容易受到背景光和暗电流的干扰,如果不经过变换调制处理而直接进行放大,则有用的脉搏血氧信号会被淹没在噪声之中,以至于检测不到.这种情况下,利用一定频率的光信号调制脉搏血氧信号,能够有效地解决此问题.光源的两路时序信号通过LabV IEW 控制N I6251采集卡产生,分别为方波信号A 和B.它们用来驱动传感器上波长为660nm 和940nm 的发光二极管按红光,不发光,红外光,不发光的顺序轮流交替转换,调制脉搏血氧信号.方波A 的频率为2k Hz ,控制L ED 亮和灭,方波B 的频率为1k Hz ,它是芯片CD4053的A 通道模拟开关的控制信号,控制两个L ED 轮流导通.39 姚　峰等:基于LabV IEW 的无创脉搏血氧检测系统设计为保证发光二极管发出的光亮度恒定,在光源驱动电路中采用了恒流源的设计方案,如图2所示.它由运算放大器OP07,三极管和CD4053等组成,流过发光二极管的电流可由公式I =V N I R计算得到.由于发光管的正向电流和电压分别为I =20mA ,V N I =5V ,因此电阻R =250Ω.图2　恒流源驱动电路Fig.2　Constant current source drivingcircuit 图3　电流电压转换及前置放大电路Fig.3　Current 2voltage and preamplifier circuit2.1.3　电流电压转换及前置放大电路如图3所示,该电路由光电转换电路,同相反相电路及仪器放大器AD620构成.红光和红外光信号透过手指,经光电二极管转换后的电流信号极其微弱(μA 级),通过由电阻R 1=1M Ω,电容C 1=40PF 及运算放大器O P07构成的电流2电压转换电路后,电流信号转变为电压信号且被放大了.由于电流2电压转换电路处于系统的前端,直接影响到整个系统的信噪比.为此,选择高精度运算放大器OP07,它具有极低的输入失调电压和失调电压温漂,较低的输入噪声电压幅度,较高的共模抑制比等优点.此外,R 1及其并联电容C 1构成截止频率为f c =12πR 1C 1的低通滤波电路,以减小噪声带宽、提高信噪比.为了进一步抑制噪声,提高共模抑制比,通过同相和反相电路将信号送到仪器放大器AD620的同相和反相输入端,同时信号再进行约10倍放大.由于仪器放大器AD620具有高精度、低噪声、高共模抑制比、低输入偏置电流和低功耗等特性,可以提高系统的输入阻抗,有效抑制温漂并抵消随机噪声,减少共模干扰,提高信噪比.信号经过仪器放大器AD620后,就能输出比较稳定和幅度满足采集系统要求的信号.2.2　锁相放大技术根据2.1.1所述,脉搏血氧信号被调制在频率为1k Hz 的方波信号上,为了解调脉搏血氧信号,采用了数字锁相技术,从而减少检测时的噪声,提高信噪比.锁相放大是以相干检测技术为基础,利用参考信号频率与输入信号频率相关,而与噪声信号不相关,从而从较强的背景噪声中提取出有用的信号.锁相放大器主要由相关器构成,而相关器是由乘法器和积分器组成的.设输入信号为V s (t )+n (t ),其中V s (t )为待测有用信号,n (t )为噪声信号,参考信号为V r (t ),则积分器输出信号V 0(t )为V 0(t )=lim T →∞12T ∫T -T [(V s (t )+n (t ))・V r (t )]d t =lim T →∞12T [∫T -T V s (t )V r (t )d t +∫T-T V s (t )n (t )d t ]=R sr (τ)+R rn (τ)(5) 上式中R sr (τ)、R rn (τ)分别为待测信号与参考信号以及参考信号与噪声之间的相关函数.由于噪声是随机量,可认为参考信号与噪声信号相互独立,它们的相关函数R rn (τ)为零.实际上R rn (τ)不可能完全为零,但是噪声的影响已经大大降低了.而对于R sr (τ)R sr (τ)=lim T →∞12T ∫T -T V s (t )・V r (t )d t =lim T →∞12T 12V s V r [(ωs +ωr )t +(<s +<r )]+12V s V r cos [(ωs -ωr )t +(<s -<r )]d t (6)49山西大学学报(自然科学版) 33(1)　2010　 由式(5)和(6)可知,当ωs =ωr 时,积分器输出的信号可表示为V 0=12V s ・V r ・cos <(7) 其中<为待测信号与参考信号之间的相位差,若调整参考信号相位使<为零,则此时输出信号V 0最大,且与待测信号的幅度成正比.锁相放大器的信噪声比改善(S N I R )可表示为:S N I R =Δf niΔf no (8)其中,Δf ni 为输入信号的噪声带宽,Δf ni 为锁相放大器输出的噪声带宽.2.3　软件程序设计整个LabV IEW 程序由时序控制模块,信号采集模块,数字锁相放大模块三部分组成,核心部分为数字锁相模块,模块中的各个操作以事件方式驱动,有效地利用了计算机资源,提高了处理能力.时序控制模块通过N I6251采集卡产生两路时序信号,分别为2k Hz 发光时序及1k Hz 控制CD4053模拟开关信号;信号采集模块通过调用DAQmx 子V I 来实现数据采集、数据传输等功能.数字锁相模块通过调用参考信号、乘法器、低通滤波器等子V I 实现了对脉搏波信号的锁相放大.软件平台是借助虚拟仪器软件LabV IEW 在计算机上搭建的虚拟测试系统.LabV IEW 是美国国家仪器公司推出的一种基于图形开发、调试和运行程序的集成环境.