基于Cortex-M3的無線脈搏測量儀

韓清濤　 張麗娟　陳樹貴

(1. 東莞理工學院　電子工程與智能化學院，廣東東莞　523808；2. 東莞理工學院　計算機與網(wǎng)絡安全學院，廣東東莞　523808；3. 東莞博識生物科技有限公司，廣東東莞　523000 )

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基于Cortex-M3的無線脈搏測量儀

韓清濤1張麗娟2陳樹貴3

(1. 東莞理工學院電子工程與智能化學院，廣東東莞523808；2. 東莞理工學院計算機與網(wǎng)絡安全學院，廣東東莞523808；3. 東莞博識生物科技有限公司，廣東東莞523000 )

手持式脈搏測量儀由Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6核心模塊、脈搏采集模塊HKG-07、WIFI無線傳輸模塊HLK-RM04等組成，具有體積小、精度高、使用方便、測量數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)忍攸c，實現(xiàn)了遠程無線脈搏測量，描繪脈搏圖像等功能，供醫(yī)生參考。

Cortex-M3；脈搏測量儀；手持式；WIFI通信

中西醫(yī)在診療中，人體脈搏的測量是重要的診斷手段之一，觀察脈搏心率變化以進行病理分析?，F(xiàn)在大型三甲醫(yī)院人滿為患，醫(yī)師若要同時測量幾名病人脈搏，在時間上、空間上均無法實現(xiàn)。利用WIFI技術，可將脈搏的測量信息自動發(fā)送到診斷醫(yī)生的辦公電腦上，醫(yī)生可快速獲取多名病人的測量脈搏數(shù)據(jù)，便于診療。

1　脈搏傳感器原理

人體脈搏傳感器技術測量有幾種方法：壓力脈圖法、超聲脈圖法、光電容積法、阻抗血流圖法、電容聲法等。脈搏是隨人體心室收縮和舒張，主動脈血管壁內(nèi)壓增高和恢復，周而復始、一起一伏的搏動。人體手指尖具有豐富的冠狀小動脈，指尖血容積跟隨脈搏起伏而變化，在其上下放置紅外發(fā)射和接收二極管，如圖1所示，當紅外發(fā)射二極管照射在指尖上，經(jīng)透射被紅外接收二極管接收，其光強信號和心室收縮、舒張頻率有一定的函數(shù)關系，將光信號轉變?yōu)槊}動的電信號，輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，此方法為光電容積脈搏測量法[1-3]。

圖1　脈搏傳感器位置示意圖

2　系統(tǒng)方案

2.1系統(tǒng)構成

測量終端由核心模塊STM32、脈搏采集模塊、WIFI無線傳輸模塊和LCD顯示模塊等組成，如圖2所示，人體脈搏測量在現(xiàn)場將手指尖夾在脈搏傳感器測量頭中間，導線連接到脈搏測量儀上，顯示測量脈搏，同時通過WIFI發(fā)送數(shù)據(jù)端把數(shù)據(jù)發(fā)到醫(yī)生的辦公計算機(上位機)上顯示[4-8]。

圖2　系統(tǒng)設計原理

核心模塊：意法半導體公司(ST)的Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32F103VCT6作為處理器芯片。

脈搏傳感器：HKG-07A是合肥華科電子技術研究所研發(fā)的紅外脈搏傳感器，其外形結構為指夾式，使用時將手指夾在傳感器上，輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，輸出信號可直接與單片機I/O口連接，測量出脈率次數(shù)。

WIFI無線傳輸模塊：HLK-RM04是深圳市海凌科電子有限公司的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊，是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠實現(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)(WIFI)3 個接口之間的轉換。

2.2脈搏信號處理電路

紅外接收二極管采集的信號比較弱,經(jīng)AD8221差分放大器變?yōu)閱味诵盘枺ㄟ^STM32控制數(shù)字電位器AD5293的大小來調制放大的倍數(shù)，使信號經(jīng)過放大器OPA2209放大，其幅值為4V左右的方波信號連接到ADSIN0端[9-11]，如圖3所示。

圖3　脈搏信號放大電路圖

2.3濾波電路

脈搏傳感器信號在經(jīng)過放大后濾波，依據(jù)截住頻率，計算出電路中電阻的大小，正常人的脈搏頻率在60～120次/min，則1～2 次/s，為測量不失真，設計一個100 Hz的低通濾波器，如圖4所示。

圖4　100Hz低通濾波器

令：R1=R2=R，C1=C2=C。

由設計可知：R1=R2=R=100 kΩ，f0=100 Hz，K=2 ，

所以，取R3=R4=10 kΩ 。

經(jīng)推導和代入數(shù)據(jù)的計算，確定低通濾波器中電阻和電容的大小，設計出電路。

3　軟件程序

使用C語言編寫程序代碼設計測量終端的軟件，軟件流程圖如圖5所示。

圖5　手持機軟件流程圖

脈搏信號處理函數(shù)是整個系統(tǒng)的核心部分，通過計算采集脈搏信號的周期，求出平均數(shù)后進行顯示。當一個脈沖過后，讀出定時器里面的計數(shù)值，求出一個脈搏周期里面定時脈沖個數(shù)(10 kHz)，算出一個脈沖的周期。每采集到十個周期，計算脈搏周期平均值，以提高準確性。最終進行心率的判斷：正常的心率在60 ～ 100(次/min)之間，如果人體的心率不正常，可直接顯示出來。脈搏測量程序如下：

/**************脈搏測量程序*******************/

{

connet=0;

while(KEY4);

while(!KEY4);//使用PD4作為脈搏的檢測引腳

if((clear==0)||(clear==1))

{

t=((TIM3->CNT)-15000)*0.0001;

sprintf(buff,"%.3f",t);

BACK_COLOR=BRRED;

writeString("脈搏的周期是:",30,150,BLACK);

writeString("(秒)",190,150,BLACK);

BACK_COLOR=BRRED;

TIM3->SR&=～(1<<0);

TIM3->CNT=15000;}

4　結語

人體脈搏特征測量存在多種測量方式，筆者利用無線WIFI技術將測量終端與數(shù)據(jù)顯示計算機分離，為醫(yī)院解決實際問題。將被測量人員的手指夾在脈搏傳感器上，可在現(xiàn)場或遠程獲取脈搏測量數(shù)據(jù)，其波形能正確反映人體脈搏的真實特征，與其他測量儀器比較，準確率較高，速度快，實現(xiàn)了無線通訊。

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Wireless Pulse of Measuring Instrument Based on the Cortex-M3

HAN Qingtao1ZHANG Lijuan2CHEN Shugui3

(1. School of Electrical Engineering & Intelligentization, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;2. School of Computer Science and Network Security, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;3. Dongguan Bosh Biotechnologies, Ltd., Guangdong Dongguan 523803, China)

A hand-held pulse measuring instrument consists of the STM32F103VCT6 module of Cortex-M3 kernel, Pulse acquisition module HKG-07, WIFI wireless transmission module HLK-RM04, which has the characteristics of small size, high accuracy, convenience of use, measurement data wireless transmission and so on. It has realized the functions of remote wireless pulse measurement and the depiction of the pulse image, which can provide a reference for the doctor.

Cortex-M3; pulse measuring instrument; hand held type; WIFI communication

2016-06-24

2015年廣東省省級科技計劃項目(2015A010104012); 2014年廣東省自然科學基金(2014A030313629; 2014A030313512)。

韓清濤(1965—)，男，河北滄州人，副教授，主要從事智能自動化裝備研究。

TN92；TP391.5

A

1009-0312(2016)05-0029-05