基于32的無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

羅錦 李曉 李昀澄 譚銘

摘 要 本設(shè)計(jì)制作的是無(wú)線運(yùn)動(dòng)傳感器，采用STM32RCT6為控制核心板，通過多個(gè)種類的傳感器將采集來(lái)的信息送入主控單片機(jī)。使用TI模擬前端芯片ADS1292實(shí)現(xiàn)兩路心電信號(hào)的采集、存儲(chǔ)及顯示心電圖，分析計(jì)算得出心率其誤差不大于2%。設(shè)計(jì)采用右腿驅(qū)動(dòng)電路和低通濾波及軟件IIR濾波抑制干擾措施，提高放大器共模抑制比;基于LMT70溫度傳感器測(cè)得使用者體表溫度，MPU6050通過姿態(tài)解算檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)信息，得出運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離。并且將數(shù)據(jù)通過NRF24L01傳輸給電腦，上位機(jī)顯示動(dòng)態(tài)心電圖、體表溫度和運(yùn)動(dòng)信息。各個(gè)模塊應(yīng)功能完整，測(cè)量精度誤差不大于各自要求。

關(guān)鍵詞 心電采集 濾波 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè) 無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0001-03

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 總方案

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集心電體表和運(yùn)動(dòng)信息。使用ADS1292作為采集心電模塊主要芯片，通過IIR濾波濾去多余信號(hào)，在體表測(cè)量電路LMT70中加入去耦電路。使用MPU6050對(duì)使用者進(jìn)行姿態(tài)檢測(cè)。通過單片機(jī)控制各個(gè)模塊，采集分析數(shù)據(jù)計(jì)算得出心率、步數(shù)、運(yùn)動(dòng)距離。通過NRF24L01無(wú)線傳輸通信傳送運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到上位機(jī)，可實(shí)時(shí)顯示心電圖等信息。

1.1.1 濾波方案

方案一：通過二階的50Hz雙T陷波器對(duì)人體內(nèi)產(chǎn)生的50Hz的天線噪聲和電源供電引入的工頻干擾進(jìn)行濾波。

方案二：使用數(shù)字濾波器同樣對(duì)人體噪聲和工頻干擾進(jìn)行濾波，在matlab做出IIR四階濾波器對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

對(duì)比以上兩種方案通過陷波器后仍有較大工頻干擾，且陷波器自帶噪聲也夾雜在所需ECG信號(hào)中。而數(shù)字濾波設(shè)計(jì)更方便，可及時(shí)糾錯(cuò)從而降低成本，且效率更高。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)方案

方案一：使用MPU6050加速度傳感器的自適應(yīng)采樣。MPU6050具備三軸加速度和三軸姿態(tài)角。將三軸加速度ax、ay、az采用三軸合一得到向前加速度，進(jìn)行加速度積分得到速度，計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)步數(shù)，并計(jì)算得出運(yùn)動(dòng)步距。

方案二：或者采用四元數(shù)法，雖然要比解歐拉微分方程多一個(gè)方程，但其優(yōu)越性在于計(jì)算量小、精度高、可避免奇異性。與方向余弦法相比，四元數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)在于，不僅歪斜誤差等于零而且刻度誤差的推導(dǎo)很簡(jiǎn)單，能得出便于進(jìn)一步分析的解析表達(dá)式。

對(duì)于兩個(gè)方案，由于在微處理器中運(yùn)算速度受到限制，且浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)消耗大量的計(jì)算資源，所以方案二并不適合本設(shè)計(jì)。

1.1.3 無(wú)線傳輸方案

方案一：E34-2G4H27D是EBYTE公司的無(wú)線串口模塊，連上后無(wú)需其他的操作就可直接讓單片機(jī)向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，同電腦讀取串口的數(shù)據(jù)。

方案二：NRF24L01芯片，讓NRF24L01再與電腦相連，MCU也與NRF24L01相連，單片機(jī)先與NRF24L01相連再與電腦相連，將數(shù)據(jù)發(fā)送向單片機(jī)再發(fā)往上位機(jī)。

對(duì)比兩個(gè)方案由于串口模塊并不穩(wěn)定且傳輸速度比無(wú)線模塊慢，所以選用方案。

2 理論分析及器件選擇

2.1 理論分析

2.1.1 心電信號(hào)采集

心臟工作時(shí)在體內(nèi)不同位置產(chǎn)生不同電勢(shì)，伴隨心跳律動(dòng)的電勢(shì)而變化，通過電位差測(cè)試記錄畫下的就是心電圖（ECG）。心電信號(hào)頻率低于0.05Hz至100Hz，是幅度在10?V～5mv的微弱交流信號(hào)，且夾雜著肌電信號(hào)及外界工頻干擾。如何從環(huán)境噪聲中提取微弱的心電信號(hào)是采集的難點(diǎn)和要點(diǎn)，此點(diǎn)屬于小信號(hào)放大。系統(tǒng)采用常見電池供電，采集左右信道心電信號(hào)，右腿驅(qū)動(dòng)負(fù)反饋消除共模干擾，通過放大、濾波得到模擬心電信號(hào)，并能利用液晶實(shí)時(shí)顯示心率并在上位機(jī)存儲(chǔ)回放ECG波形。