它采用层次化结构,方便用户创建更复杂的程序,此外,它内部还提供了各类强大的功能模块和函数模块,以实现对信号和数据的复杂处理.时序控制模块由时序控制通道、时钟源、频率控制及时序占空比控制等控件组成.为了提高系统的可扩展性,运用N I6251中端口较多的数字输出端口输出时序信号,并由布尔控件、创建数字波形控件构成时序占空比控制程序,可以方便地调节输出时序信号的占空比,以获得不同频率信号.由于产生时序信号的占空比是由四个布尔量控制的,时序A 由1010四个布尔量构成,时序B 由1100四个布尔量构成,而时序A 是2k Hz ,时序B 是1k Hz ,因此产生布尔量的频率应为4k Hz.信号采集模块由信号采集通道、采样率、采样数及输入最大最小值控件组成.由于采集的信号主频为1k Hz 左右,为了获得较好的信号,根据奈奎斯特采样定理,将采样率设置为20ksp s ,每通道采样数设为30000,可获得连续1.5s 的调制信号数据.该模块可以灵活设置通道的采样率、采样数等参数,以获得理想的信号.如图4所示,数字锁相放大由参考信号发生器,乘法器和低通滤波器组成.参考信号发生器由频率、幅度、偏移量、占空比和相位等调节控件组成,根据采集到的信号,将频率和占空比分别设定为1k Hz 和25%,还可以实时调节参考信号相位,使得(7)式中采集的信号与参考信号的相位差<,获得的V 0最大值.乘法器除了可以用来实现参考信号与采集信号相乘,还可用来对采集的信号进行放大,以方便观察和处理信号,提高信噪比.低通滤波器模块可以切换不同类型的滤波器比较滤波效果,还可方便的调节截止频率及滤波器阶数等.光电脉搏波信号基波频率大约为1～4Hz 的低频信号,因此将截止频率和滤波器阶数分别设定在40Hz 和1阶,最终获得了理想的脉搏波信号,如图5所示.图4　数字锁相放大程序Fig.4　Digital phase 2locked amplifier program59 姚　峰等:基于LabV IEW 的无创脉搏血氧检测系统设计根据实验测量结果,输入信号噪声带宽Δf ni ,输出噪声带宽Δf no =14R C ≈60Hz ,则由式(8),信噪比改善约为3dB.由此可知,信噪声比得到了很大提高.图5　光电容积脉搏波信号Fig.5　Photoplethysmograhy signal 与以往的脉搏血氧饱和度检测系统中模拟锁相放大器相比,基于LabV IEW 的数字锁相放大器操作更为灵活,并且极大地降低了噪声的干扰,在很大程度上提高了信噪比,获得了较好的光电脉搏波波形,为提高血氧饱和度的测量精度打下了坚实的基础.3　结论利用LabV IEW 的图形化编程环境,可以实现对脉搏信号的数据采集、存储和分析等功能.由于该系统设计是基于虚拟仪器平台,硬件部分结构简单,而且系统具有极强的灵活性和可操作性.采用基于LabV IEW 的数字锁相放大器,使系统抗干扰能力增强,获得了较好的光电脉搏波波形,从而可在很大程度上提高脉搏血氧饱和度的测量精度.本研究对利用虚拟仪器开发类似系统有一定借鉴作用.参考文献:[1]　N IWA YAMA M ,SHIGA T ,L IN L ,et al .Correction of the influences of a subcutaneous fat layer and skinin a near 2infared musde oximeter[C]//Proceeding s of the 20th An nual International Conference of the IEEE ,1998,4:1849.[2]　杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M ].北京:化学工业出版社,2005.8.[3]　COPE M ,DEPL Y D T.System for Long term Measurement of Cerebral Blood and Tissue Oxygenation on Infants by NearInf rared Transillumination[J ].Phys Med B iol ,1988,33:143321442.[4]　李　刚,张丽君,林　凌.一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法[J ].天津大学学报,2008,41(4):4292432.[5]　李　刚,李尚颖,林　凌,等.基于动态光谱的脉搏血氧测量精度分析[J 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could be realized in t his system ,and it has many characteristics such as st rong anti 2interference ability ,high signal 2noise ratio ,good stability and flexibility.K ey w ords :labV IEW ;digitallock 2in amplify ;oxygen sat uration ;p hotoplet hysmograp hy69山西大学学报(自然科学版) 33(1)　2010　。

