脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李旭坤 劉文波 馬志強(qiáng) 衛(wèi)會(huì)軍 劉博

摘?要：本課題采用嵌入式與無(wú)線通訊技術(shù)，提出處理脈信號(hào)的新方案，即采集及處理與無(wú)線發(fā)送部分（前端系統(tǒng)）+無(wú)線接收與PC機(jī)顯示部分（后端系統(tǒng)）。前端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)脈搏信號(hào)的采集和初步處理并發(fā)送，能夠單獨(dú)工作;通過(guò)無(wú)線接收和串口接口連接到PC機(jī)上顯示，后端系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)跟蹤顯示由前端系統(tǒng)傳遞來(lái)的信號(hào)。正是有了無(wú)線接收模塊的作用，使得系統(tǒng)具備了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的能力。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);無(wú)線收發(fā)模塊;串口;傳感器

1 研究意義

脈搏是常見(jiàn)的生理現(xiàn)象，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反映;因此，脈搏檢測(cè)不僅為血壓測(cè)量、血流測(cè)量及其他生理檢測(cè)提供了生理參考信息，而且脈搏波本身也能給出許多有診斷價(jià)值的信息。中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測(cè)量技術(shù)在中醫(yī)診斷上的卓有成效的應(yīng)用。采用傳感器檢測(cè)脈搏，可較客觀地得到盡可能多的信息，更因?yàn)榇朔▽?duì)人體無(wú)創(chuàng)傷，且使用方便，易于被人們接受。

本課題采用光電傳感器提取脈搏信號(hào)，用嵌入式處理脈搏信號(hào)，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊（CC1100）遠(yuǎn)距離傳送，并在PC機(jī)上顯示.這樣就既能減少對(duì)人體的創(chuàng)傷的同時(shí)，也能遠(yuǎn)距離并可以在PC機(jī)上監(jiān)視，形成能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)人體脈搏的系統(tǒng)，為醫(yī)生的研究提供一個(gè)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2方案選擇

1、壓力傳感器：用壓力傳感器采集脈搏信號(hào)，原理是將脈搏跳動(dòng)產(chǎn)生的力通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。他的特點(diǎn)是跳動(dòng)的脈搏信號(hào)要強(qiáng)，如果跳動(dòng)信號(hào)弱，那么傳感器可能不能有效的反映出脈搏信號(hào)。要么就提高傳感器的精度，大家都知道提高一個(gè)器件的精度的代價(jià)是什么樣，而且使用時(shí)要用東西把他固定住，這也使得使用起來(lái)比較麻煩。

2、光電傳感器：用光電傳感器采集脈搏信號(hào)，原理是吸收紅外線穿透血管時(shí)血液濃度的改變而導(dǎo)致紅外線強(qiáng)度的改變使紅外線吸收傳感器產(chǎn)生電信號(hào)的變化來(lái)反映脈搏的變化。

3?主要芯片介紹

3.1 光電傳感器

BPW83型紅外接收二極管和IR333型紅外發(fā)射二極管工作波長(zhǎng)都是940 nm，在指夾中，紅外接收二極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大。

3.2 Atmega8515

ATmega8515是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8515 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

4 硬件部分

4.1 濾波部分

按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)240次/分計(jì)算來(lái)設(shè)計(jì)低通放大器。低通濾波器是一種用來(lái)傳輸?shù)皖l段信號(hào)，抑制高頻段信號(hào)的電路，當(dāng)信號(hào)的頻率高于某一特定的截止頻率fh時(shí)，通過(guò)該電路的信號(hào)就會(huì)被衰減，而頻率低于fh的信號(hào)則能無(wú)阻通過(guò)該濾波器。能通過(guò)的信號(hào)頻率范圍定義為通帶：阻止信號(hào)通過(guò)的范圍定義為阻帶，通帶與阻帶的分界點(diǎn)就是截止頻率fh。A0為通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，稱為通帶電壓增益。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率由小到大增加到使濾波器的放大倍數(shù)等于0.707A0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率就是截止頻率fh。

4.2 放大部分

由于脈搏傳感器阻抗高的特點(diǎn)，可以采用傳統(tǒng)的同相放大電路如圖4.3所示，由放大電路原理可以知道放大倍數(shù)公式為：

A=U1/U0=R17/R15

因?yàn)橥啾壤\(yùn)算電路在輸入差摸信號(hào)的同時(shí)伴隨著共摸信號(hào)輸入，因此共摸抑制比成為影響運(yùn)算誤差的重要因素。而在理想運(yùn)放的情況下的輸出電壓：

