CN108113660B - 一种便携式多生物信号放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式多生物信号放大器。本发明包括多信号采集模块、信号放大及衰减模块和MCU主控模块。所述多信号采集模块的信号输入端作为整个放大器的信号输入端，信号输出端与信号放大及衰减模块的信号输入端相连；所述信号放大及衰减模块的衰减控制端与MCU主控模块的I/O端口相连，信号输出端作为整个放大器的信号输出端。本发明根据采集模块采集到的生物电信号幅值小、频率低、随机性大、噪声性能差以及输入阻抗大的特点，设计增益与带宽合适、阻抗匹配、驱动能力足够大、噪声干扰小和共模抑制比与电源抑制比高的集成电路，可将几种不同的生物电信号采集放大到同一后续电路可识别的电压幅值并进行检测。

Description

一种便携式多生物信号放大器

技术领域

本发明属于微弱信号检测放大技术领域，尤其涉及一种便携式多生物信号放大器。

背景技术

微弱信号检测技术是对淹没在背景噪声中微弱信号的检测。生物电信号的主要特点为幅值低、频率低、噪声干扰大及输入阻抗大，多生物信号放大技术要求对拥有以上特点的多种生物电信号进行去噪、放大、滤波以及增益控制等处理，从而实现单通道的多种生物电信号放大。生命体不同部位的细胞产生的生物电信号不尽相同，目前我们了解较多的生物电信号有脑电信号、眼电信号、心电信号、肌电信号等,其参数如下表所示，其中对信号影响较大的噪声干扰有闪烁噪声(1/f噪声)、白噪声以及零漂。

生物电信号的几种参数如下表所示：

一直以来，监测生物体的各种生物电信号对医学研究有着极其重要的作用，例如心电信号对探测心脏生理病理变化具有重大意义，脑电信号和神经信号对探测和诊断神经性疾病，如白癜风等有很高的价值，而对于获取这些生物电信号并对其进行观察和分析的医疗电子检测***，生物信号放大器是其中至关重要的部分。

目前市场上生物电信号检测设备大部分价格昂贵(如EmotivEpoc无线便携脑电***价格高达32000RMB)、笨重且难以灵活移动(如医用脑电地形图仪kj-2000，重约50Kg)，病患做一个常规的检查往往需要到医院里排队拿号等待，极大地浪费了病患和医护人员的时间和精力，一旦出现意外情况，能够快速、及时和便民地检查出病因将对病患的治疗大有帮助，所以价格便宜和便携的生物信号检测技术是现在市场上一直在着力研究的方向。

现在市场上也出现了少量的便携式生物电信号检测设备产品用于各类生物电信号的检测与放大，例如便携式心电仪、便携式脑电仪等，但这些产品几乎都是针对某一种特定的生物电信号作用，而使用者若要对身体多个部位进行检测时则需要用到不同的专用检测设备，在浪费物理资源的同时也增加了经济压力，而且这些设备往往功耗较大，所以，综上所述，本发明主要侧重设计一种便携式的、能够检测多种生物电信号的生物信号放大器，其能够连接后续的通信模块、显示模块或其他模块等构成完成的生物信号检测设备以方便地为人们所使用。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种便携式多生物信号放大器，根据采集模块采集到的生物电信号幅值小、频率低、随机性大、噪声性能差以及输入阻抗大的特点，设计增益与带宽合适、阻抗匹配、驱动能力足够大、噪声干扰小和共模抑制比与电源抑制比高的集成电路，将几种不同的生物电信号经增益控制后，放大到同一后续电路可以识别的电压幅值。

上述集成电路用外壳包裹在内部，信号采集线与信号输出线两类线分布在两端，伸缩设计可方便的拉出和收进，放大器背面设计有可伸缩松紧带和挂圈，可方便放置和携带，整个放大器外观设计人性化且体积小，解决了传统生物信号放大器器通道复杂、体积庞大以及难以便携使用的弊端。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种便携式多生物信号放大器，包括三个模块：多信号采集模块、信号放大及衰减模块和MCU主控模块。所述多信号采集模块的信号输入端作为整个放大器的信号输入端，信号输出端与信号放大及衰减模块的信号输入端相连；所述信号放大及衰减模块的衰减控制端与MCU主控模块的I/O端口相连，信号输出端作为整个放大器的信号输出端。多信号采集模块采集到的生物电信号输入到信号放大及衰减模块，通过MCU主控电路中的按键选择生物电信号的种类，进行不同生物电信号的放大。

