可穿戴式生物信号采集装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种可穿戴式生物信号采集装置，包括光电发射单元，其包括有若干个发光二极管、相连的恒流驱动器和光源通道选择器；光电接收单元，其至少包括两路光电二极管、探测通道选择器、采样与转换开关阵列以及模数转换器，每路光电二极管与发光二极管之间的光程距离不同，光电二极管通过探测通道选择器依次与采样与转换开关阵列和数模转换器连接，数模转换器通过一接口模块与外接的控制器连接；时序控制单元，其与接口模块通信连接，时序控制单元包括相连接的定时器和多路触发器。本发明专利技术采用了集成式方案，探测功能更加全面，减轻了设计的复杂度，增加了电路的可靠性，提高了调试的方便性与灵活性。

Wearable biological signal collecting device

The invention discloses a wearable biological signal collection device, comprising a photoelectric emission unit, which comprises a plurality of light emitting diodes, connected to the constant current driver source and channel selector; photoelectric receiving unit, which includes at least two photodiodes, detection channel selector, sampling and conversion switch array and analog-to-digital converter, different the optical path distance between each photodiode and the light emitting diode, photodiode detection by sequentially sampling and conversion and channel selector switch array and DAC DAC connected through an interface module is connected with the external controller; the timing control unit, which is connected with the communication interface module, timing control unit includes a timer connected and a trigger. The invention adopts an integrated scheme, the detection function is more comprehensive, the design complexity is reduced, the reliability of the circuit is increased, and the convenience and flexibility of the debugging are improved.

【技术实现步骤摘要】
可穿戴式生物信号采集装置
本专利技术涉及生物光学
，具体涉及一种可穿戴式生物信号采集装置。
技术介绍
现有的光学检测或者光电传感技术已经日趋成熟，其前端电路主要包括光源LED控制部分与光电二极管(PD)探测电路部分的设计，将光学监测或者光电传感技术应用于人体，光学生物传感技术不断应用于医疗保健行业。随着健康、医疗保健水平的不断提高，可穿戴式的医疗设备、医疗器械越来越被广泛关注，为人们的日常生活、健康保健提供保驾护航，其中可穿戴式光学生物传感技术正是其中的关键。可穿戴式光学生物传感，主要用于测量心率、血氧饱和度、HRV变异性、血压、以及其它人体功能参数等等。然而生物传感的应用场景、人体的光电传感往往比较复杂，主要表现在人体运动、人体肤色、人体皮肤组织、人体阻抗等等对光电转换的影响，而且因人而异、不同年龄阶段、不同时间均表现出特异性。表现在电路设计中，需要解决弱光电信号放大、信号噪声、信号直流偏移、光源的恒流可编程调节控制、光源的切换控制等等问题，并且在应用过程中需要进行电路参数的调节以适应不同人体、不同时段等等造成的特异性。现有的用于测量心率、血氧饱和度、HRV变异性、血压、以及其它人体功能参数等的可穿戴光学生物传感装置，如图1所示，光电传感一般包含光源与探测两部分设计，光源的控制采用“压控恒流”的方式，需要采用数模转换器(DAC)，进行精确的输出电压可编程调节控制。光电传感采用光电二极管进行光电转换之后，再经跨阻放大转化为电压信号，还需要经过滤波与再次放大，最终进行模数转换器(ADC)转化成数字信号，以便后续数字电路的运算与处理。整个系统的构成还需要包含微控制器(Microcontroller)、LCD显示、人机交互按钮或触摸屏、蜂鸣器报警、蓝牙(Bluetooth)通信、电源管理、电池电量管理等。这种可穿戴式设备，需要解决重大问题就是体积与功耗的限制，采用传统的设计方法设计前端模拟电路部分，首先需要对电路结构、参数进行设计，包括互阻抗放大器(TIA)电路、滤波放大电路、“压控恒流”电路等，并对其中采用的各种关键器件进行选型，包括精密低噪声运算放大器、ADC转换器、DAC转换器等。最终形成的电路往往由于体积过大无法满足设计要求，不仅如此，体积过大还会影响光电传感电路的实际性能，引入不必要的噪声与干扰。再者，由于人体光电传感信号的复杂性与特异性，前端模拟电路的调试工作十分复杂，需要根据实际的应用环境调整电路结构与参数；并且在功能上，往往无法全面，既需要最小的设计体积，又需要同时进行多种切换控制，比如多路LED切换以及多路PD信号的探测，采样方式的不同，可以持续周期采样或者连续间隔多次采样等等，而现有的可穿戴式设备无法满足这些要求。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种多通道光电探测、超小型集成式模拟前端电路，应用于可穿戴式生物传感的超小型集成模拟前端电路，针对现有光电传感电路方案采用离散模拟电路、数字电路搭建的方案，本专利技术采用了集成式方案，探测功能更加全面，减轻了设计的复杂度，增加了电路的可靠性，提高了调试的方便性与灵活性。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种可穿戴式生物信号采集装置，包括：光电发射单元，其包括有若干个发光二极管、相连接的恒流驱动器和光源通道选择器，各个所述发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，所述发光二极管分别与所述恒流驱动器连接；光电接收单元，其至少包括两路光电二极管、探测通道选择器、采样与转换开关阵列以及模数转换器，每路所述光电二极管与所述发光二极管之间的光程距离不同，所述光电二极管接收经人体组织吸收后的所述发光二极管的反馈光信号，所述光电二极管通过所述探测通道选择器依次与采样与转换开关阵列和数模转换器连接，所述数模转换器通过一接口模块与外接的控制器连接；时序控制单元，其与所述接口模块通信连接，所述时序控制单元包括相连接的定时器和多路触发器。优选的，所述光源通道选择器输入端与所述接口模块连接，所述恒流驱动器为由数模转换器输出电压控制的恒流源，所述光源通道选择器输出端与所述数模转换器输入端连接。优选的，每个所述发光二极管的前端设置有通道开关，所述通道开关与所述接口模块连接，所述数模转换器输出端通过所述恒流源与所述通道开关连接。优选的，所述光电二极管与所述探测通道选择器输入端连接，所述探测通道选择器输出端设置有带有可调反馈电容、可调反馈电阻的跨阻放大器，所述跨阻放大器与所述接口模块连接。优选的，所述探测通道选择器输出端与所述跨阻放大器输入端之间的线路上还是有补偿恒流偏置调节器。优选的，所述跨阻放大器输出端设置有组合滤波器，所述组合滤波器由可选的低通滤波和高通滤波组合构成，所述组合滤波器与所述接口模块连接。优选的，所述组合滤波器的输出端设置有可选的二极增益放大器，所述二极增益放大器的输出端与所述采样与转换开关阵列输入端连接，所述二极增益放大器与所述接口模块连接。优选的，所述采样与转换开关阵列包括若干组串联连接的采样选择开关与ADC转换开关，每组采样选择开关与ADC转换开关并联设置，每组采样选择开关与ADC转换开关之间并联有一电容，采样选择开关与ADC转换开关的组数比所述发光二极管的个数多一个，每个采样选择开关与ADC转换开关分别与所述接口模块连接。优选的，所述采样与转换开关阵列的输出端通过一缓冲器与所述模数转换器连接，且所述采样与转换开关阵列的输出端线路上并联设置一用于放电的复位开关，所述复位开关与所述接口模块连接。优选的，所述模数转换器输出端通过一先入先出队列与所述接口模块连接，所述接口模块为SPI、I2C接口。本专利技术至少包括以下有益效果：1、本专利技术采用了模拟通道切换方案，可以支持多个探测器，使得本专利技术可以更加方便地实现更加复杂的生物传感功能；2、本专利技术采用的定时器时序控制器，可以灵活地实现发光二极管LED与光电探测器PD的各种可能的时序要求与采样方式，通过配置采样周期，配置各个LED、PD开关的起始时间与结束时间，可以形成周期持续采样、间隔连续采样等方式，满足生物传感的各种采样要求与采样形式；3、将光电发射单元、光电接收单元以及时序控制单元布置在一个模块上，将采集装置小型化。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1是现有生物信号采集装置的系统框图；图2是本专利技术生物信号采集装置的系统框图；图3是本专利技术生物信号采集装置的电路拓扑图；图4是所述光电接收单元的电路图；图5是一种实施例中的时序控制图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。实施例一如图2-5所示，本专利技术提供一种可穿戴式生物信号采集装置，由光电发射单元10、光电接收单元20以及时序控制单元30，光电发射单元10包括有并联设置的第一发光二极管11、第二发光二极管12、第三发光二极管13，各个发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，根据采集不同生物信号的需要，来调整各个发光二极管的功率，如绿光、红光和蓝光等，第一发光二极管11前端设置有第一通道开关111，第二发光二极管12前端设置有第二通道开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿戴式生物信号采集装置，其特征在于，包括：光电发射单元，其包括有若干个发光二极管、相连接的恒流驱动器和光源通道选择器，各个所述发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，所述发光二极管分别与所述恒流驱动器连接；光电接收单元，其至少包括两路光电二极管、探测通道选择器、采样与转换开关阵列以及模数转换器，每路所述光电二极管与所述发光二极管之间的光程距离不同，所述光电二极管接收经人体组织吸收后的所述发光二极管的反馈光信号，所述光电二极管通过所述探测通道选择器依次与采样与转换开关阵列和数模转换器连接，所述数模转换器通过一接口模块与外接的控制器连接；时序控制单元，其与所述接口模块通信连接，所述时序控制单元包括相连接的定时器和多路触发器。

