基于STM32微處理器的脈搏微動數(shù)據(jù)檢測統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計

郭海濤 吳開澤

摘 要 微處理器的高性能和低功耗特性為可穿戴類設(shè)備的普及提供了技術(shù)支持，可穿戴設(shè)備的通用特征是具備對微動信號的自動檢測與數(shù)值統(tǒng)計功能，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要將信號采集、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理和數(shù)據(jù)輸出等功能進行集成設(shè)計，并要力求成品的體積微型化以便于攜帶。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代學(xué)徒制 高職院校 人才培養(yǎng)模式 契合度

中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.02.016

Abstract Microprocessor performance and low power consumption characteristics for the popularity of wearable devices to provide technical support， wearable devices have the common feature of the micro-signal detection and numerical automatic detection function in the system design process， the need of the signal acquisition， A/D conversion， signal processing and data output functions such as integrated design， and to miniaturize the finished product for easy carrying.

Keywords modern apprenticeship； vocational college； talent training mode； fit degree

0 引言

隨著健康觀念的提升，市場上出現(xiàn)了許多新穎的便攜式電子設(shè)備，體積小，可隨身攜帶，功耗低，具備特定的信號采集和數(shù)據(jù)處理能力，此類產(chǎn)品的流行離不開人們對健康有了更高的關(guān)注度，通常我們會稱它們?yōu)榭纱┐髟O(shè)備。可穿戴設(shè)備其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是電子軟硬件系統(tǒng)，這些設(shè)備能夠幫我們及時了解健康指數(shù)、步行頻率等內(nèi)容。此類設(shè)備的共通點是通過采集人體的微動數(shù)據(jù)并加以分析比較，來評測當(dāng)時的人體健康狀況。

常見的被測量量包括脈搏頻率、心跳頻率、計步數(shù)等，都屬于微動信號范疇。其中脈搏頻率的測量因便捷、實用性強受到重視，從脈搏信號中提取到的人體的生理信息能夠關(guān)系到疾病的前期預(yù)防和診斷，有重要應(yīng)用前景。在醫(yī)院內(nèi)部有測量脈搏的專業(yè)設(shè)備，體積大，價格貴，屬于醫(yī)療專用設(shè)備，難以普及。目前市面上一些小型的類似設(shè)備則精度較低、功耗偏高，能夠做到計數(shù)準(zhǔn)確、低功耗的設(shè)備比較少。在使用過程中，脈搏信號所呈現(xiàn)出的形態(tài)（波形）、強度（波幅）、速率（波速）和節(jié)律（周期）等方面的綜合信息，能直觀的反映出人體心血管系統(tǒng)的健康指數(shù)和病理特征，所以對脈搏信號的采集和處理應(yīng)是非常準(zhǔn)確的。考慮到人體的生理信號多屬于低頻弱信號，脈搏波信號更是低頻微弱的非電生理信號，必須經(jīng)過放大和后級濾波才能滿足采集的要求。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括四個環(huán)節(jié)：包括信號采集電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，嵌入式信號處理電路以及數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)，針對本電路的具體情況，設(shè)計電路圖如圖1所示：

信號采集模塊負(fù)責(zé)對脈搏信號進行頻率取樣，取樣結(jié)果為帶毛刺的鋸齒波，通過濾波對信息進行初步處理，然后設(shè)置合理的閾值并通過A/D轉(zhuǎn)換將脈動模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號，經(jīng)由以STM32嵌入式芯片為核心的數(shù)字信號處理單元進行計量和驅(qū)動輸出，在LED數(shù)顯模塊中將脈搏頻率顯示出來。

2 脈搏微動信號采集與A/D轉(zhuǎn)換

傳感器采用壓電薄膜傳感器，利用壓電薄膜的動態(tài)應(yīng)變片特性，可以將壓電薄膜直接固定在手腕內(nèi)側(cè)；壓電薄膜能探測位移量微小的物理信號，其PVDF膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動態(tài)范圍內(nèi)都是線性的。正常情況下，采集到的信號中，既包括目標(biāo)信號也包含噪聲信號，兩種信號疊加的波形如圖2中波峰曲線所示，脈搏信號和噪聲的帶寬是有明顯差異的，脈搏信號屬于低頻信號，采用低通濾波可將噪聲信號過濾掉，然后設(shè)定閾值電壓，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)由脈搏信號向數(shù)字脈沖信號的轉(zhuǎn)化，本系統(tǒng)中所設(shè)閾值為0.7mv，可將模擬信號有效轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