所述的多信号采集模块主要包括生物体的脑电、眼电、心电以及肌电等生物电信号的采集。

本模块以电极帽为主对脑电信号进行采集，其余电信号用信号发生器模拟各个信号的量级、频率及信噪比进行输入，采集模块有多个输入口，若要进行其他生物电信号的采集，可接市面上专门定制的传感前端。

所述的信号放大及衰减模块包括斩波调制器、前置放大器、50Hz陷波器、缓冲器、放大隔离模块、衰减模块、斩波解调器和滤波器。多信号采集模块的信号输出端与斩波调制器的信号输入端相连；斩波调制器的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连；前置放大器的信号输出端与50Hz陷波器的信号输入端相连；50Hz陷波器的信号输出端与缓冲器的信号输入端相连；缓冲器的信号输出端与放大隔离模块的信号输入端相连；放大隔离模块的信号输出端与衰减模块的信号输入端相连；衰减模块的信号输出端与斩波解调器的信号输入端相连，衰减控制端与MCU主控模块的I/O口相连；斩波解调器的信号输出端与滤波器的信号输入端相连；滤波器的信号输出端作为整个放大器的信号输出端，可与后续的通信模块或其他模块相连。

所述放大隔离模块由两个放大隔离单元串联构成，其中放大隔离单元包括一个主放大器和一个缓冲器。主放大器的信号输入端作为放大隔离单元的信号输入端，信号输出端与缓冲器的信号输入端相连；缓冲器的信号输出端作为放大隔离单元的信号输出端。

所述衰减模块由两个衰减单元串联构成，其中衰减单元包括一个主放大器、一个衰减器和一个缓冲器。主放大器的信号输入端作为衰减单元的信号输入端，信号输出端与衰减器的信号输入端相连；衰减器的信号输出端与缓冲器的信号输入端相连，衰减器的衰减控制端与MCU主控模块中单片机的I/O口相连；缓冲器的信号输出端作为衰减单元的信号输出端。

所述的MCU主控模块包括单片机最小***以及按键选择电路；按键选择电路的信号输出端与单片机最小***的第一信号输入端连接；信号放大及衰减模块中滤波器的信号输出端与单片机最小***的第二输入端连接；衰减模块中衰减器的衰减控制端与单片机最小***的信号输出端相连。

所述按键选择电路有四个按键用于使用者根据实际情况选择信号种类，分别代表不同的生物电信号(脑电信号、眼电信号、心电信号和肌电信号)；

所述单片机最小***主要用于放大器的自动增益控制。

本发明的具体工作过程如下：

1.用户佩戴电极帽(连带着输入线)，随后按下MCU主控模块中按键选择电路中的一个代表脑电信号的按键；

2.电极帽采集到脑电信号，通过输入线传送至斩波调制器，通过前置放大器、50Hz陷波器和缓冲器后传送至放大隔离模块，接着传送至衰减模块，在脑电信号传送的同时，单片机识别到按下的是脑电信号按键，单片机的I/O口输出高电平将衰减模块中两级衰减器的衰减度均置为10dB，当脑电信号传送到衰减模块中时受到五级共100dB的放大以及两级共20dB的衰减，则当脑电信号从衰减模块传送至斩波解调器时，增益G为100-20＝80dB，最后传送至滤波器即放大器的输出；

3.当脑电信号经过上述第2步传送至放大器的输出端时，同时也传送至单片机最小***的A/D模块，单片机读取现在的输出电压幅值，判断是否小于阈值(可以自定义，本发明认定为1V)，若小于阈值，这时单片机的I/O口改变高低电平输出将衰减模块中两级衰减器的衰减度减小2dB，此时放大器输出端的脑电信号的增益G为G+4，若输出幅值大于等于1V，则保持单片机I/O口输出电平方式，稳定脑电信号的输出电压。

