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(jì)

1.2.3 USB模塊

　　芯片集成的USB2.0通信模塊，不需要外接USB控制芯片，為微控制器和PC主機(jī)所實(shí)現(xiàn)的功能之間提供了符合USB規(guī)范的通信連接。微控制器和PC主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)共享一個(gè)專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)完成。USB模塊同PC主機(jī)通信，根據(jù)USB規(guī)范實(shí)現(xiàn)令牌分組檢測(cè)，數(shù)據(jù)發(fā)送、接收處理和握手分組處理，CRC的生成和校驗(yàn)，整個(gè)傳輸?shù)母袷接商幚砥骷傻挠布刂破魍瓿伞?/p>

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)軟件程序在RealView MDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用C語(yǔ)言編寫完成。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，按要求完成時(shí)鐘控制、ADC、DMA、中斷控制器、GPIO以及USB模式的配置工作，然后使能USB并啟動(dòng)ADC采集功能，延時(shí)一段時(shí)間等待系統(tǒng)穩(wěn)定，以避免系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)誤碼。開(kāi)始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸工作，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，處理器進(jìn)行脈搏波數(shù)據(jù)的波形特征提取與識(shí)別，并將分析結(jié)果通過(guò)USB發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

　　脈搏波形是一種周期信號(hào)，通過(guò)計(jì)算相鄰兩個(gè)波形的最大值間隔的時(shí)間即可得出脈率，同時(shí)計(jì)算單個(gè)脈搏波的最小值，則脈搏波的峰-峰值可由最大值與最小值之差得出。HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出信號(hào)幅值在0.2V～1V范圍內(nèi)，抗混疊濾波器增益為2.575，為了顯示出沒(méi)有脈搏信號(hào)時(shí)的水平線，將輸入信號(hào)電位抬升0.6V，則采集得到的信號(hào)幅值范圍為0.6V～3.175V。選取2.5V信號(hào)幅值為示意臨界值，正常人的心率范圍為60～100次/分，當(dāng)處理器計(jì)算出脈搏波形數(shù)據(jù)異常(幅值小于2.5V，脈率小于60次/分或大于100次/分)，向計(jì)算機(jī)發(fā)送異常結(jié)果及指令，提醒注意。

　　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

　　STM32微控制器的ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要占用內(nèi)核，但是利用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程不耗用內(nèi)核時(shí)鐘周期，方便了處理器進(jìn)行脈搏波形數(shù)據(jù)的特征提取與識(shí)別任務(wù)。因此，可以避免普通數(shù)據(jù)傳送模式過(guò)程中，大量占用CPU資源，出現(xiàn)對(duì)部分采集到的波形數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象[13]，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)傳送的要求，提高了脈搏波形信號(hào)的采集效率以及完整度。

3 系統(tǒng)測(cè)試

　　采集系統(tǒng)硬件預(yù)留TP1為脈搏儀輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，TP3為信號(hào)調(diào)理電路輸出測(cè)試點(diǎn)。通過(guò)USB接口電纜連接采集板與PC機(jī)，采集板上的LED電源指示燈亮，說(shuō)明系統(tǒng)供電正常。紅外脈搏儀通過(guò)3.5mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口與采集板相連接。使用Agilent公司生產(chǎn)的DSO-X 2012A型示波器進(jìn)行測(cè)量。

　　將紅外傳感器接入系統(tǒng)的傳感器接口，示波器測(cè)得的原信號(hào)波形與處理后的波形如圖4所示。通道1測(cè)得的波形為HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出波形(上)，通道2測(cè)得的波形為采集板信號(hào)調(diào)理電路輸出信號(hào)波形(下)。信號(hào)經(jīng)過(guò)4階巴特沃斯抗混疊濾波器后，噪聲得到了明顯的抑制，輸出信號(hào)明顯比傳感器原始輸出信號(hào)光滑。

　　利用上位機(jī)軟件進(jìn)行分組測(cè)試。上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次濾波處理，以使得到的波形更加平滑，如圖5所示，分別為采集的2位測(cè)試者的脈搏波形。

　　由測(cè)試結(jié)果可知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的完成了數(shù)據(jù)采集任務(wù)，采集波形清晰完整，無(wú)明顯失真現(xiàn)象，USB數(shù)據(jù)傳輸未出現(xiàn)誤碼，工作正常穩(wěn)定。

4 結(jié)論

　　采用Cortex-M3內(nèi)核32位處理器設(shè)計(jì)紅外式脈搏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一次成功的嘗試。系統(tǒng)研制過(guò)程中，STM32F103VET6處理器內(nèi)部集成高速ADC模塊和USB接口模塊等豐富的資源為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多便利。此外，抗混疊濾波器在抑制干擾噪聲方面的優(yōu)勢(shì)也是系統(tǒng)成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵之一?？梢灶A(yù)見(jiàn)，探索脈搏信號(hào)波形特征與生理疾病之間的內(nèi)在聯(lián)系，并將其應(yīng)用于實(shí)際，必將成為醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)的又一研究熱點(diǎn)。最后，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究數(shù)字化抗混疊濾波器，從而克服采用分立元件設(shè)計(jì)電路固有的參數(shù)漂移等諸多弊端，也必將進(jìn)一步提升系統(tǒng)綜合性能。

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