基于Cortex-M3處理器的紅外脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：設(shè)計了一種基于Cortex-M3處理器的紅外式脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了紅外式脈搏傳感器、抗混疊濾波調(diào)理電路和STM32F103VET6處理器等軟硬件設(shè)計的技術(shù)要點。此外，基于內(nèi)置USB接口模塊，系統(tǒng)實現(xiàn)了與上位機(jī)之間實時快速的數(shù)據(jù)通信。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)采集的脈搏波形清晰，滿足病理分析對脈搏波形的要求。

引言

　　從脈搏波信號中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù)，歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。脈搏波信號包含了大量的具有臨床醫(yī)學(xué)參考意義的信息，準(zhǔn)確、高效的采集和分析處理脈搏波信號對觀測人體生理病理信息有著重要意義^[1-2]。但是，掌握中醫(yī)診脈技巧難度較大，不僅需要名醫(yī)的指導(dǎo)傳授，更需要長時間的經(jīng)驗積累?？梢钥吹?，隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，借助儀器儀表實時獲取脈搏信息^[3-5] (例如脈象儀)，不僅能精確繪制脈搏波形，同時能進(jìn)行頻譜分析^[6]。而受到儀器自身體積和銷售價格的限制，脈象儀無法得到廣泛的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的便攜式脈搏測試裝置只能統(tǒng)計脈搏跳動的次數(shù)，不能反映出脈搏波形特征等重要信息。因此，本文設(shè)計一種低成本便攜式的脈搏波形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯得尤為迫切。

　　本文采用HKG-07B型紅外脈搏傳感器獲取人體指尖脈搏波信號，并基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與傳輸工作，可實現(xiàn)對患者的長時間實時監(jiān)護(hù)，利用上位機(jī)將存儲數(shù)據(jù)提交到專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步的分析和診斷。

1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了HKG-07B型紅外傳感器將脈搏波信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由處理器完成對波形的特征提取與識別任務(wù);采用DMA直接存取技術(shù)，不占用微控制器內(nèi)核工作時間，直接將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過USB總線方式傳送至PC機(jī)，由上位機(jī)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的波形還原、分析等工作。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)見圖1。圖中，虛線框內(nèi)的ADC轉(zhuǎn)換模塊、DMA傳輸模塊和USB接口模塊是基于處理器內(nèi)部資源完成的，既減小了設(shè)計開發(fā)難度，也節(jié)約了硬件成本。

　　系統(tǒng)中，處理器所承擔(dān)的工作任務(wù)較為繁重，既要實時的完成對前級輸入信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，同時還要對脈搏波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波形特征提取與識別，將轉(zhuǎn)換的脈搏波形數(shù)據(jù)以及波形特征提取、識別結(jié)果通過USB接口上傳至PC機(jī)系統(tǒng)。而系統(tǒng)所采用的STM32F103VET6芯片是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器。該芯片內(nèi)部資源豐富，集成USB、I²C和CAN等多種接口模塊，以及12位精度的AD轉(zhuǎn)換器和DMA控制器等功能模塊^[7]，運行速度快，最大時鐘頻率可達(dá)72MHz，而且功耗低，非常適合于本系統(tǒng)中。

1.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

　　在測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程中，不可避免地會有高頻干擾信號混雜在有用信號當(dāng)中。當(dāng)這些信號的頻率超過奈奎斯特采樣定理所規(guī)定的范圍時，會采集到一些不確定的信號并對有用信號造成干擾，即頻率混疊。為了最大程度地抑制或消除混疊現(xiàn)象對動態(tài)測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的影響，需要利用抗混疊濾波器將無用信號進(jìn)行衰減和濾除。

　　HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出信號幅值在0.2V～1V范圍內(nèi)，噪聲紋波大?？紤]到脈搏儀輸出波形頻率參數(shù)在0.8Hz～8Hz之間[8]，包含了高頻噪聲，由于該傳感器的輸出的有效信號頻率范圍極小，需要設(shè)計一種擁有更敏銳截止頻率的高品質(zhì)濾波器，實現(xiàn)對噪聲信號的濾除。