4.单片机实时读取放大器的输出电压幅值，重复第3步。针对不同的生物信号的工作过程，除了第1步使用的传感前端不同和第2步单片机识别到信号种类时设定的衰减度不同导致初始增益不同以外，其余均相同。

采用上述结构后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

本发明能够实现在一定范围内放大多种生物电信号，不需要更换设备，提供了输入、输出接口以及按键选择模块，可以灵活的检测生物体的各个部位，且可以根据检测到的生物电信号的后续作用将输出口接到不同的医疗仪器设备或移动终端中用于观察与分析。

本发明采用单片机控制增益，可以减小在变换增益过程中产生的误差，因为单片机根据检测放大器输出电压来判断当前的增益控制是否合理(即用阈值判断)，若不合理，则立即采用递增方式改变增益，充分发挥了自动增益控制的作用。

本发明所有电路集成在一个电路板上，芯片均采用贴片式，电路面积小，整体功耗低，实现了稳定、灵活与便携，让使用者可以随时随地使用该设备，而且供电只需±5V，平时的家用插头即可供电，简单方便。

综上所述，该放大器拥有体积小，便于携带，***工作稳定、智能化程度高、人机界面良好等特点，尤其适合老龄化家庭或残障人士使用，拥有广阔的应用前景和实用价值，使用方便且兼容性强。

附图说明

图1为本发明便携式多生物信号放大器原理框图；

图2为四种不同的生物电信号仿真图；

图3为四种信号经过本发明放大后的输出信号仿真图；

图4为MCU主控模块的程序流程图；

图5为本发明便携式多生物信号放大器简图1；

图6为本发明便携式多生物信号放大器简图2；

图7为本发明便携式多生物信号放大器简图3；

图8为本发明便携式多生物信号放大器简图4。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

如图1所示，为便携式多生物信号放大器原理框图。在本实施例中，所述便携式多生物信号放大器包括，但不仅限于，多信号采集模块、斩波调制器(MC1496)、前置放大器(AD8253)、50Hz陷波器(LF351)、缓冲器(OP07)、放大隔离模块(LF351运放和OP07缓冲器)、衰减模块(LF351运放、HMC307数控衰减器和OP07缓冲器)、斩波解调器(MC1496)、滤波器(LF351)和MCU主控模块(PIC18F4520单片机)。所述多信号采集模块的信号输入端与生物体皮肤或者组织接触，信号输出端与斩波调制器的信号输入端相连；所述斩波调制器的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连；所述前置放大器的信号输出端与50Hz陷波器的信号输入端相连；所述50Hz陷波器的信号输出端与缓冲器的信号输入端相连；所述缓冲器的信号输出端与放大隔离模块的信号输入端相连；所述放大隔离模块的信号输出端与衰减模块的信号输入端相连；所述衰减模块的信号输出端与斩波解调器的信号输入端相连；所述斩波解调器的信号输出端与滤波器的信号输入端相连；所述滤波器的信号输出端与MCU主控模块中的单片机相连，还可根据不同的用处与后续通信模块或其他模块相连。

按照上述方法将各个模块进行连接组装以后，利用专门壳体将所有模块装入，露出信号输入线、输出信号线和四个按键，信号输入线从壳体的侧面下方伸出，信号输出线从同一侧面的上方伸出，四个按键放置在壳体正面上方。

所述多信号采集模块中，针对脑电信号的采集，采用电极帽进行，属无创的、对人体无损的采集方式，可获取的信号量级为uV级；针对眼电信号的采集，信号发生器输入量级设为50μV～200μV,信噪比设为5:1，频率设为0.1～20Hz；针对心电信号的采集，信号发生器输入量级设为400μV～2.5mV，信噪比设为3:1，频率设为0.05～200Hz；针对肌电信号的采集，信号发生器输入量级设为40μV～15mV，信噪比设为3:1，频率设为10～2000Hz。

