一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统技术方案

技术编号:15307158 阅读:108 留言:0更新日期:2017-05-15 13:22
本发明专利技术提供一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,包括:光敏二极管放大滤波电路、AD采样电路、人体脉搏波信号处理分析模块、显示模块、锁相放大处理模块、锁相环倍频电路、DA波形产生电路和发光二极管驱动电路,所述光敏二极管放大滤波电路通过AD采样电路连接至所述锁相放大处理模块,所述锁相环倍频电路与所述锁相放大处理模块相连接,所述锁相放大处理模块通过DA波形产生电路连接至所述发光二极管驱动电路,所述锁相放大处理模块和显示模块分别与所述人体脉搏波信号处理分析模块相连接。本发明专利技术结构简单且设计合理,有效控制了系统成本,并具有非常好的信噪比,能高效地提取人体的PPG脉搏波这种微弱信号。

A PPG pulse wave signal extraction and processing system based on phase locked amplifier

The invention provides an extraction processing system, PPG pulse wave signal based on the lock-in amplifier includes a photosensitive diode circuit, AD sampling circuit, the pulse wave signal processing and analysis module, display module, lock-in amplifier module, PLL frequency multiplier circuit, DA waveform generation circuit and driving circuit of light-emitting diode, the photosensitive diode amplifying and filtering circuit connected to the phase-locked amplification processing module through the AD sampling circuit, connected frequency circuit of the phase-locked loop and the phase-locked amplification processing module, the lock-in processing module through the DA waveform generation circuit is connected to the light emitting diode driving circuit of the phase-locked amplifying processing module and display module respectively the analysis module is connected with the human pulse wave signal processing. The invention has simple structure and reasonable design, effectively controls the cost of the system, and has very good signal to noise ratio, and can effectively extract the weak signal of the PPG pulse wave of the human body.

