基于PSoC的無創(chuàng)血糖檢測的微弱信號采集*

葉學(xué)儉，許武軍,2，范　紅,2

(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620; 2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

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基于PSoC的無創(chuàng)血糖檢測的微弱信號采集*

葉學(xué)儉1，許武軍1,2，范紅1,2

(1.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620; 2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

主要介紹在基于近紅外光譜法的無創(chuàng)血糖檢測中對微弱信號采集的研究及相關(guān)電路設(shè)計的工作原理，此設(shè)計基于CYPRESS公司的PSoC 5LP，通過對光電二極管采集信號的濾波，然后經(jīng)過PSoC 5LP內(nèi)部可編程增益放大器放大，再通過模擬定序復(fù)用器將多路信號送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而獲得較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電信號用于后期處理。

血糖檢測；近紅外光譜；微弱信號采集；可編程片上系統(tǒng)

引用格式：葉學(xué)儉，許武軍，范紅. 基于PSOC的無創(chuàng)血糖檢測的微弱信號采集[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：32-34.

0　引言

隨著人們生活條件的提高和生活方式的改變，糖尿病發(fā)病率逐年上升，因此血糖監(jiān)測儀是每一位糖尿病患者必須擁有的。傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測雖十分有效，但需要采集指血，也存在不少隱患及不便，所以非侵入式血糖檢測裝置愈發(fā)重要。基于近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測是無創(chuàng)血糖檢測技術(shù)重要的研究方向之一，其通過對透過人體軟組織的一定波長的透射光的采集和對采集到的多個信號進(jìn)行相應(yīng)的算法處理及分析得出人體血糖濃度的估值[1]。雖然傳感器技術(shù)及高性能小型處理器的發(fā)展使得非侵入式的血糖實時檢測成為現(xiàn)實，也使得數(shù)字化醫(yī)療模式越來越受人們歡迎，但是這種模式的血糖檢測系統(tǒng)離不開對數(shù)據(jù)的采集與處理，對微弱信號的準(zhǔn)確性和可靠性更是有著較高要求。對于微弱信號的檢測注重的是對輸出信號的信噪比的提升和低頻噪聲的干擾減小。良好的信號采集能力是保證其正確識別傳感器信號，獲取算法所需的原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素?；谏鲜鲆?，本文主要對微弱信號的采集電路的相關(guān)設(shè)計進(jìn)行研究探討。

1　無創(chuàng)血糖檢測裝置的系統(tǒng)設(shè)計

近紅外光對于人體軟組織具有很好的穿透性，是理想的檢測光譜段。而且葡萄糖在近紅外光譜區(qū)(700～1 800 nm)有較明顯的吸收[2]。在本設(shè)計中，考慮到光透過率的大小，選擇耳垂作為測量部位。將光源及光電二極管分別放置耳垂兩端，利用透過的近紅外光的光強(qiáng)來計算該部位的血糖含量?；诮t外光的血糖檢測技術(shù)最主要的是對近紅外光信號的采集。其中，系統(tǒng)設(shè)計主要包括使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制近紅外光源，對模擬信號進(jìn)行濾波，信號放大，經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)處理五個部分[3]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

綜合考慮組織血液中的各種成分的干擾，為最大程度減小其干擾程度，實驗之初選用波長為1 550 nm的發(fā)光二極管(LED)作為光源，并使用PWM來控制LED的發(fā)射功率，并通過調(diào)控PWM模塊的占空比，可使LED的傳輸波長隨著直流電壓平均值的改變而改變，使得近紅外LED的光波波長控制在1 550 nm以上、1 550 nm及1 550 nm以下三個相近波段，從而獲取多組光源信號并取平均值，以此降低原始噪聲的影響[4]。實驗主要研究對微弱信號的采集，所以以此為信號源來檢驗此采集電路對微弱信號的采集能力。