基于LabVIEW的脉搏信号检测系统的设计
与心脏，心脏通过做有秩序的收缩和舒张活动，使血液源源不断地从心脏射入动脉，心脏每收缩一次，动脉内的压力就发生一次周期性的波动，这种周期性的压力变化引起动脉血管发生波动，称为脉搏。

脉搏可以沿着动脉管壁向外周血管传播，这种空间上传播的波动称为脉搏波。

阻抗法测量原理
生物电阻抗测量，或简称阻抗技术，是一种利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取与人体生理、病理状况相关的生物医学信息的检测技术。

它通常是借助置于体表的电极系统向检测对象送入一微小的交流测量电流或电压，检测相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的，获取相关的生理和病理信息。

将受检部位（本设计为手臂）如图 1 等效为一圆柱形均匀导体, 血管位于其中央。

图1 人体组织与血管简化模型
根据物理学上的定义，导体的电阻R 取决于该导体的电阻率、长度及其截面积的大小。

R = &rho;L/S= &rho;L2 /V
式中,&rho;为电阻率；S 为导体截面积；L 为导体长度；V 为导体体积。

假设圆柱导体的长度不变，导出电阻变化&Delta;R 与容积变化&Delta;V 的关系式为：
&Delta;R = - &rho;L2&Delta;V/V2 = - R&Delta;V/V
上式表明容积的变化与电阻的变化密切相关,负号表示容积的增加将导致电阻的降低,也就是说人体受检部位就相当于一个阻值发生周期性变化的电阻，只。

基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统李姝颖;魏安海;张和华;尹军【摘要】设计一种基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统,能够自动、高效、精确地实时采集和记录人体脉搏参数.监测系统采用下位机和上位机方案,以单片机为核心测量人体脉搏.该系统采用脉搏传感器将所采集的信号进行放大、滤波、电压抬升等处理,通过CH341T与PC端USB接口相连,实现了单片机和上位机之间通讯并将处理后的数据传至上位机进行分析.上位机基于LabVIEW开发平台实现了用户管理登陆、脉搏波滤波、消除基线漂移、特征识别、打印报告等功能,其特征参数可有效地反映身体功能.%A pulse wave monitoring system based on LabVIEW was designed which can automatically,efficiently and accurately real-time collect and record human pulse parameters.With a single chip processor as the core,the system used a lower computer and a upper computer to measure the pulse of human body.The system could magnify,filter analog signal and rise the voltage through the pulse sensor.It realized the communication between the MCU and the PC through a CH341T chip connecting with the PC's USB interface.The processed data could be transmitted to the upper computer for analysis.The upper machine based on LabVIEW could realizes user login management,pulse wave filtering,eliminating baseline drift,feature recognition and print of reports,etc.The characteristic parameters could effectively reflect and feedback the patients' physical features and functions.【期刊名称】《现代仪器与医疗》【年(卷),期】2017(023)001【总页数】4页(P15-18)【关键词】脉搏波;用户管理;消除基线漂移;特征参数【作者】李姝颖;魏安海;张和华;尹军【作者单位】第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科,重庆400042;第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科,重庆400042;第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科,重庆400042;第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科,重庆400042【正文语种】中文【中图分类】R331脉搏波信号是身体生理状况的重要信号之一,其特征参数可有效地反映身体的各项指标和功能。

基于LabVIEW的多通道脉搏波记录处理系统
刘继伟;高文飚;高鹏;高文秀
【期刊名称】《中国医学物理学杂志》
【年(卷),期】2006(023)002
【摘要】本文描述了一个基于LabVIEW的虚拟仪器系统.该系统能采集、记录和处理人体多处典型部位的脉搏波,用改进的高斯函数(钟形波)叠加模型,通过非线性拟合算法--Levenberg-Marquardt(LM)算法提取脉图特征.实验表明:该模型和算法能简单有效地对各类脉图进行特征识别,识别率达到90%以上.
【总页数】4页(P146-149)
【作者】刘继伟;高文飚;高鹏;高文秀
【作者单位】厦门大学机电工程系,福建,厦门,361005;新疆医科大学,第五附属医院普外科,新疆,乌鲁木齐,830011;厦门大学机电工程系,福建,厦门,361005;厦门大学机电工程系,福建,厦门,361005
【正文语种】中文
【中图分类】R443.8
【相关文献】
1.基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统 [J], 章伟;高博;龚敏
2.基于Labview的AM幅度调制脉搏波采集分析系统 [J], 余婷;何强;胡建敢;梁琛颖;余成波
3.基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法 [J], 林凌;李娜;李刚
4.基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统 [J], 李姝颖;魏安海;张和华;尹军;
5.基于LabVIEW的脉搏波分析监测系统 [J], 李姝颖;魏安海;张和华;尹军
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