随着技术的发展和人们对健康检测的关注，可穿戴医疗设备发展迅速，苹果、三星、华为、小米等公司均推出了可穿戴脉率产品。与产品的迅猛发展相反，反射脉率的检测设备发展非常缓慢。因此，我们设计一种基于光电传感器的反射式脉率模拟仪系统。该系统主要由光采集单元、信号合成单元、发光单元组成，通过采集反射式脉率产品发出光的强度和频率信号，模拟人体反射光，发出不同强度的波形，可准确、可靠地模拟人体的脉率参数，进而用以检验反射式脉率产品。

1、测量系统的设计

1.1  测量的原理

脉率是衡量人体健康的生理参数之一，基于光电法的脉搏波检测基础是朗伯-比尔定律，即物质在一定波长处的吸光度与其浓度成正比。朗伯-比尔定律的数学式如下：A =ln（I0/I）=βCd。其中，I0表示入射光强，I为出射光强，A为介质的吸光度，β为摩尔消光系数，C表示吸收物质的摩尔浓度，d为吸收物质的传输距离[1-2]。

由朗伯-比尔定律可知，若通过绿光发光管向人体发射光线，再由光电二极管接收反射信号，则接收到的反射信号在强度上是不同的，反射光的强度仅与被检测部位的动脉血相关。因此，通过检测反射信号的容积脉搏波（photoplethysmography，PPG），可得到周期性变化的波形，由周期求解出被检测部位的脉率[3]。

我们设计的反射式脉率模拟仪系统的原理是上述脉率测量的逆过程。系统通过接收反射式脉率产品绿光的发光频率和强度，按照脉搏波的波形形态，将预期的脉率值转换成发光强度，模拟人体组织的反射光，发给反射式脉率产品。

1.2  整体设计方案

首先，由绿光接收电路的光电二极管接收被测设备的光信号，经过滤波和放大，由单片机AD采集，计算出光强和频率。单片机接受上位机设置的参数（当上位机未设置时，默认一种参数），根据采集的参数和存储器预先存储的参数曲线，输出两种信号，一种为直流分量，一种为交流分量。直流信号分量DC表示PPG信号中的恒定成分，代表信号所包含人体信息中的各种非脉动成分；交流信号分量AC表示PPG信号中随时间变化的脉动成分，代表动脉血的搏动。两种信号叠加，然后由电压转电流电路驱动发光二极管，模拟人体反射光，用来检测反射式脉率设备。该统组成见图1。

图 1　反射式脉率模拟仪系统的组成

2、系统硬件设计

2.1  绿光接收电路

脉率设备发射的光照射到光电二极管PD，产生同频率小电流，转换成电压，经过放大器放大到单片机A/D通道，计算出绿光的光强和发光频率。主要电路见图2。

图 2　采光电路

2.2  直流分量和交流脉动分量产生电路

如图3所示，电路DA采用TI公司生产的DAC8560芯片，该芯片为16位DAC芯片，通过SPI口和单片机STM32F103VCT6连接。直流分量由DAC直接生成。交流分量由DAC生成后，再由数字电位器MCP410调节合适的大小值，进而可得到更细分的交流分量。

图 3　直流分量和交流分量产生电路

2.3  发光信号生成

发光信号是由直流分量和交流分量叠加生成，故采用加法电路，见图4。

图 4　发光信号生成电路

2.4  电压转电流驱动发光管电路

以上过程生成的发光信号是电压信号，而一般采用电流信号驱动发光管，需采用图5所示的电路将电压信号转换为电流信号。电流大小为：I=V（DC+AC）/R21。其中，I为转换生成的驱动发光管电流，V（DC+AC）为CPU生成的发光电压信号，R21为限流电阻。

图 5　电压转电流驱动发光管电路

3、系统软件设计

3.1  软件设计流程

软件设计流程见图6。上电后初始化系统时钟及外设，外设包括控制电压输出的DAC芯片和MCP410、与上位机通信的串口、采集电压的A/D及控制定时采样的定时器。各个外设模块初始化完成后，开启定时中断，软件系统开始轮询处理任务。定时中断处理的是采样反射式脉率测量设备，根据采样结果判断当前反射式脉率测量设备的发光状态，通知主循环计算当前发出的电压值，输出电压。上位机的脉率设置命令也是通过串口中断接收，然后在主循环中设置参数。

图 6　软件流程

3.2  PPG波形输出

使用反射式脉率设备测量人体得到一个周期的PPG信号（图7），PPG分交流信号和直流信号两部分，脉搏波动产生的是交流信号，而直流信号主要来源于动脉血的非脉动部分、静脉血和毛细血管等部分对光的恒定吸收。程序中只存储了PPG的交流信号数据，作为电压输出的趋势参考，该系统由实际PPG信号直流信号与交流信号的比例计算出当时要输出的电压值，随着时间的推移计算出符合PPG趋势的电压值，这样就输出了PPG的波形。

图 7　PPG的波形

3.3  被测设备的发光识别

要识别被测设备的发光，首先需采集出被测设备的发光信号。为快速捕捉到被测设备的发光脉冲，我们设计了一个采样率为100 kHz 的采集工具，采集到的发光信号见图8。由图8可知，反射式脉率模拟仪系统可以采集出被测设备的发光信号，并能辨别发光与不发光（系统设置一个约为1500的限值，超过即为发光，然后发出相应的PPG信号即可）。为验证此方法的通用性，我们又采集了另一个被测设备，所得发光信号见图9。由图可知，此方法同样适用于该设备。

图 8　被测设备的发光信号

图 9　另一被测设备的发光信号

4、系统测试结果及分析

4.1  系统对被测设备发光信号识别的准确性

反射式脉率模拟仪系统需要准确识别被测设备的发光信号才能准确反馈给被测设备需要的PPG信号，从而达到模拟人体动脉血对光吸收后反射给反射式脉率设备的目的[4]。为了验证识别反射式脉率设备的发光情况，我们在系统中存储了一段接收到发光信号的脉冲和识别标志，存储数据见图10。图10中标识a处为识别标志的识别情况，a标识线的最低处为不发光的部分，可以看出a标识线与实际采集反射式脉率设备的发光脉冲一致，说明该系统可以准确识别发光脉冲。

图 10　反射式脉率设备的发光脉冲

4.2  模拟仪测试

选择两款反射式脉率测量设备A和B作为被测对象，脉率测量数据见表1。

表1　反射式脉率模拟仪系统的测试数据

由表1可知，两款反射式脉率测量设备可识别模拟仪输出的40~200次/min之间的脉率信号，并且两款设备显示的脉率与模拟仪设置的脉率基本一致，说明反射式脉率模拟仪系统可以用于反射式脉率测量设备的检测。

总之，通过对反射式脉率模拟仪系统进行实测和比对，发现该系统能够很好地模拟人体的脉率，具有理想的一致性，可基本满足实用要求。

【参考文献】

［1］许晓峰，历哲，凌振宝.反射式血氧饱和度测量系统设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2013，31（3）：260-265.

［2］蒋曲博，甘永进，张翠娜.反射式血氧饱和度检测系统研制[J].中国医学物理学杂志，2017，34（1）：58-64.

［3］甘永进，甘国妹，蒋曲博，等．基于AFE4490的反射式脉搏血氧检测系统[J]．电子技术应用，2017，43（8）：92-94，99．

［4］孙兆敏.动态光谱数据分析与脉搏血氧测量系统[D].天津：天津大学，2010.