所述斩波调制器、斩波解调器及滤波器主要是为了消除后续放大电路中的闪烁噪声和直流失调电压造成的影响，用一个交流调制信号将低频噪声和失调电压调制到高频处，而输入信号经过调制解调后依然在基频，再经低通滤波处理即可消除噪声干扰。

所述前置放大器主要采取差分结构以提高信号的共模抑制比及降低功耗，且其有高输入阻抗以匹配生物信号的高阻抗来实现信号的无损耗传输。

所述50Hz陷波器主要是用来滤除由于采用高输入阻抗前置放大器而引起的市电50Hz干扰。

所述缓冲器用来将每级放大电路加以隔离，削弱噪声对有用信号的干扰，从而提高整个***的共模抑制比。

所述放大隔离模块及衰减模块采用多级级联的方式，因为放大器的增益越大其稳定性越差，而且单级放大器很难将增益提高到足以让微弱信号可以被识别的电压值上，所以该模块采用多级放大器级联方式来达到要求的高增益，缓冲器则用来隔离每一级之间的相互影响。根据要检测的多个生物电信号的幅值范围可知，要让幅度最小的脑电信号都能放大到伏特级别，增益最大为100dB，而又要让幅度为几十个mV的肌电信号不失真放大，增益最小为40dB，即放大器的增益范围应在40dB～100dB，将前置放大器和放大隔离模块及衰减模块中的主放大器增益均设为10dB，一共五级放大，固定增益达到100dB，同时使用拥有衰减度范围在0～30dB左右的衰减器用于衰减模块中，根据单片机的I/O口输入高低电平给衰减器的衰减控制端即可控制整个放大器的动态增益范围在40dB～100dB，即可实现各个生物电信号的检测放大。

为了使从多信号采集模块采集来的输入信号不被噪声淹没，主放大器的前级选用高质量的电容和电阻(如精度为±0.25pF的电容和±1％的电阻)，且整个电路的供电电源采取特殊稳定的措施。

所述MCU主控模块中单片机最小***的第一信号输入端(即4个I/O口)与按键选择电路的四个按键相连，用于查询按键值；第二信号输入端(即一个模拟输入口)与整个放大器的信号输出端相连，用于读取输出电压赋值；单片机最小***的的信号输出端(即10个I/O口)与衰减模块的两个衰减器的共10个衰减控制端分别相连，用于控制整个放大器的增益。

MCU主控模块的软件程序流程图如图4所示，其中Key1代表脑电信号，Key2代表眼电信号，Key3代表心电信号，Key4代表肌电信号。

MCU主控模块的软件部分包括按键控制、衰减控制、A/D转换。所述的按键控制为实时查询与按键相连接的单片机I/O口的电平值，按键未按下时为高电平，按键按下为低电平；所述的衰减控制是根据检测来的按键值选择设置不同的衰减度，即单片机与两个衰减器的共10个衰减控制端相连的10个I/O按照表1输出高低电平；所述A/D转换是将输出的模拟信号幅值转换为单片机可以识别的二进制数值，根据实时检测输出信号的幅值大小来反馈调节增益。

表1衰减器状态表

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如图2所示，为由多信号采集模块采集到的四种不同的生物电信号仿真图，如图3所示，为上述信号再通过信号放大及衰减模块以及MCU主控模块后的无失真输出信号仿真图。

如图2仿真图所示，几种不同生物信号的波形幅值、频率以及信噪比都不同，MCU主控模块将会通过检测按下的按键来控制衰减器的衰减度。虽然不同的生物信号的频率不同，但范围大致相同，而且由于都是低频，信号放大及衰减模块已将输入信号进行低频信号方面的处理，所以生物信号的频率参数可以忽略。信噪比的不同与各种生物信号的阻抗和前置差分放大器的设计有很大关系，虽然生物信号阻抗普遍偏大，但只要前置放大器满足输入阻抗足够大就能从信号获取最大功率。总的来说，只要前置放大器电路设计足够精良，那么信噪比这个参数对整个放大器***来说可以忽略不计。