2　采集電路的設(shè)計

2.1模擬信號濾波器的設(shè)計

原始信號中存在較多高頻噪聲且極不穩(wěn)定，所以使用一個簡單的二階RC低通濾波器連接到光電二極管的輸出以初步降低高頻噪聲，提升信號穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)電路的抗干擾能力[5]。經(jīng)過測試，使用R=10 kΩ，C=10 μF的二階低通濾波器有較好的濾波效果。設(shè)計電路如圖2所示。

圖2　二階RC濾波電路圖

2.2放大電路模塊

圖3　PGA原理圖

可編程增益放大器(PGA)是可以實現(xiàn)用戶可編程增益的基于運算的同相放大器，具有高輸入阻抗，較寬的帶寬及可選擇的輸入?yún)⒖茧妷?。PSoC 5LP自帶模塊PGA由普通SC/CT模塊構(gòu)成，可通過調(diào)整Ra和Rb兩個電阻來選擇增益，實現(xiàn)對信號的放大以此增加信號振幅，并具有與反饋電阻Rb并行的可編程電容，主要針對每次增益選擇進(jìn)行配置以保證其穩(wěn)定性。選擇其作為放大模塊，主要利用到PSoC 5LP高集成度和穩(wěn)定性，并且可以更加直接的控制PGA的增益大小，從而滿足檢測要求。PGA的原理圖如圖3所示。

輸出公式如下：

Vout=Vref+(Vin-Vref)*G

(1)

其中G代表增益大小，參考Vref輸入可以連接外部參考或者內(nèi)部Vss(接地)。

基于近紅外光的無創(chuàng)血糖檢測的準(zhǔn)確度很大程度上取決于對近紅外光譜信號的穩(wěn)定準(zhǔn)確的采集，然而近紅外光透光信號衰減程度高，必須通過對信號的放大才能更好地檢測其信號變化，所以將光電二極管信號送入PSoC 5LP中的內(nèi)部可編程增益放大器，以放大微弱的近紅外光譜信號，將血糖變化中微弱的電壓差通過參考電壓為地和增益為50的可編程放大器進(jìn)行放大，以此更好地觀察到采集信號的變化。此外，實際操作中可按照實際情況，考慮到A/D轉(zhuǎn)換器0～5 V的輸入范圍，可以通過應(yīng)用程序編程接口(API)子程序來配置組件以滿足測試要求。

2.3A/D轉(zhuǎn)換

為了將放大后的電壓信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理，需將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。而且為保證信號精度，減少模數(shù)轉(zhuǎn)換時引起的量化誤差，需要進(jìn)行高分辨率的轉(zhuǎn)換。PSoC 5LP上的ADC模塊可為精密測量應(yīng)用提供低功耗、低噪聲前端，其由輸入放大器、三階delta-sigma調(diào)制器和抽取濾波器構(gòu)成(如圖4所示)。輸入放大器可提供高阻抗的輸入以及可選擇的輸入增益，濾波器可直接從調(diào)制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，之后選擇性地執(zhí)行簡單的濾波器函數(shù)。這里以軌至軌緩沖模式，使用16位分辨率、256 kHz采樣頻率來采樣近紅外光，達(dá)到高采樣率的要求。

圖4　ADC模塊

2.4采集電路的軟件部分設(shè)計

圖5為驅(qū)動單一近紅外光的軟件控制模塊圖，利用PSoC Creator實現(xiàn)對各個模塊的軟件控制，實現(xiàn)對裝置的調(diào)控，對獲取的數(shù)據(jù)也在軟件中進(jìn)行處理分析及顯示。對于整個基于近紅外光譜的血糖檢測裝置的軟件設(shè)計，是以此為基礎(chǔ)控制電路添加更多對硬件的控制程序、信號驅(qū)動模塊以及信號采集放大模塊。