心電信號(hào)主要芯片采用TI專用的近醫(yī)療級(jí)心電采集芯片。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)ADS1292_ERA、ADS1292_ELA和ADS1292_RLD分別接三導(dǎo)聯(lián)心電傳感器，其中ADS1292_RLD用于消除共模干擾信號(hào)，確保心電信號(hào)輸入電壓在正常的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。原始心電信號(hào)從網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)ADS1292_ERA、ADS1292_ELA接入一階微分電路濾除部分干擾，從IN1P、IN1N引腳進(jìn)入采集芯片ADS1292，芯片對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、放大，通過ADS1292_DIN、ADS1292_DOUT兩個(gè)引腳，在特定的時(shí)序下以其自身幀格式將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊的單片機(jī)（MCU），3B的幀頭、3B的狀態(tài)幀及3B心電信號(hào)，組成每幀9B的數(shù)字信號(hào)。每處理結(jié)束一幀數(shù)據(jù)后，向單片機(jī)STM32F103C8T6發(fā)送請(qǐng)求，單片機(jī)響應(yīng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2 體表溫度采集

LMT70是TI公司的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器。LMT70的輸出特性曲線看起來(lái)是線性的，實(shí)際上在它的溫度范圍內(nèi)，根據(jù)需求又有三種計(jì)算方式：

（1）在20℃-30℃范圍內(nèi)，輸出線性擬合：

（2）在-55℃到150℃的范圍內(nèi)，二階的計(jì)算方式會(huì)獲得更加精確的效果，特別提醒于極端溫度（零下低溫-60℃時(shí)）效果不好。

2.1.3 步距測(cè)量

人體處于動(dòng)態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向、前向和豎向的加速度分量，這3個(gè)加速度分量相互正交，對(duì)應(yīng)加速度傳感器3個(gè)軸—x、y、z軸上的加速度。6050獲得的三軸加速度不可以直接使用，需先采用高斯濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。用a（xt）、a（yt）、a（zt）分別表示t時(shí)刻x軸、y軸、z軸的加速度信號(hào)，記A（t）=[a（xt），a（yt），a（zt）]，則高斯濾波公式為：

采用三軸合一的方法，計(jì)算三軸加速度的信號(hào)矢量幅值SVM來(lái)確定加速度，以提高計(jì)步的準(zhǔn)確性，計(jì)算公式如下：

其中，a（xt）、a（yt）、a（zt）分別為t時(shí)刻加速度傳感器在x、y、z軸所測(cè)得的數(shù)據(jù)。三軸合一后的SVM數(shù)據(jù)波形與實(shí)際步數(shù)相對(duì)應(yīng)，一個(gè)波峰的變化正好對(duì)應(yīng)一個(gè)步伐。

計(jì)算距離用現(xiàn)有加速度已經(jīng)得出后計(jì)算加速度的積分得到速度，則可得到運(yùn)動(dòng)步距。

2.1.4 無(wú)線傳輸

采用SPI通信。SPI的通信原理很簡(jiǎn)單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時(shí)）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們分別是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCK（時(shí)鐘）、CS（片選）。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI。

2.2 器件選擇

心電采集器件選擇TI公司的ADS1292。由于人體心電信號(hào)具有微弱、易受生物體內(nèi)與體外信號(hào)干擾等的特點(diǎn)。故選用TI公司生產(chǎn)的用于生物電勢(shì)測(cè)量的ADS129x。其24位模擬前端能有效保證采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，可通過配置將其三路輸入中任意一路輸入連接到片內(nèi)集成的右腿驅(qū)動(dòng)電路上，形成負(fù)反饋，能有效消除共模干擾。ADS1292既能滿足對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求，又具有極高的集成度、功耗低、同步采樣、數(shù)字接口SPI兼容串口通信、信息收發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)。

體表溫度測(cè)量選擇LMT70，它的應(yīng)用幾乎包括任何需要高性價(jià)比、高精度和低功耗的溫度檢測(cè)，足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。LMT70具有出色的溫度匹配性能，超線性溫度模擬傳感器可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)量選擇MPU6050。MPU6050內(nèi)部整合了三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器。自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP，可以使用已有的運(yùn)動(dòng)處理資料庫(kù)，進(jìn)行非常方便的姿態(tài)解算，降低運(yùn)動(dòng)處理運(yùn)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷。

無(wú)線傳輸選擇NRF24L01。它采用spi通信，可設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，相比起IIC的半雙工通信，同步全雙工的通信方式使得數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定，相比并行通信方式而言，更加節(jié)約GPIO口，且該模塊的成熟度與穩(wěn)定性都非常好，能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。