各类生物电信号的幅度极小、变化范围大且不稳定，对于同一种生物信号来说，其幅值范围可以从μV变化到mV级，范围太大，可能导致增益控制模块在调节增益时出现错误，所以，在MCU主控模块的程序设计中，首先将增益设置为较低的情况下，防止增益过大使电路性能受到破坏，再通过反馈检测现在的输出信号是否达到了伏特级别，具体方法为将输出信号接到单片机的模拟输入口，单片机将其采样后进行A/D转换可得知现在的输出信号的幅值，若没有达到伏特级别，则加大增益，通过反馈调节可以让输出信号的幅值保持在一个稳定的范围内，如图3所示，图3中4幅图为分别对应于图2中四种生物信号经本发明放大后的无失真仿真波形。

图5至图8为便携式多生物信号放大器外形简图正面、侧面以及背面示意图。

如图5所示，便携式多生物信号放大器外形简图正面包括放大器壳体1、设置在放大器壳体1正面的四种不同的生物信号选择按键开关2、3、4、5、电源指示灯6、正常工作指示灯7；放大器壳体1底部设有电源开关8，放大器壳体1侧面设有信号输入可伸缩端孔9、信号输出可伸缩端孔10、信号输入线11和信号输出线12。

如图6至图8所示，放大器壳体1背部设有松紧带伸缩口13，可伸缩松紧带14穿过松紧带伸缩口13设置，放大器壳体1背部顶端设有圆形挂圈卡槽16，用于放置圆形挂圈17；圆形挂圈17设有可拆卸椭圆形双挂扣18；放大器壳体1背部位于可伸缩松紧带14背后部分设有椭圆形小凹槽15，用于方便使用者拉出可伸缩松紧带14；

所述多生物信号放大器壳体1正面上有四种不同的生物信号选择按键开关2、3、4、5、电源指示灯6、和正常工作指示灯7。所述按键2、3、4、5用于使用时选择生物电信号的类型，按键2、3、4、5分别对应于脑电信号、眼电信号、心电信号和肌电信号，按键按下时该按键会点亮；所述电源指示灯6在放大器侧面下方的电源开关打开后点亮；所述正常工作指示灯7只有当信号输入线11有正常输入，信号输出线12有正常输出时才会常亮。

所述多生物信号放大器壳体1侧面有电源开关8、信号输入可伸缩端孔9、信号输出可伸缩端孔10、信号输入线11和信号输出线12。所述电源开关8用于整个***的供电选择；所述信号输入可伸缩端孔9和信号输出可伸缩端孔10用于放置未使用的信号输入线11和信号输出线12；所述信号输入线11和信号输出线12长度可伸缩，可方便的卷入信号输入可伸缩端孔9和信号输出可伸缩端孔10中；

所述多生物信号放大器壳体1背面有松紧带伸缩口13、可伸缩松紧带14、椭圆形小凹槽15、圆形挂圈卡槽16、圆形挂圈17和椭圆形双挂扣18。所述松紧带伸缩扣13在放大器壳体1背面有上下两个，用于扣住可伸缩松紧带14；所述可伸缩松紧带14不用时可紧贴放大器背部，其多余部分收缩于松紧带伸缩口13内部，当需戴在手腕上时可根据个人实际情况进行调整长度，可伸缩松紧带14长度足够长以满足使用者穿戴；所述椭圆形小凹槽15用于方便使用者拉出可伸缩松紧带14；所述圆形挂圈卡槽16用于放置未使用的圆形挂圈17；所述圆形挂圈17一端固定于圆形挂圈卡槽16且可转动，当其不用时收缩于圆形挂圈卡槽16内部，当其需要使用时不固定一端可从圆形挂圈卡槽16内部伸出，并连接于椭圆形双挂扣18的小挂扣一端；所述椭圆形双挂扣18在使用时小挂扣一端连接充电宝的圆形挂圈17，另一个大挂扣可悬挂于他物上，以达到便携的功能。