圖5　軟件控制圖

3　實驗結(jié)果與分析

基于近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)中，組織厚度決定近紅外光的路徑長度，所以光滲透深度是一個關(guān)鍵因素。此實驗?zāi)M不同組織厚度對于透光率所產(chǎn)生的不同光強(qiáng)。利用小信號模型求出Lambert-Beer定律的近似值，進(jìn)而獲得滲透光強(qiáng)與組織厚度的關(guān)系。利用公式[4]：

y=Ae-bx+C

(2)

來表示此模型，其中x代表光滲透深度，y代表透光強(qiáng)度，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得其特性曲線，如圖6所示。擬合曲線方程為：

y=4 809e-0.2498 x-3 996

(3)

圖6　透光強(qiáng)度y(mV)與光滲透深度x(mm)曲線特性

與此同時獲得光滲透深度與近紅外光光衰減率的關(guān)系，如圖7所示。

圖7　光衰減率y(100%)與光滲透深度x(mm)

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，實驗過程中仍存有一些不穩(wěn)定因素，尤其在近紅外光穿透過程中光衰減率過高，極易在一定厚度之后無法采集到穩(wěn)定的信號，加之環(huán)境因素的干擾，微弱信號的準(zhǔn)確性受到很大影響，所以后期實驗應(yīng)加強(qiáng)對單一波段的光采集能力及光聚焦能力的研究。另外，對模擬信號的初次濾波采用二階低通RC濾波，通過對信號的觀察，雖然濾波效果較明顯，但仍存有少量噪聲，在透光電壓衰減至十幾毫伏時會極不穩(wěn)定，在后期改進(jìn)中建議使用四階巴特沃思有源低通濾波器[6]，其特點是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，相比較二階RC低通濾波

器，其濾波效果更好。

4　結(jié)論

本文討論了一種以基于近紅外光譜的無創(chuàng)血糖檢測系統(tǒng)為背景的微弱信號采集裝置的設(shè)計方法，提出整體設(shè)計方案。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出其漂移小，且利用PSoC 5LP高集成度且抗干擾能力強(qiáng)的特點，提高對微弱信號采集的精確度。同時，此設(shè)計也可用于其他微弱信號的檢測之中。

[1] 李陽．無創(chuàng)血糖檢測儀的DSP和Android軟件系統(tǒng)設(shè)計[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2013, 26(10): 1323-1326.

[2] 劉慶珍．近紅外光譜技術(shù)無創(chuàng)測量人體血糖[J]．激光生物學(xué)報，2004, 13(2): 129-135.

[3] 劉光文．微小信號采集電路的設(shè)計與研究[J].現(xiàn)代制造工程，2005(7):101-103.

[4] AHMAD M．Non-invasive-blood-glucose-monitoring-using-near-infrared-spectroscopy[D]．Iowa: University of Lcowa,2013.

[5] 呂志昂．微弱信號調(diào)理電路的設(shè)計[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2012, 31(15): 17-22.

[6] 陳淑芳．一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號調(diào)理電路的設(shè)計[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，2008, 9(1): 215-217.

Weak signal acquisition based on PSoC for monitoring of non-invasive blood glucose

Ye Xuejian1, Xu Wujun1,2, Fan Hong1,2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Shanghai 201620, China)

This paper mainly introduces the research of collecting weak signal based on non-invasive blood glucose monitoring using near infrared spectroscopy and the operating principle of the relevant circuit design. This design is based on PSoC LP controller, and the colletced weak signal is transfered to ADC after filtered by RC filter and amplified by programmable gain amplifier. The signal is processed on PSoC LP, then the electrical signal will be used in the further analysis.

blood glucose monitoring; near infrared spectrum; weak signal acquisition; programmable system on chip

國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目(201410255043)

TP274+.2

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.009

2016-04-17)

葉學(xué)儉(1994-)，男，本科生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)及信號處理。

許武軍(1972-)，通信作者，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：穿戴電子與智能服裝、短距無線通信、嵌入式計算與機(jī)器視覺、衛(wèi)星導(dǎo)航與組合定位。E-mail: wujun.hsu@gmail.com。