MPU模塊選擇STM32F103RCT6。TM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。STM32F103RCT6與C8T6相比具有更多的寄存器，更多的IO口以及更大的內(nèi)存容量。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路的設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示

3.1.2 電源模塊

出于便攜和穩(wěn)定的原因，選用干電池獨(dú)立為系統(tǒng)供電。其中，經(jīng)過穩(wěn)壓模塊LM2596，將電壓降到3.3v。同時(shí)，穩(wěn)壓模塊起到了一定程度的濾波作用，使輸入系統(tǒng)的電壓更加穩(wěn)定、純凈。

3.1.3 心電模塊

心電模塊內(nèi)部集成了低壓差線性穩(wěn)壓器（即LDO）電路，即便壓降電壓小，仍然能穩(wěn)定、準(zhǔn)確供電。并且LDO電路的噪聲低，適用于心電信號(hào)的特性。其次，模塊內(nèi)部將一路輸入連接到右腿驅(qū)動(dòng)上，形成負(fù)反饋，能夠有效消除共模干擾。由于心電信號(hào)極易受到來(lái)自外界、人體自身以及電路的干擾，如基線干擾、工頻干擾等，干擾信號(hào)混雜于心電及呼吸信號(hào)中，導(dǎo)致有用信號(hào)畸變，甚至有時(shí)有用信號(hào)會(huì)完全淹沒在噪聲中，所以相應(yīng)的濾波去噪處理十分必要。用在1292模塊輸入信號(hào)的低通濾波電路[1]。

3.1.4? LMT70測(cè)溫模塊

本系統(tǒng)中，直接在硬件上對(duì)LMT70芯片進(jìn)行使能。但由于LMT70向MCU傳輸一個(gè)模擬量，對(duì)于外部電路要求較高，其供電的噪聲需要盡量減小，故外接了一個(gè)LDO電路對(duì)其供電，以盡量減小電源噪聲可能存在的干擾，并加上去耦電路緩沖、濾波。

3.1.5 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊

MPU6050模塊中集成了一個(gè)穩(wěn)壓電路。采用IIC與外部通訊，其中IIC_SDA和IIC_SCL帶了4.7K上拉電阻，另外MPU_AD0自帶了10K下拉電阻，當(dāng)AD0懸空時(shí)，默認(rèn)IIC地址為（0x68）。

3.2 程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

程序功能描述：（1）監(jiān)測(cè)：可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電數(shù)據(jù)、體表溫度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、輸出心電信號(hào)、體表溫度步數(shù)和步距。（2）顯示部分：在OLED顯示心率、步數(shù)、步距、溫度，在上位機(jī)實(shí)時(shí)更新心電數(shù)據(jù)和步數(shù)。

上位機(jī)使用QT進(jìn)行開發(fā)，對(duì)串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并將下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，繪制心電曲線圖，顯示出從下位機(jī)發(fā)回的心率等數(shù)據(jù)[2]。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試條件：要求進(jìn)行多次檢查，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。

測(cè)試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表、模擬示波器、數(shù)字示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、指針式萬(wàn)用表、心電信號(hào)模擬器、測(cè)溫計(jì)。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

4.2.1 測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

心率顯示：（如表1）

步數(shù)顯示：（如表2）

溫度顯示：（如表3）

4.2.2 測(cè)試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，分析計(jì)算可得出以下結(jié)論：

（1）上位機(jī)顯示正確的心電圖，可看到明顯的R圖以及心率和步數(shù)顯示;

（2）心率計(jì)算較為準(zhǔn)確，誤差不大于1%;

（3）步數(shù)以及步距的測(cè)量亦較為精準(zhǔn)，誤差不大于0.5%;

（4）溫度顯示在誤差范圍之內(nèi);

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

在本系統(tǒng)中，心率的測(cè)算以及心電圖的繪制較為精準(zhǔn)，能在上位機(jī)上有效地、低誤差地描繪心電圖，且心率的誤差不大于1%。同時(shí)，步數(shù)以及步距的測(cè)量亦較為精準(zhǔn)，誤差不大于0.5%。本設(shè)計(jì)體積較小，額外加入一個(gè)OLED顯示屏可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步數(shù)、步距以及心率的變化?？刂瓢迮c上位機(jī)之間傳輸高效并且準(zhǔn)確，能夠在上位機(jī)中準(zhǔn)確繪制出心電圖，且系統(tǒng)功耗較低，效率較高[3]。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 肖軍，涂強(qiáng)，林月樺，黃靜敏，羅一立.基于STM32的便攜式混合信號(hào)示波器設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019，32（07）：140-141+144.

[3] 王儀，羅濤，張宏橋，何湘艷，蔣純志.基于MPU6050傳感器的人體啞鈴動(dòng)作識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湘南學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，41（02）：121-124.

西華大學(xué)，四川 成都