基于嵌入式ATmega8515的脈搏檢測與無線傳輸系統(tǒng)研究

張志通，王 博

（1.北華航天工業(yè)學院 電子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊無線電管理局，河北 廊坊 065000）

基于嵌入式ATmega8515的脈搏檢測與無線傳輸系統(tǒng)研究

張志通1，王 博2

（1.北華航天工業(yè)學院 電子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊無線電管理局，河北 廊坊 065000）

結合嵌入式與無線傳輸?shù)认嚓P技術，提出了一種基于嵌入式的無線脈搏傳輸與檢測系統(tǒng).該系統(tǒng)可以對人體脈搏波參數(shù)進行采集分析，并在PC機上采用LabVIEW界面顯示人體手腕溫度、脈搏波形信號波形和頻率.同時，還能夠通過開啟遠程監(jiān)控系統(tǒng)對人體脈搏的數(shù)據(jù)進行分析，方便醫(yī)生遠程診斷.

嵌入式系統(tǒng)；無線傳輸；脈搏信號；遠程監(jiān)控

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，生活方式、飲食結構不斷改變，習慣的變化和高節(jié)奏的生活導致高血壓、冠心病這類心血管疾病成為常見病與多發(fā)病.有效的早期診斷治療方法和設備成為預防這類疾病的重要措施.脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信息源，是反映人體健康狀況的重要窗口，因此利用脈搏信號快速及時地發(fā)現(xiàn)病情是一種有效的方法.目前醫(yī)院通常采用汞柱式血壓脈搏測量儀對患者進行檢測，但這種傳統(tǒng)的脈搏檢測必須要求醫(yī)生與患者面對面檢測，這樣會給部分行動不便的患者造成麻煩.目前國內(nèi)在研究脈搏信號提取方面有一定的成果，但是還停留在傳統(tǒng)的醫(yī)患面對面診斷階段.脈搏檢測與無線傳輸系統(tǒng)可以完成信號的快速提取與傳輸，在醫(yī)院提取行動不便患者的脈搏信號通過無線傳輸近距離給醫(yī)生，或者在家里通過開啟遠程監(jiān)控系統(tǒng)對人體脈搏的數(shù)據(jù)進行分析，可以使醫(yī)生完成對患者的遠程診斷.

1 總體設計方案

結合嵌入式與無線傳輸?shù)认嚓P技術，提出了一種基于嵌入式的無線脈搏傳輸與檢測系統(tǒng).使用下位機通過光電傳感器提取手腕脈搏信號，用嵌入式ATmega8515處理脈搏信號，通過無線收發(fā)模塊遠距離傳送，并在PC機上采用LabVIEW界面顯示人體溫度、脈搏信號波形信號和脈搏頻率，也能夠形成能遠程監(jiān)測人體脈搏的系統(tǒng)，為醫(yī)生的診斷提供有效的數(shù)據(jù)基礎，如圖1所示.

圖1 無線脈搏傳輸與檢測系統(tǒng)流程圖

2 硬件電路設計

2.1 下位機部分

通常，人體脈搏所呈現(xiàn)出的波形、強度、振幅、頻率等信息，很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征.然而，人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號，需要選擇合適的硬件參數(shù)和設計相應的調(diào)理電路來保證檢測到脈搏信號的準確性[1].

2.1.1 脈搏傳感器

由于脈搏信號屬于主動信號，信號幅度很小，而且極容易受到人體其它低頻假象信號的干擾.假象干擾信號有時比所需的信號強得多，因此選擇測量傳感器對脈搏信號的提取最為關鍵.我們采用BPW83型透射式傳感器與DS18B20溫度傳感器采集人體脈搏信號與溫度[2].

2.1.2 信號處理電路

人體脈搏信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點，而且處于嚴重的背景噪聲之中.為了檢測出脈搏信號的最大保真度，系統(tǒng)使用的模擬信號處理電路由傳感器電路、前置放大電路、濾波電路、放大電路、整形電路組成，如圖2所示.

圖2 模擬信號處理電路

脈搏信號的采集實際上是通過紅外接收二極管，在有脈和無脈時暗電流的微弱變化，再經(jīng)過UB的放大而得到的所采集到的信號為2 μV左右的電壓信號；由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成有源二階低通濾波器電路，對信號進行低通濾波.信號從C9的2端輸入，而C9則對信號再次過濾，把前面留有的暗電流進一步濾掉.運放OP07，R15與R17組成一個放大倍數(shù)可調(diào)的主電路對過濾后的信號進行放大.由于經(jīng)過濾波放大電路之后的信號波形是模擬的，其上升沿和下降沿比較平緩，不能被單片機直接獲取.因此，通過比較器LM393將這種平緩的波形變換為方波形式的波形比較陡峭的脈沖信號.

2.1.3 嵌入式處理器

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(shù)據(jù)吞吐率高達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.（ALU）相連接，使得一條指令可以在1個時鐘周期內(nèi)同時訪問2個獨立的寄存器.這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率.

ATmega8515具有以下特點：8 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，1個外部存儲器接口，35個通用I/O 口線，32個通用工作寄存器，兩個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，1個SPI串行端口，以及3個可以通過軟件進行選擇的省電模式.

經(jīng)過前面的信號處理電路后送給端口NIT0，ATmega8515通過程序?qū)⑻幚沓鰜淼男盘杺鹘oNRF24L01和LCD1602，讓NRF24L01發(fā)送給上位機的接收部分，而LCD1602則顯示脈搏溫度和跳動的次數(shù).