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴式生物信号采集装置，其特征在于，包括：光电发射单元，其包括有若干个发光二极管、相连接的恒流驱动器和光源通道选择器，各个所述发光二极管独立驱动且发光强度、波长不同，所述发光二极管分别与所述恒流驱动器连接；光电接收单元，其至少包括两路光电二极管、探测通道选择器、采样与转换开关阵列以及模数转换器，每路所述光电二极管与所述发光二极管之间的光程距离不同，所述光电二极管接收经人体组织吸收后的所述发光二极管的反馈光信号，所述光电二极管通过所述探测通道选择器依次与采样与转换开关阵列和数模转换器连接，所述数模转换器通过一接口模块与外接的控制器连接；时序控制单元，其与所述接口模块通信连接，所述时序控制单元包括相连接的定时器和多路触发器。2.如权利要求1所述的可穿戴式生物信号采集装置，其特征在于，所述光源通道选择器输入端与所述接口模块连接，所述恒流驱动器为由数模转换器输出电压控制的恒流源，所述光源通道选择器输出端与所述数模转换器输入端连接。3.如权利要求2所述的可穿戴式生物信号采集装置，其特征在于，每个所述发光二极管的前端设置有通道开关，所述通道开关与所述接口模块连接，所述数模转换器输出端通过所述恒流源与所述通道开关连接。4.如权利要求3所述的可穿戴式生物信号采集装置，其特征在于，所述光电二极管与所述探测通道选择器输入端连接，所述探测通道选择器输出端设置有带有可调反馈电容、可调反馈电阻的跨阻放大器，所述跨阻放大器与所述接口模块连接。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：周哲，付威威，董月芳，陈奭，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32