　　比較巴特沃斯、貝賽爾及切比雪夫低通濾波器的幅頻、相頻特性^[9-10]，可以得出，巴特沃斯濾波器有著最為平坦的通帶幅值響應(yīng)，但高于截止頻率的衰減度略小，相位線性度略差;貝賽爾濾波器的相位特性最好，但高于截止頻率的衰減度最小，且通帶幅值響應(yīng)較差;而切比雪夫濾波器在高于截止頻率時有著最大的衰減度，但相位線性度最差，且在通帶范圍內(nèi)會發(fā)生諧振現(xiàn)象。由于脈搏波濾波電路要求良好的相位線性特征，同時要求幅度響應(yīng)的平坦度要好，這兩方面的參數(shù)要求使得巴特沃斯濾波器成為一個最佳的選擇。

　　設(shè)計了一款4階有源正反饋巴特沃斯抗混疊濾波器，截止頻率設(shè)定為15Hz，用來濾除源信號以外的干擾信號;運算放大器選用TI公司的LF353N型芯片，該款芯片自身具備內(nèi)部電壓補(bǔ)償、寬增益帶寬、高轉(zhuǎn)換率、微功耗、高阻抗以及高響應(yīng)速度等優(yōu)勢，完全滿足本設(shè)計中信號調(diào)理電路的要求。

　　根據(jù)巴特沃斯LPF歸一化表格，可以得出抗混疊濾波器器件的參數(shù)選擇^[11]，根據(jù)信號固有頻率的要求選擇濾波器關(guān)鍵電容的數(shù)值大小為: C₁=C₂=C₅=C₆=0.1mF。由截止頻率計算公式，取R₁=R₂=R₅=R₆=R，則有：

　　代入數(shù)據(jù)，可計算出

　　設(shè)計的抗混疊濾波器由兩個二階巴特沃斯低通濾波電路級聯(lián)而成，根據(jù)巴特沃斯低通濾波器電路階數(shù)與增益之間的關(guān)系^[12]，四階巴特沃斯第一級增益A₁=1.152，第二級增益A₂=2.235，因此總的通帶增益:

　　A=A₁A₂=1.152×2.235≈2.575

　　現(xiàn)選R₃=10KΩ，R₇=10KΩ，則根據(jù)已知的增益可以計算出：

R₄=(1.152-1) R₃≈1.5KΩ

R₈=(2.235-1) R₇≈12.3KΩ

　　設(shè)計的抗混疊濾波電路如圖2所示，均選用1%精度的電阻及電容器件。

1.2 Cortex-M3處理器

1.2.1 ADC模塊

　　STM32F103VET6微控制器集成了3個12位精度的ADC，最大采樣率可達(dá)1MSPS。ADC總轉(zhuǎn)換時間為：

　　TCONV = 采樣時間 + 12.5個周期

　　其中AD轉(zhuǎn)換過程中有12.5個固有周期。

　　由于人體的心率一般為60～100次/分，嬰兒的心率可達(dá)到150次/分，一個脈搏的持續(xù)時間為400～1000ms。為了使獲得的脈搏波形包含足夠大的信息量，將ADC1時鐘配置為14MHz，采樣時間配置為1.5個周期，選用通道0進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，總轉(zhuǎn)換時間為：

　　TCONV = 1.5個周期 + 12.5個周期 = 14個周期 = 1ms，即達(dá)到最大1MSPS的采樣率。設(shè)置3.3V參考電壓，單通道軟件觸發(fā)模式連續(xù)轉(zhuǎn)換。

1.2.2 DMA模塊

　　直接存儲器存取(DMA)用來提供在外設(shè)和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計使用DMA1的通道1進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配置為最高優(yōu)先級循環(huán)傳輸模式。無須CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可以通過DMA快速地移動，節(jié)省了CPU的資源來完成對脈搏波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波形特征提取與識別操作。