U輸出= [（R17/R15）+1]*U輸入

所以相對(duì)誤差公式為：

相對(duì)誤差δ=[（1+1/Kcmr）/（1+1/AodF）-1]*100%

所以當(dāng)開環(huán)差摸增益Aod，共摸抑制比Kcmr越大，相對(duì)誤差δ的數(shù)值就越小。

4.3 單片機(jī)的晶振和中央處理部分

單片機(jī)的晶振和中央處理部分電路圖如圖4.5.4所示：由于ATmega8515的使用晶振范圍是0-8MHz，所以在選擇晶振的時(shí)候必須在其范圍內(nèi)，否則就容易出錯(cuò)。考慮到寫程序的時(shí)候用到定時(shí)器定時(shí)，因此選擇6MHz的晶振，中央處理部分主要負(fù)責(zé)處理從PB0進(jìn)來(lái)的方波信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是經(jīng)過(guò)前面的555施密特整形電路整成方波之后送給單片機(jī)，因?yàn)榉讲ㄓ芯褪俏覀兯赖木匦尾ǎ母唠娖揭策_(dá)到單片機(jī)的要求，所以ATmega8515通過(guò)程序可以直接處理他，并將處理出來(lái)的信號(hào)傳給CC1100和數(shù)碼管，讓CC1100發(fā)送給上位機(jī)的接收部分，而數(shù)碼管則顯示1分鐘內(nèi)脈搏跳動(dòng)的次數(shù)。

5 系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證

硬件調(diào)試

硬件調(diào)試主要有以下幾步：

·檢查電路原理圖是否有錯(cuò)誤;

·根據(jù)電路原理圖檢查PCB圖是否有錯(cuò)誤：

·制板，根據(jù)PCB圖檢查PCB板是否有錯(cuò)誤，主要檢查是否有線粘連;

·焊件，測(cè)試各個(gè)元件管腳連接是否有錯(cuò)誤，并檢查是否有虛焊脫焊的問(wèn)題

針對(duì)不同模塊的硬件除了以上的調(diào)試外還應(yīng)該有相應(yīng)的調(diào)試方法。

5.2 軟件調(diào)試

由于程序調(diào)試是否成功，這是關(guān)鍵的一步，因?yàn)閱渭兊挠布o(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的。因此，對(duì)程序的調(diào)試就特別重要。調(diào)試這階段發(fā)生過(guò)的故障如：子程序在運(yùn)行時(shí)破壞現(xiàn)場(chǎng)，緩沖單元發(fā)生沖突，零位的建立和清除在設(shè)計(jì)上有失誤，堆棧區(qū)域有溢出等問(wèn)題。

采用單步運(yùn)行方式和斷點(diǎn)運(yùn)行方式對(duì)沒(méi)個(gè)子程序進(jìn)行調(diào)試，單步和斷點(diǎn)調(diào)試后，再進(jìn)行連續(xù)調(diào)試，這是因?yàn)閱尾竭\(yùn)行只能驗(yàn)證該子程序的正確與否，而不能確定定時(shí)精度、CPU的實(shí)時(shí)響應(yīng)等問(wèn)題。待全部完成后，應(yīng)反復(fù)運(yùn)行多次觀察。

5.3 整體調(diào)試

在硬件和軟件調(diào)試完成后，再結(jié)合到一起，即把軟件程序燒錄到單片機(jī)，再將單片機(jī)放到系統(tǒng)板上，上電運(yùn)行。對(duì)不完善的地放再進(jìn)行進(jìn)一步的修改處理，直到最后達(dá)到整個(gè)預(yù)期為至。

5.4 抗干擾措施

電子系統(tǒng)中的干擾源是多方面的，給系統(tǒng)調(diào)試造成很多問(wèn)題。經(jīng)過(guò)總結(jié)，我們的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的干擾原因主要有：系統(tǒng)與各元件接地策略的不盡合理、PCB的分布參數(shù)，電磁干擾等。為了盡量的減少千擾，必須采用符合本系統(tǒng)特點(diǎn)的抗干擾技術(shù)。

6 結(jié)果分析與展望

按照制作方案，可以達(dá)到本次研究的目的，但是這個(gè)處理過(guò)程比較麻煩，因?yàn)槊總€(gè)部分電路都受到外界的干擾。建議用A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，這樣就可以大幅度減少干擾，也便于單片機(jī)處理。在處理每個(gè)模塊的時(shí)候都要認(rèn)真，不管是大系統(tǒng)還是小系統(tǒng)，哪怕是一小的部分出了問(wèn)題，就導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

人體脈搏是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，它是人體輸送養(yǎng)料、傳遞能量和傳播各種生理病理信息的重要途徑，脈搏包含有豐富的人體健康狀況信息。研究脈搏信息無(wú)論是在中醫(yī)還是西醫(yī)中都具有重要的臨床診斷價(jià)值和實(shí)用意義。

參考文獻(xiàn)

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