应用上述技术方案，以检测脑电信号为例，使用本发明提供的便携式多生物信号放大器时，具体分为以下几个步骤：

第一步，按下电源开关8，通过电源指示灯6可以看放大器是否电量充足，若看到电源指示灯1s亮、1s灭，说明电量不足，若看到电源指示灯常亮，说明电量充足。

第二步，按下脑电信号对应的Key1按键开关2，Key1按键开关2常亮表示选择成功，取出信号输入可伸缩端孔9中的信号输入线11，将信号输入线11上的检测电极放置于脑电信号所在位置，放置5s后观察正常工作指示灯7是否点亮，若正常工作指示灯7常亮，说明信号输入线11的检测电极放置位置合适，信号输入有效；若正常工作指示灯7出现1s亮、1s灭，说明信号输入线11的检测电极放置不稳定，导致信号输入时有时无；若正常工作指示灯7常灭，说明信号输入无效。

第三步，从信号输出可伸缩端孔10取出信号输出线12，将其连接到显示模块中，在显示模块中的显示屏中可以看到输出信号呈现一个逐渐增大到稳定的过程，这个过程将不超过3s，最终输出信号幅值稳定在1V左右。

第四步，检测完毕，取下信号输入线11卷入信号输入可伸缩端孔9中，将信号输出线12卷入信号输出可伸缩端孔10中，关闭电源开关8即可。

Claims (2)

1.一种便携式多生物信号放大器，其特征在于包括多信号采集模块、信号放大及衰减模块、MCU主控模块；多信号采集模块的信号输入端作为整个多生物信号放大器的信号输入端，信号输出端与信号放大及衰减模块的信号输入端相连；信号放大及衰减模块的衰减控制端与MCU主控模块的I/O端口相连，信号输出端作为整个多生物信号放大器的信号输出端；

所述的多信号采集模块主要包括生物体的脑电、眼电、心电以及肌电生物电信号的采集；

所述的信号放大及衰减模块包括斩波调制器、前置放大器、50Hz陷波器、缓冲器、放大隔离模块、衰减模块、斩波解调器和滤波器；多信号采集模块的信号输出端与斩波调制器的信号输入端相连；斩波调制器的信号输出端与前置放大器的信号输入端相连；前置放大器的信号输出端与50Hz陷波器的信号输入端相连；50Hz陷波器的信号输出端与缓冲器的信号输入端相连；缓冲器的信号输出端与放大隔离模块的信号输入端相连；放大隔离模块的信号输出端与衰减模块的信号输入端相连；衰减模块的信号输出端与斩波解调器的信号输入端相连，衰减控制端与MCU主控模块的I/O口相连；斩波解调器的信号输出端与滤波器的信号输入端相连；滤波器的信号输出端作为整个多生物信号放大器的信号输出端，接于后续的通信模块或其他功能模块；

所述的放大隔离模块由两个放大隔离单元串联构成，其中放大隔离单元包括一个主放大器和一个缓冲器；主放大器的信号输入端作为放大隔离单元的信号输入端，信号输出端与缓冲器的信号输入端相连；缓冲器的信号输出端作为放大隔离单元的信号输出端；

所述衰减模块由两个衰减单元串联构成，其中衰减单元包括一个主放大器、一个衰减器和一个缓冲器；主放大器的信号输入端作为衰减单元的信号输入端，信号输出端与衰减器的信号输入端相连；衰减器的信号输出端与缓冲器的信号输入端相连，衰减器的衰减控制端与MCU主控模块中单片机的I/O口相连；缓冲器的信号输出端作为衰减单元的信号输出端；

所述的MCU主控模块包括单片机最小***以及按键选择电路；按键选择电路的信号输出端与单片机最小***的第一信号输入端连接；信号放大及衰减模块中滤波器的信号输出端与单片机最小***的第二输入端连接；衰减模块中衰减器的衰减控制端与单片机最小***的信号输出端相连；

所述的按键选择电路用于选择生物电信号的种类；

所述的单片机最小***主要用于多生物信号放大器的自动增益控制。

2.如权利要求1所述的一种便携式多生物信号放大器，其特征在于所述单片机最小***的单片机根据读取的输出电压进行阈值判断，从而判断当前的增益控制是否合理，若不合理则采用递增方式改变增益。

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