基于STM32微處理器的脈搏微動數據檢測統計系統設計

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備的普及提供了技術支持，可穿戴設備的通用特征是具備對微動信號的自動檢測與數值統計功能，在系統設計過程中，需要將信號采集、A/D轉換、信號處理和數據輸出等功能進行集成設計，并要力求成品的體積微型化以便于攜帶。

關鍵詞 現代學徒制 高職院校 人才培養模式 契合度

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：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，市場上出現了許多新穎的便攜式電子設備，體積小，可隨身攜帶，功耗低，具備特定的信號采集和數據處理能力，此類產品的流行離不開人們對健康有了更高的關注度，通常我們會稱它們為可穿戴設備。可穿戴設備其內部結構都是電子軟硬件系統，這些設備能夠幫我們及時了解健康指數、步行頻率等內容。此類設備的共通點是通過采集人體的微動數據并加以分析比較，來評測當時的人體健康狀況。

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系到疾病的前期預防和診斷，有重要應用前景。在醫院內部有測量脈搏的專業設備，體積大，價格貴，屬于醫療專用設備，難以普及。目前市面上一些小型的類似設備則精度較低、功耗偏高，能夠做到計數準確、低功耗的設備比較少。在使用過程中，脈搏信號所呈現出的形態（波形）、強度（波幅）、速率（波速）和節律（周期）等方面的綜合信息，能直觀的反映出人體心血管系統的健康指數和病理特征，所以對脈搏信號的采集和處理應是非常準確的。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，必須經過放大和后級濾波才能滿足采集的要求。

1 硬件系統總體設計

系統的硬件電路設計主要包括四個環節：包括信號采集電路，A/D轉換電路，嵌入式信號處理電路以及數據顯示環節，針對本電路的具體情況，設計電路圖如圖1所示：

信號采集模塊負責對脈搏信號進行頻率取樣，取樣結果為帶毛刺的鋸齒波，通過濾波對信息進行初步處理，然后設置合理的閾值并通過A/D轉換將脈動模擬信號轉化為數字脈沖信號，經由以STM32嵌入式芯片為核心的數字信號處理單元進行計量和驅動輸出，在LED數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轉換

傳感器采用壓電薄膜傳感器，利用壓電薄膜的動態應變片特性，可以將壓電薄膜直接固定在手腕內側；壓電薄膜能探測位移量微小的物理信號，其PVDF膜的壓電響應在相當大的動態范圍內都是線性的。正常情況下，采集到的信號中，既包括目標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，然后設定閾值電壓，結合A/D轉換模塊，可以實現由脈搏信號向數字脈沖信號的轉化，本系統中所設閾值為0.7mv，可將模擬信號有效轉化為數字信號。

在系統設計中，采用STM32的ADC1通道1來采樣外部電壓值，其最大轉換速率為1MHz（最小轉換時間為1 s），通過代碼設置通道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轉換器

ADC->CR2=1<<3；//等待校準結束

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

ADC1->CR2&1<<2）；//開啟A/D轉換

while（ADC1->CR2&1<<2）；//等待校準結束，獲取ADC值

……

3 STM32數字信號處理電路

STM32數字信號處理單元是脈搏信號檢測系統的核心部分，主要負責傳感器輸入信號的讀取和數碼管輸出顯示電路的輸出控制。STM32芯片基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。STM32增強型系列時鐘頻率達到72MHz，是32位系統的最佳選擇，內置32K到128K的閃存，從閃存執行代碼，STM32功耗36mA，相當于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、單片機內專用寄存器的設定，整機初始化結束后，檢測I/O口的狀態，如果檢測到上升沿，則根據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，并根據規則將輸入信號輸出到下一級，其主函數main函數中，作為核心要件的捕獲狀態的編程代碼如下：

int main（void）

{ u32 temp=0

Stm32_Clock_Init（9）；//系統時鐘設置

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

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 脈搏頻率數顯模塊

在脈搏信號數據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據的數值，還需要用數顯模塊進行輸出，數顯模塊可以采用共陽極模式來驅動。在數顯模塊的設計中，STM32核心電路的輸出信號作為數顯模塊的輸入信號，經由驅動邏輯和驅動電流的傳遞，實現信號的數字化，設備的使用者能夠在顯示屏上面看到微動數據的具體數值，如果數值超過了正常范圍，該電路還會發出蜂鳴報警信號。

5 分析與總結

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計處理方法都與該系統有相似的軟硬件設計思路，只是微動數據的精度要求需因地制宜可能會有較大差異，導致信號采集過程所采用的傳感器模塊精度不同。在該系統中，功耗也是需要重點考慮的一個因素，這是便攜式應用設備的共同特點，系統設計的核心部分是STM32核心電路的硬件電路的設計和軟件代碼的編寫。在頻率顯示模塊的設計過程中，微動測量類產品的信息顯示模塊的設計思路是具有共通性的，設計難度較小，一般具有較高的可移植性。

參考文獻

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