在系統(tǒng)設(shè)計中，采用STM32的ADC1通道1來采樣外部電壓值，其最大轉(zhuǎn)換速率為1MHz（最小轉(zhuǎn)換時間為1 s），通過代碼設(shè)置通道1的采樣時間：

ADC1->SMPR2&=～（7<<3）；//通道1采樣時間清空

ADC1->SMPR2|=7<<3；//提高采樣周期

ADC->CR2=1<<0；//開啟A/D轉(zhuǎn)換器

ADC->CR2=1<<3；//等待校準(zhǔn)結(jié)束

while（ADC1->CR2&1<<3）；//在校準(zhǔn)寄存器被初始化后該位被清除

ADC1->CR2&1<<2）；//開啟A/D轉(zhuǎn)換

while（ADC1->CR2&1<<2）；//等待校準(zhǔn)結(jié)束，獲取ADC值

……

3 STM32數(shù)字信號處理電路

STM32數(shù)字信號處理單元是脈搏信號檢測系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)傳感器輸入信號的讀取和數(shù)碼管輸出顯示電路的輸出控制。STM32芯片基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。STM32增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是32位系統(tǒng)的最佳選擇，內(nèi)置32K到128K的閃存，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，相當(dāng)于0.5mA/MHz。

通電后，首先進行程序初始化。主程序的初始化模塊主要完成芯片端口、單片機內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，整機初始化結(jié)束后，檢測I/O口的狀態(tài)，如果檢測到上升沿，則根據(jù)代碼程序檢測脈搏波動頻率，測得脈搏波動頻率之后，送到LCD顯示單元進行顯示，如圖3所示：

在信號處理過程中，它對輸入信號進行處理，并根據(jù)規(guī)則將輸入信號輸出到下一級，其主函數(shù)main函數(shù)中，作為核心要件的捕獲狀態(tài)的編程代碼如下：

int main（void）

{ u32 temp=0

Stm32_Clock_Init（9）；//系統(tǒng)時鐘設(shè)置

uart_init（72）；//串口初始化為9600

delay_init（72）；//延時初始化

LED_Init；//初始化與LED連接的硬件接口

TIM3_PWM_Init（899，72-1）；//不分頻

TIM5_Cap_Init（OXFFFF，72-1）；//以1MHz計數(shù)

while（1）

{delay_ms（10）

LED0_PWM_VAL++；

if（LED0_PWM_val==300）LED0_PWM_VAL=0；

if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）//捕獲到高電平

……

4 脈搏頻率數(shù)顯模塊

在脈搏信號數(shù)據(jù)完成采集和處理之后，為了使用者能夠直觀看到脈搏微動數(shù)據(jù)的數(shù)值，還需要用數(shù)顯模塊進行輸出，數(shù)顯模塊可以采用共陽極模式來驅(qū)動。在數(shù)顯模塊的設(shè)計中，STM32核心電路的輸出信號作為數(shù)顯模塊的輸入信號，經(jīng)由驅(qū)動邏輯和驅(qū)動電流的傳遞，實現(xiàn)信號的數(shù)字化，設(shè)備的使用者能夠在顯示屏上面看到微動數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，如果數(shù)值超過了正常范圍，該電路還會發(fā)出蜂鳴報警信號。

5 分析與總結(jié)

脈搏信號是微動信號的一種，其他類型的微動信號的檢測統(tǒng)計處理方法都與該系統(tǒng)有相似的軟硬件設(shè)計思路，只是微動數(shù)據(jù)的精度要求需因地制宜可能會有較大差異，導(dǎo)致信號采集過程所采用的傳感器模塊精度不同。在該系統(tǒng)中，功耗也是需要重點考慮的一個因素，這是便攜式應(yīng)用設(shè)備的共同特點，系統(tǒng)設(shè)計的核心部分是STM32核心電路的硬件電路的設(shè)計和軟件代碼的編寫。在頻率顯示模塊的設(shè)計過程中，微動測量類產(chǎn)品的信息顯示模塊的設(shè)計思路是具有共通性的，設(shè)計難度較小，一般具有較高的可移植性。

參考文獻

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