脈搏監(jiān)測系統設計

李旭坤 劉文波 馬志強 衛(wèi)會軍 劉博

摘?要：本課題采用嵌入式與無線通訊技術，提出處理脈信號的新方案，即采集及處理與無線發(fā)送部分（前端系統）+無線接收與PC機顯示部分（后端系統）。前端系統主要負責脈搏信號的采集和初步處理并發(fā)送，能夠單獨工作;通過無線接收和串口接口連接到PC機上顯示，后端系統主要負責跟蹤顯示由前端系統傳遞來的信號。正是有了無線接收模塊的作用，使得系統具備了遠程監(jiān)測的能力。

關鍵詞：嵌入式系統;無線收發(fā)模塊;串口;傳感器

1 研究意義

脈搏是常見的生理現象，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反映;因此，脈搏檢測不僅為血壓測量、血流測量及其他生理檢測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值的信息。中醫(yī)脈象診斷技術就是脈搏測量技術在中醫(yī)診斷上的卓有成效的應用。采用傳感器檢測脈搏，可較客觀地得到盡可能多的信息，更因為此法對人體無創(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，用嵌入式處理脈搏信號，通過無線收發(fā)模塊（CC1100）遠距離傳送，并在PC機上顯示.這樣就既能減少對人體的創(chuàng)傷的同時，也能遠距離并可以在PC機上監(jiān)視，形成能遠程監(jiān)測人體脈搏的系統，為醫(yī)生的研究提供一個有效的數據基礎。

2方案選擇

1、壓力傳感器：用壓力傳感器采集脈搏信號，原理是將脈搏跳動產生的力通過傳感器轉化為電信號。他的特點是跳動的脈搏信號要強，如果跳動信號弱，那么傳感器可能不能有效的反映出脈搏信號。要么就提高傳感器的精度，大家都知道提高一個器件的精度的代價是什么樣，而且使用時要用東西把他固定住，這也使得使用起來比較麻煩。

2、光電傳感器：用光電傳感器采集脈搏信號，原理是吸收紅外線穿透血管時血液濃度的改變而導致紅外線強度的改變使紅外線吸收傳感器產生電信號的變化來反映脈搏的變化。

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，產生的發(fā)射強度就越大。

3.2 Atmega8515

ATmega8515是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8515 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

4 硬件部分

4.1 濾波部分

按人體脈搏在運動后最高跳動次數達240次/分計算來設計低通放大器。低通濾波器是一種用來傳輸低頻段信號，抑制高頻段信號的電路，當信號的頻率高于某一特定的截止頻率fh時，通過該電路的信號就會被衰減，而頻率低于fh的信號則能無阻通過該濾波器。能通過的信號頻率范圍定義為通帶：阻止信號通過的范圍定義為阻帶，通帶與阻帶的分界點就是截止頻率fh。A0為通帶內的電壓放大倍數，稱為通帶電壓增益。當輸入信號的頻率由小到大增加到使濾波器的放大倍數等于0.707A0時，所對應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，可以采用傳統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公式為：

A=U1/U0=R17/R15

因為同相比例運算電路在輸入差摸信號的同時伴隨著共摸信號輸入，因此共摸抑制比成為影響運算誤差的重要因素。而在理想運放的情況下的輸出電壓：

U輸出= [（R17/R15）+1]*U輸入

所以相對誤差公式為：

相對誤差δ=[（1+1/Kcmr）/（1+1/AodF）-1]*100%

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

4.3 單片機的晶振和中央處理部分

單片機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候必須在其范圍內，否則就容易出錯?？紤]到寫程序的時候用到定時器定時，因此選擇6MHz的晶振，中央處理部分主要負責處理從PB0進來的方波信號，這個信號是經過前面的555施密特整形電路整成方波之后送給單片機，因為方波有就是我們所知道的矩形波，它的高電平也達到單片機的要求，所以ATmega8515通過程序可以直接處理他，并將處理出來的信號傳給CC1100和數碼管，讓CC1100發(fā)送給上位機的接收部分，而數碼管則顯示1分鐘內脈搏跳動的次數。

5 系統調試與驗證

硬件調試

硬件調試主要有以下幾步：

·檢查電路原理圖是否有錯誤;

·根據電路原理圖檢查PCB圖是否有錯誤：

·制板，根據PCB圖檢查PCB板是否有錯誤，主要檢查是否有線粘連;

·焊件，測試各個元件管腳連接是否有錯誤，并檢查是否有虛焊脫焊的問題

針對不同模塊的硬件除了以上的調試外還應該有相應的調試方法。

5.2 軟件調試

由于程序調試是否成功，這是關鍵的一步，因為單純的硬件無法實現預期的目的。因此，對程序的調試就特別重要。調試這階段發(fā)生過的故障如：子程序在運行時破壞現場，緩沖單元發(fā)生沖突，零位的建立和清除在設計上有失誤，堆棧區(qū)域有溢出等問題。

采用單步運行方式和斷點運行方式對沒個子程序進行調試，單步和斷點調試后，再進行連續(xù)調試，這是因為單步運行只能驗證該子程序的正確與否，而不能確定定時精度、CPU的實時響應等問題。待全部完成后，應反復運行多次觀察。

5.3 整體調試

在硬件和軟件調試完成后，再結合到一起，即把軟件程序燒錄到單片機，再將單片機放到系統板上，上電運行。對不完善的地放再進行進一步的修改處理，直到最后達到整個預期為至。

5.4 抗干擾措施

電子系統中的干擾源是多方面的，給系統調試造成很多問題。經過總結，我們的數據采集系統的干擾原因主要有：系統與各元件接地策略的不盡合理、PCB的分布參數，電磁干擾等。為了盡量的減少千擾，必須采用符合本系統特點的抗干擾技術。

6 結果分析與展望

按照制作方案，可以達到本次研究的目的，但是這個處理過程比較麻煩，因為每個部分電路都受到外界的干擾。建議用A/D轉換把模擬信號轉化為數字信號，這樣就可以大幅度減少干擾，也便于單片機處理。在處理每個模塊的時候都要認真，不管是大系統還是小系統，哪怕是一小的部分出了問題，就導致整個系統無法正常工作。

人體脈搏是心血管系統的重要組成部分，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。研究脈搏信息無論是在中醫(yī)還是西醫(yī)中都具有重要的臨床診斷價值和實用意義。

參考文獻

[1]?黃智偉，朱衛(wèi)華.433MHz單片機射頻收發(fā)芯片nRF401[J].世界電子元器件，2001

[2]?李朝青.PC機及單片機數據通信技術[M].北京：科學出版社，2003