基于虛擬儀器的心率監(jiān)測系統(tǒng)設計

王璠+高云紅+趙浩杰+郭鵬程+張慶新

摘要：設計了一種基于虛擬儀器的心率監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)、心率傳感器與上位機組成。STC12C5A60S2單片機具有片內AD轉換器，可以直接采集心率傳感器輸出信號，并通過串口發(fā)送測量數(shù)據(jù)至上位機。在上位機利用虛擬儀器設計軟件LABVIEW對采集的信息進行實時處理，實現(xiàn)心率的實時測量、心跳波形的實時顯示及數(shù)據(jù)存儲。該監(jiān)測系統(tǒng)體積小，功耗低，能對心電信號實時顯示和存儲，適合家庭使用，對心血管疾病的預防和長期監(jiān)護具有重要意義。

關鍵詞：單片機；虛擬儀器；心率監(jiān)測；光電脈搏傳感器

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0219-03

Abstract： A new type of heart rate detection system based on LABVIEW is developed in the paper. The system consists of STC12C5A60S2 MCU minimum system， heart rate sensor and computer machine. STC12C5A60S2 microcontroller with on-chip ADC can acquis heart rate sensor output signal directly， and send measurement data to PC machine through the serial port ， in the PC machine LabVIEW software is used to process collection information ， realize the real-time heart rate （HR） monitoring， display heartbeat waveform and storage data. The monitoring system has the advantages of small volume， low power consumption， real-time ECG signal display and storage， suitable for family use. And it has important significance for prevention and long-term monitoring of cardiovascular disease.

Key words： MCU； virtual instrument； heart rate detection； photoelectric pulse sensor

隨著生活水平的提高，家庭保健受到了越來越多地關注。心臟病是危害人類健康的頭號殺手，但心臟病的發(fā)作往往是隨機的、短暫的，患者難以及時趕到醫(yī)院進行心電檢查，從而影響到病因的及時診斷。研發(fā)一種成本低、可靠性強、適合家庭使用的實時心率監(jiān)測系統(tǒng)有著重要的意義[1-3]。本文提出了一種電路簡潔可靠，使用方便的心率監(jiān)測系統(tǒng)設計方案，可實時監(jiān)測心率變化并利用上位機顯示，極大地滿足了實際使用需求與市場需要。

1 系統(tǒng)硬件方案設計

針對本課題任務，系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機作為主控電路，并利用單片機片內10位高速ADC讀取傳感器測量信號。單片機與上位機間經由串口進行通信，僅占用兩根管腳，大大節(jié)省了單片機I/O資源。上位機可設置波特率等信息，并能顯示心跳波形及心率值。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[4]。

STC12C5A60S2單片機是深圳宏晶科技公司生產的增強型51單片機，完全兼容MCS-51指令，具有60K程序存儲器，1280B數(shù)據(jù)存儲器，4個定時器，4組8位并行I/O口?？紤]到本設計需要使用串口功能，因此使用11.0592MHz外部晶振構成時鐘電路，保證波特率精度。STC12C5A60S2單片機的A/D轉換口與P1口復用，共8路10位高速A/D轉換器，速度可達到 250KHz（25萬次/秒），足以分辨每60秒內僅100次左右的心跳。設計中使用P1.0口作為心率傳感器的A/D轉換接口。片內AD轉換器共涉及到8個相關寄存器，使用時可僅操作A/D轉換控制寄存器ADC_CONTR、P1口特殊功能寄存器P1ASF、以及結果寄存器ADC_RES。其中A/D轉換控制寄存器ADC_CONTR是使用片內ADC的關鍵。該寄存器共8位，用于設置ADC電源、轉換速度、通道選擇等，如表1所示。

心率測量通過光電式脈搏傳感器實現(xiàn)。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產生的，在人體指尖組織中的動脈成分含量高，且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大，因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。在恒定波長光源的照射下，通過檢測透過手指的光強可以間接測量到人體的脈搏信號，即可得到心率值。

2 軟件設計

系統(tǒng)上電后，設置定時中斷間隔，啟動片內AD轉換，啟動串口通信。上位機經過串口向單片機發(fā)送檢測閾值，單片機產生中斷，在串口中斷服務程序中向上位機發(fā)送心率數(shù)據(jù)。上位機使用LabVIEW軟件進行程序設計。LabVIEW是一種圖形化編程語言，功能強大，能夠實時顯示測量波形，十分適合本系統(tǒng)使用[5]。

