uPSD3234單片機(jī) - 基于uPSD3234的反射式紅外心率檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案

　　1.2 uPSD3234單片機(jī)

　　本方案采用ST（意法半導(dǎo)體）公司的新型單片機(jī)uPSD3234作為系統(tǒng)的核心部件，它以增強(qiáng)型MCS-51內(nèi)核8032單片機(jī)為基礎(chǔ)，具有豐富的外圍設(shè)備，集成了PSD（ProgrammableSystemDevice，可編程外圍器件）模塊，并含有大容量FLASH和RAM的存儲(chǔ)器，集成I2C和 USB接口電路，數(shù)字顯示（DDC）通道，5個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）控制器，4路8位AD轉(zhuǎn)換器，可編程邏輯器件（PLD），是一個(gè)典型的具有SOC特征的高速單片機(jī)。因此不需要增加復(fù)雜的外圍電路就完全能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

　　uPSD3234片內(nèi)的USB模塊支持低速的USB1.1通信協(xié)議，心率檢測(cè)儀采樣數(shù)據(jù)以及信號(hào)處理過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)就可以傳輸?shù)絇C機(jī)存儲(chǔ)及進(jìn)一步的分析處理。

　　2 心率信號(hào)數(shù)字處理及算法

　　在測(cè)量過(guò)程中，預(yù)處理電路探測(cè)到的脈搏信號(hào)容易受到外界干擾，需要對(duì)干擾噪聲進(jìn)行處理。

　　一般可以通過(guò)兩種途徑對(duì)噪聲處理：一是增加濾波電路；二是從數(shù)字信號(hào)處理的角度，通過(guò)算法來(lái)減少噪聲。如果在外圍加入濾波電路會(huì)使成本增加，并影響儀器的便攜性，另外由于干擾的不確定性，濾波的效果不會(huì)很好。軟件濾波盡管會(huì)占用一定的系統(tǒng)資源，但成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好，在處理速度允許的條件下，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文主要采用數(shù)字濾波的方法來(lái)進(jìn)行處理，其中最重要的算法是匹配濾波算法。

　　所謂匹配濾波器就是使濾波器輸出信噪比在某一特定時(shí)刻達(dá)到最大并由此導(dǎo)出的最佳線性濾波器。匹配濾波原理：設(shè)輸出信噪比最大的最佳線性濾波器的傳輸函數(shù)為H（ω），濾波器輸入信號(hào)與噪聲的合成波為：

　　式（1）中，s（t）為輸入數(shù)字信號(hào)，其頻譜函數(shù)為S（ω），n（t）為高斯噪聲。

　　由于該濾波器是線性濾波器，滿(mǎn)足線性疊加原理，因此，濾波器輸出也由輸出信號(hào)和輸出噪聲兩部分組成，即：

　　式（2）中，輸出信號(hào)的頻譜函數(shù)為S0（ω），其對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)為：

　　濾波器輸出噪聲的平均功率為：

　　所以，在抽樣時(shí)刻t0，線性濾波器輸出信號(hào)的瞬時(shí)功率與噪聲平均功率之比為：

　　從式（3）可見(jiàn)，在輸入信號(hào)給定的情況下，輸出信號(hào)比r0只與濾波器傳輸函數(shù)H（ω）有關(guān)。根據(jù)施瓦茲不等式：

　　根據(jù)帕塞瓦爾定理有：

　　式（5）中，E為輸入信號(hào)的能量，故得關(guān)系式：

　　根據(jù)施瓦特不等式中等號(hào)成立的條件X（ω）=kY*（ω），k為任意常數(shù)，可得不等式中等號(hào)成立的條件為：

　　式（7）中，K為常數(shù)，通?？蛇x擇為k=1.

　　S*（ω）是輸入信號(hào)頻譜S（ω）的復(fù)共軛。該濾波器在給定時(shí)刻t0能獲得最大輸出信噪比2E/n0.

　　這種濾波器的傳輸函數(shù)H（ω）除相乘因子Ke-jωt0外，與信號(hào)頻譜的復(fù)共軛相一致，所以稱(chēng)該濾波器為匹配濾波器。

　　易得到匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為：