【技术实现步骤摘要】
一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统
本专利技术涉及一种脉搏波信号提取处理系统,尤其涉及一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统。
技术介绍
在科学研究及生产活动当中,人类不可避免的会遇到各种微弱信号的处理问题,例如在地震波形测量、卫星信号接收、激光信号测量、红外和人体生理指标测量等领域,通常要放大、还原毫伏量级甚至更小的微弱信号。在这样的背景之下,一个被称为“微弱信号检测”的新兴学科逐渐走入人们的视野,微弱信号检测是处理微信号的关键技术。所谓的微弱信号一般有两层含义,第一层含义是其本身的绝对值非常小,以电压为例,通常其绝对值不会高于毫伏的量级。第二层含义是被检测的信号相对值也非常小,一般地这样微弱的信号会淹没在外界的噪声当中,很难直接分辨其信号的大小。面对这样的信号,常见的检测方法包括小波变换、取样积分、平均处理法和信号的频谱窄带化技术、非线性随机系统协同随机共振法、多重匹配的滤波技术等方法。任何获取微弱信号的技术都是有其它代价或前提的,一般地基于频谱、滤波等技术是需要有已知信号的频谱特征为前提的,如果微弱信号落入某个窄带的内,则可以通过频谱、滤波的技术获得微弱信号的信息。传统的微弱信号检测一般均采用这个思路,首先使用极高增益的放大器,在放大的过程中及放大之后对信号进行滤波。或者对信号采用频谱分析,挑出自己需要的信号。但是对人体PPG脉搏波这种微弱信号的提取,所述PPG脉搏波即光电容积脉搏波,目前对人体PPG脉搏波这种微弱信号的提取技术比较复杂、成本高、效率低以及信噪比低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是需要提供一种刚好能够实现人体的PPG脉搏波信号的提取,且结构简单的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,已达到降低系统成本,提高对人体PPG脉搏波这种微弱信号的提取效率并提高其信噪比的目的。对此,本专利技术提供一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,包括:光敏二极管放大滤波电路、AD采样电路、人体脉搏波信号处理分析模块、显示模块、锁相放大处理模块、锁相环倍频电路、DA波形产生电路和发光二极管驱动电路,所述光敏二极管放大滤波电路通过AD采样电路连接至所述锁相放大处理模块,所述锁相环倍频电路与所述锁相放大处理模块相连接,所述锁相放大处理模块通过DA波形产生电路连接至所述发光二极管驱动电路,所述锁相放大处理模块和显示模块分别与所述人体脉搏波信号处理分析模块相连接;其中,所述锁相放大处理模块和锁相环倍频电路提取PPG脉搏波信号后,发送至所述人体脉搏波信号处理分析模块实现分析和处理。本专利技术的进一步改进在于,所述锁相放大处理模块输送100KHz的方波信号至所述锁相环倍频电路,所述锁相环倍频电路反馈36MHz的方波信号至所述锁相放大处理模块。本专利技术的进一步改进在于,所述DA波形产生电路发送频率为100KHz的正弦调制信号至所述发光二极管驱动电路。本专利技术的进一步改进在于,所述锁相放大处理模块发送频率为36MHz的正弦波信号至所述DA波形产生电路。本专利技术的进一步改进在于,光敏二极管放大滤波电路包括依次级联的双级高增益放大器和带阻滤波器,所述双级高增益放大器连接至光敏二极管。本专利技术的进一步改进在于,所述AD采样电路的采样频率为100KHz,并将采样后的信号方至所述锁相放大处理模块。本专利技术的进一步改进在于,所述锁相放大处理模块用于对PPG脉搏波信号进行提取、放大和处理,所述锁相放大处理模块包括模拟PPG脉搏波发生器、调制器、自然数数值产生器、模拟噪声模块、锁相放大计算模块和滑动滤波模块,所述自然数数值产生器用于产生离散的自然数数值n,并通过自然数数值n驱动所述锁相放大处理模块工作;所述模拟PPG脉搏波发生器根据采集的原始PPG脉搏波的波形向量文件,并通过自然数数值n的增长实时地移动所述波形向量文件,输出当前PPG脉搏波的强度数值至所述调制器;所述调制器对PPG脉搏波的强度数值进行调制,经过了调制后的PPG脉搏波的强度数值发送至所述模拟噪声模块中增加随机噪声,然后发送至所述锁相放大计算模块;所述锁相放大计算模块对接收到的信号进行锁相放大的数值计算,以实现去除噪音和放大处理,并通过所述滑动滤波模块实现数据调整。本专利技术的进一步改进在于,所述波形向量文件存储的数据是序列函数,其序列函数的总长度为脉搏波的波形向量总长度;根据自然数数值n的增长并通过线性拟合把序列函数的定义域转换到实数域上,进而得到连续的模拟PPG脉搏波发生器。本专利技术的进一步改进在于,还包括参考信号输入模块,所述参考信号输入模块输出参考信号以对PPG脉搏波传感器的发光二极管实现调制,使得所述发光二极管发出的光为高频正弦波。本专利技术的进一步改进在于,所述锁相放大处理模块用于对PPG脉搏波信号进行提取、放大和处理包括以下步骤:步骤S1,初始化自然数数值n;步骤S2,输入r和d的数值,并输入对随机噪声大小进行控制的变量数值,r为参考信号的周期与AD采样电路的采样周期之间的比例,d为PPG脉搏波的周期与AD采样电路的采样周期之间的比例;步骤S3,判断自然数数值n是否达到最大值,若是则结束,若否则跳转至步骤S4;步骤S4,自然数数值n实现自加运算,然后通过所述模拟PPG脉搏波发生器计算出当前自然数数值n对应的PPG脉搏波的强度数值,并对PPG脉搏波的强度数值进行调制、增加随机噪声以及锁相放大计算;重复步骤S4直到自然数数值n能够被r整除,则完成一个调制周期的提取、放大和处理,输出数值后结束。与现有技术相比,本专利技术的有益效果在于:通过对人体PPG脉搏波这种微弱信号进行了调制等处理,使得人体PPG脉搏波这种微弱信号刚好能够被基于FPGA实现的锁相放大处理模块进行提取、放大和处理,进而提供了一个完整且有效的PPG脉搏波信号提取系统,本专利技术结构简单且设计合理,有效控制了系统成本,并具有非常好的信噪比,能高效地提取人体的PPG脉搏波这种微弱信号。附图说明图1是本专利技术一种实施例的系统结构示意图;图2是本专利技术一种实施例的提取端基本原理示意图;图3是本专利技术一种实施例的发光二极管的特性曲线示意图;图4是本专利技术一种实施例的发光二极管的驱动电路原理图;图5是本专利技术一种实施例的双级高增益放大器的电路原理图;图6是本专利技术一种实施例的带阻滤波器的电路原理图;图7是本专利技术一种实施例的锁相放大器的系统原理示意图;图8是本专利技术一种实施例的相近频率的相关性检测运算仿真示意图;图9是本专利技术一种实施例的锁相放大器的算法示意图;图10是本专利技术一种实施例的锁相放大器的系统示意图;图11是本专利技术一种实施例的数字锁相放大器提取PPG脉搏波的仿真工作流程图。具体实施方式下面结合附图,对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。如图1所示,本例提供一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,包括:光敏二极管放大滤波电路、AD采样电路、人体脉搏波信号处理分析模块、显示模块、锁相放大处理模块、锁相环倍频电路、DA波形产生电路和发光二极管驱动电路,所述光敏二极管放大滤波电路通过AD采样电路连接至所述锁相放大处理模块,所述锁相环倍频电路与所述锁相放大处理模块相连接,所述锁相放大处理模块通过DA波形产生电路连接至所述发光二极管驱动电路,所述锁相放大处理模块和显示模块分别与所述人体脉搏波本文档来自技高网...
一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统