2.1 主程序設計

在主程序中，首先進行定時器初始化、串口初始化以及ADC初始化，用于心跳周期測量、串口數(shù)據(jù)發(fā)送以及A/D轉換。之后循環(huán)執(zhí)行A/D轉換，心率計算程序。其流程如圖2所示。在進入串口中斷服務子程序后，關閉串口中斷，避免發(fā)送數(shù)據(jù)產生重復中斷。依次發(fā)送AD值與心率值，發(fā)送完成后再次打開串口中斷返回。定時器每1ms中斷一次，中斷服務函數(shù)中以計數(shù)變量計時，計數(shù)變量在心率測量函數(shù)中進行清零。

2.2 心率計算程序設計

心率計算使用測周法，即測量心跳波形周期，進而推算心率。心跳波形中每個周期會出現(xiàn)一高一低兩個波峰，需進行過濾處理。具體方法是在上位機設定檢測閾值，只有幅值大于閾值的波峰可被檢測。下位機測量時，根據(jù)閾值自動濾掉較低的波峰，以較高的波峰為準測量周期。使用定時器定時并利用計數(shù)變量計算周期，第一次檢測到波峰時開始計時，第二次檢測到波峰時停止計時，便可得到心跳周期。心率計算公式：BPM=60/T，其中BPM為心率值，T為心跳周期。心率計算程序流程圖如圖3所示。

2.3 LabVIEW程序

本設計使用LabVIEW設計虛擬儀器來顯示心跳波形、心率值以及串口波特率等信息。使用虛擬儀器省去了額外的人機交互設備，極大地降低了系統(tǒng)成本。本設計虛擬儀器界面如圖4所示。設計中使用串口進行上位機與下位機通信，在LabVIEW程序中使用“VISA配置串口”進行串口配置，可設置：端口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位。配置完串口后，使用“VISA寫入”將心率監(jiān)測閾值發(fā)送至下位機。在發(fā)送之前，需要對輸入值進行數(shù)據(jù)格式轉換，將“U8”數(shù)值轉換為字符串，以便利用“VISA寫入”經串口發(fā)送至下位機。當下位機接收到數(shù)據(jù)并產生中斷后，將向上位機發(fā)送5字節(jié)數(shù)據(jù)，包括波形數(shù)據(jù)與心率值。使用“VISA讀入”函數(shù)進行接收，并設置接收5字節(jié)數(shù)據(jù)。

上位機接收到下位機發(fā)送的5字節(jié)數(shù)據(jù)，并以字符串形式存儲，為了最終顯示，需進行格式轉換。首先使用“字符串至數(shù)值數(shù)組轉換”函數(shù)，將接收到的字符串轉換為數(shù)值數(shù)組，之后進行數(shù)組索引，提取各字節(jié)數(shù)據(jù)。前4字節(jié)為波形數(shù)據(jù)，需要轉換為ASCII碼形式，并進行組合以供“波形圖表”控件進行使用。最后一字節(jié)為心率值，可直接顯示。程序如圖5所示。

3 結論

在調試過程中反復對AD采集功能進行了驗證，系統(tǒng)能夠保證可以準確地采集到傳感器值；對心率計算程序進行測試，上位機可以接收到合理的心率值；多次開關上位機后均可得到心率值；多次調整檢測閾值后，心率值獲取不受影響；心率值可隨具體情況實時變化。通過對上位機進行測試，預定波形可正確顯示、實時變化，波特率等信息可自由設置。測試結果如圖6所示。

根據(jù)實驗結果，本設計實現(xiàn)了任務要求。系統(tǒng)可以實時檢測心率；可以顯示心跳波形與心率值；上位機顯示正常，無卡頓等問題。但是由于設計時間較短，上位機界面比較簡單，顯示信息也較少。另外心率測量算法有待進一步完善，測量值有時不夠穩(wěn)定。

參考文獻：

[1] 鄭誠，余珊南，祝永華，等.一種基于ARM 的便攜式心率監(jiān)測儀的設計[J]. 微型機與應用， 2014 ，33（5）：27-29.

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[5] 李喆，盧廣文，莫莉，等.基于LabVIEW的虛擬心電記錄系統(tǒng)研制[J]. 微計算機信息，2007（37）：14-16.