2.1.4 數(shù)碼顯示部分

LCD1602液晶為5 V電壓驅(qū)動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個字符ASCII字符集字庫.將1602的8位數(shù)據(jù)口與ATmega8515的P0口相連接.當R/W腳 （1602第5腳）為低電平時為寫操作狀態(tài)，而當RS（第4腳）為低電平時為寫指令，當RS（第4腳）為高電平時為寫數(shù)據(jù).通過對1602寫入指令和寫入數(shù)據(jù)來進行顯示脈搏溫度和跳動的次數(shù).引腳3所接的可變電阻是作為1602的背光調(diào)節(jié).其液晶顯示電路的具體電路，如圖3所示.

2.1.5 無線發(fā)送接收模塊

NRF24L01無線收發(fā)模塊是工作在2.4-2.5 GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片.無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器.創(chuàng)新地采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24 bits連續(xù)突發(fā)錯誤，支持在線編程，3.3-5 V寬電壓范圍工作.

2.2 上位機部分

上位機部分包含無線接收模塊部分、數(shù)據(jù)處理部分和串口部分.整個部分完成的主要功能是接收下位機發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行相應的處理，通過串口與PC機進行串口通訊.

無線接收模塊部分與無線發(fā)送模塊部分連接電路是一樣的，不同的是它只是做為一個接收，它們兩個和起來才能完成無線傳送的功能.它與ATmega8515的接口電路與下位機部分的接口電路基本是一樣的，可以參照圖4所示.ATmega8515將NRF24L01接收到的數(shù)據(jù)通過RXD與TXD與串口接口與PC口通訊

圖3 LCD1602顯示控制電路

圖4 無線發(fā)送模塊在下位機的連接圖

3 軟件設計

軟件設計開發(fā)和調(diào)試采用匯編語言和C語言混合編程，使用KELL C51軟件對程序進行編輯、編譯和調(diào)試，使用PROTEUS進行電路的仿真調(diào)試.軟件部分包括下位機程序模塊和上位機程序模塊和LabVIEW顯示模塊[3].

3.1 下位機程序設計

程序的主要思路是利用計數(shù)器統(tǒng)計2次脈沖之間的時間，即可得出心跳1次的時間，然后便可以得出1 min的脈搏數(shù).由于ATmega8515的精確度非常高，所以該方法精度較高，程序的流程圖如圖5所示.

3.2 上位機程序設計

NRF24L01接收從下位機發(fā)送來的溫度與脈搏數(shù)據(jù)，然后ATmega8515將其轉換成能夠顯示的顯示數(shù)據(jù)并送給PC機進行顯示，如圖6所示.

圖5 下位機程序流程圖

圖6 上位機程序流程圖

3.3 LabVIEW顯示部分設計

LabVIEW是美國NI公司推出的一門圖形化編程語言，它是通過軟件把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起實現(xiàn)硬件設備的通信.

根據(jù)產(chǎn)品設計的需要，從節(jié)約成本環(huán)節(jié)考慮我們采用LabVIEW通過VISA與串行接口儀器通信.VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口（API），它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶提供了一套獨立的可方便調(diào)用的標準I/O底層函數(shù).用戶調(diào)用相應的標準函數(shù)，VISA就會根據(jù)實際接口類型自動調(diào)取相應的接口驅(qū)動程序例程，將通過串口接收到的數(shù)據(jù)在設計好的LabVIEW界面進行顯示人體溫度、脈搏波形信號波形和頻率等[4]，如圖7所示.

4 結語

由于下位機處理的數(shù)據(jù)量比較大，而無線發(fā)送與接收模塊速率跟不上下位機處理數(shù)據(jù)速率，這樣會造成接收到的部分波形失真，因此還需要在速率匹配方面進行相關改進.總體來說，設計的搏檢測與無線傳輸系統(tǒng)在PC機顯示界面的脈搏與溫度數(shù)據(jù)和下位機數(shù)據(jù)相同，同時還能夠通過開啟遠程監(jiān)控系統(tǒng)對人體脈搏的數(shù)據(jù)進行分析，這樣可以解決部分行動不便患者的脈搏診斷問題[5].由于采用ATmega8515嵌入式處理器，大大減小了脈搏檢測儀的體積，攜帶方便，有利于廣泛的推廣和應用.

圖7 LabVIEW顯示界面

[1]呂虎，華萍.探索人體奧秘[M].北京：科學出版社，2008：118-132.

[2]沙占友.集成化智能傳感器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]王家慶.脈搏信號處理方法研究與脈搏測量系統(tǒng)設計[D].北京：北京工業(yè)大學，2006.

[4]盧勝利.智能儀器設計與實現(xiàn)[M].重慶：重慶大學出版社，2003.

[5]成亞男.電子醫(yī)療遠程檢測系統(tǒng)的需求分析與設計[D].濟南：山東大學，2009.

（責任編輯 鈕效鹍）

A Research of Pulse Detection and Wireless Transmission System Based on Embedded ATmega8515

ZHANG Zhi-tong1，WANG Bo2
（1.Dept.of Electronic Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang，Heibei 06500，China；2.Langfang Radio Administration Bureau，Langfang，Hebei 065000，China）

Combined with embedded and wireless transmission technologies，this paper proposes wireless pulse transmission and detection based on an embedded system.Using LabVIEW interface on the PC display body temperature，pulse waveform and frequency，the system can collect and analyze human pulse wave parameters；meanwhile，it can analyze the human pulse data by opening the remote monitoring system，which is convenient for doctors to remote diagnostics.

embedded system；wireless transmission；the pulse signal；remote monitoring

TN91

：A

：1673-1972（2014）03-0005-05

2013-12-14

廊坊市科學技術研究與發(fā)展計劃（2013011035）

張志通（1983-），男，河北青縣人，講師，主要從事電子與檢測技術研究.