【技术保护点】
一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,包括:光敏二极管放大滤波电路、AD采样电路、人体脉搏波信号处理分析模块、显示模块、锁相放大处理模块、锁相环倍频电路、DA波形产生电路和发光二极管驱动电路,所述光敏二极管放大滤波电路通过AD采样电路连接至所述锁相放大处理模块,所述锁相环倍频电路与所述锁相放大处理模块相连接,所述锁相放大处理模块通过DA波形产生电路连接至所述发光二极管驱动电路,所述锁相放大处理模块和显示模块分别与所述人体脉搏波信号处理分析模块相连接;其中,所述锁相放大处理模块和锁相环倍频电路提取PPG脉搏波信号后,发送至所述人体脉搏波信号处理分析模块实现分析和处理。

【技术特征摘要】
1.一种基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,包括:光敏二极管放大滤波电路、AD采样电路、人体脉搏波信号处理分析模块、显示模块、锁相放大处理模块、锁相环倍频电路、DA波形产生电路和发光二极管驱动电路,所述光敏二极管放大滤波电路通过AD采样电路连接至所述锁相放大处理模块,所述锁相环倍频电路与所述锁相放大处理模块相连接,所述锁相放大处理模块通过DA波形产生电路连接至所述发光二极管驱动电路,所述锁相放大处理模块和显示模块分别与所述人体脉搏波信号处理分析模块相连接;其中,所述锁相放大处理模块和锁相环倍频电路提取PPG脉搏波信号后,发送至所述人体脉搏波信号处理分析模块实现分析和处理。2.根据权利要求1所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,所述锁相放大处理模块输送100KHz的方波信号至所述锁相环倍频电路,所述锁相环倍频电路反馈36MHz的方波信号至所述锁相放大处理模块。3.根据权利要求2所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,所述DA波形产生电路发送频率为100KHz的正弦调制信号至所述发光二极管驱动电路。4.根据权利要求3所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,所述锁相放大处理模块发送频率为36MHz的正弦波信号至所述DA波形产生电路。5.根据权利要求2所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,光敏二极管放大滤波电路包括依次级联的双级高增益放大器和带阻滤波器,所述双级高增益放大器连接至光敏二极管。6.根据权利要求2所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,所述AD采样电路的采样频率为100KHz,并将采样后的信号方至所述锁相放大处理模块。7.根据权利要求1至6任意一项所述的基于锁相放大器的PPG脉搏波信号提取处理系统,其特征在于,所述锁相放大处理模块用于对PPG脉搏波信号进行提取、放大和处理,所述锁相放大处理模块包括模拟PPG脉搏波发生器、调制器、自然数数值产生器、模拟噪声模块、锁相放大计算模块和滑动滤...

【专利技术属性】
技术研发人员:余菲赵杰
申请(专利权)人:深圳职业技术学院
类型:发明
国别省市:广东,44

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