嵌入式脈搏波呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

田立武 沈曉萍

摘? 要：項(xiàng)目基于嵌入式芯片設(shè)計(jì)了一款脈搏波呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用于臨床和家庭保健中的呼吸信號(hào)檢測(cè)。項(xiàng)目對(duì)光電容積脈搏波信號(hào)的特征進(jìn)行了深入研究，系統(tǒng)整體采用ARM芯片加Linux操作系統(tǒng)方案，主要包括ARM微處理器主板電路、脈搏波信號(hào)采集器、信號(hào)處理電路、LCD顯示四部分。脈搏波信號(hào)的檢測(cè)方法采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，系統(tǒng)穩(wěn)定且結(jié)果數(shù)據(jù)誤差小，達(dá)到項(xiàng)目要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式;脈搏波;檢測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP212? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）18-0048-04

Abstract： The project designs a pulse wave respiratory frequency detection system based on embedded chip， which can be applied to respiratory signal detection in clinical and family health care. The project makes an in-depth study on the characteristics of optical capacitance product pulse wave signal. The whole system adopts the scheme of ARM chip and Linux operating system， mainly including ARM microprocessor motherboard circuit， pulse wave signal collector， signal processing circuit and LCD display. The detection method of pulse wave signal adopts empirical mode decomposition method. The system is stable and the result data error is small， which meets the project requirements.

Keywords： embedded; pulse wave; detection system

0? 引? 言

在人體健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中，呼吸信號(hào)的檢測(cè)是非常重要的組成部分，呼吸信號(hào)檢測(cè)設(shè)備也是醫(yī)院醫(yī)療和家庭保健的重要必備儀器，因此對(duì)呼吸檢測(cè)儀器的相關(guān)研究是非常重要的課題和具有很大的社會(huì)意義?，F(xiàn)代的電子技術(shù)、傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)發(fā)展迅速，原來(lái)的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法在結(jié)果上都有一些不足之處，本項(xiàng)目的目標(biāo)是在分析原有設(shè)計(jì)理念和方法的基礎(chǔ)上，提出更為簡(jiǎn)潔和效果佳的新型系統(tǒng)方案，完整準(zhǔn)確地提取呼吸信號(hào)。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料和研究，光電容積脈搏波的分析對(duì)研究呼吸頻率檢測(cè)有很大意義，從光電容積脈搏波的形成源頭分析，它是跟人體血管和其他組織高度關(guān)聯(lián)，其中含了大數(shù)量的與人體的數(shù)據(jù)信息，特別健康方面的數(shù)據(jù)信息[1]。因此，本項(xiàng)目的第一步先從深入學(xué)習(xí)和分析光電容積脈搏波信號(hào)的特點(diǎn)出發(fā)，思路是從此類脈搏波信號(hào)中提取到人體呼吸相關(guān)參數(shù)成分，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)的呼吸信號(hào)頻率檢測(cè)。項(xiàng)目利用間接的測(cè)量方法，研究設(shè)計(jì)的相關(guān)算法，完成整體硬件設(shè)計(jì)、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了從此類脈搏波信號(hào)中提取到完整準(zhǔn)確的人體呼吸參數(shù)數(shù)據(jù)。

1? 硬件整體方案設(shè)計(jì)

1.1? 硬件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)設(shè)備用戶需求調(diào)研和系統(tǒng)的整體要求分析，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一是完成呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)采集，主要是通過(guò)接觸人體指尖部位，采集到光電容積脈搏波信號(hào);二是對(duì)通過(guò)設(shè)備獲取到的光電容積脈搏波信號(hào)進(jìn)行消除干擾等工作后，經(jīng)過(guò)合理的數(shù)據(jù)傳輸方式送到微處理器進(jìn)行運(yùn)算分析;三是完成對(duì)呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)的顯示。依據(jù)功能需求構(gòu)建系統(tǒng)框架，整個(gè)系統(tǒng)主要包括呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)采集部分（包括信號(hào)處理），ARM微處理器部分、LCD顯示部分組成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本原理是選用光電式脈搏波傳感器來(lái)采集脈搏波信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理，處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)串口通信送入ARM微處理器。ARM微處理器要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此通過(guò)加載AD驅(qū)動(dòng)程序使其接收數(shù)據(jù)采集部分發(fā)送來(lái)的脈搏波數(shù)據(jù)，同時(shí)保存到flash中。同時(shí)，ARM微處理器的另一項(xiàng)重要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，得到呼吸信號(hào)相關(guān)參數(shù)。最后，ARM微處理器呼吸信號(hào)結(jié)果數(shù)據(jù)送到LED顯示屏進(jìn)行顯示。

1.2? 光電式脈搏波傳感器應(yīng)用

系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集部分選用了先進(jìn)的光電式脈搏波傳感器，該傳感器采用的是紅外光感應(yīng)，通過(guò)投射人體指尖部位，基本原理基于其對(duì)血管末端血液微循環(huán)而產(chǎn)生的血液容積的變化的敏感特性設(shè)計(jì)的一款傳感器。傳感器內(nèi)部主要包括感應(yīng)電路、放大電路及濾波電路等，輸出的信號(hào)形式是電壓式的模擬信號(hào)。此光電式脈搏波傳感器使用較簡(jiǎn)單方便，在臨床脈搏波的監(jiān)測(cè)反面應(yīng)用廣泛[2]。因?yàn)樵跍y(cè)試中，人體抖動(dòng)和環(huán)境溫度對(duì)于檢測(cè)結(jié)果有影響，例如在冬天輸出的電壓信號(hào)就微弱，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要注意信號(hào)處理。選用的此款光電式脈搏波傳感器的供電電壓是5 VDC，電流約20 mA，工作環(huán)境溫度為-40 ℃～80 ℃，光電接收靈敏度為0.62 A/W。

1.3? 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分在信號(hào)處理電路模塊，解決的問(wèn)題是外圍干擾信號(hào)。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有多種因素影響對(duì)光電容積脈搏波信號(hào)的分析結(jié)果。主要包括50 Hz工頻干擾、噪聲干擾、基線漂移、肌電干擾等干擾源，周圍環(huán)境中如此多干擾源直接給脈搏波信號(hào)數(shù)據(jù)的獲取添加了問(wèn)題，從而影響最終結(jié)果數(shù)據(jù)。在有效信號(hào)的采集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于用電因素，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中肯定存在50 Hz工頻干擾，在抑制50 Hz噪聲干擾的方法選擇上一般選擇使用分段濾波或者點(diǎn)阻濾波等方法來(lái)做處理。本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分不必設(shè)計(jì)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，因?yàn)榇丝罟怆娛矫}搏波傳感器內(nèi)部已經(jīng)有隔直放大電路，且輸出電壓最高值可達(dá)1 V，滿足接口的信號(hào)強(qiáng)度要求。問(wèn)題在于我們國(guó)家工頻干擾信號(hào)為50 Hz，其頻段處在脈搏波信號(hào)的有效的頻帶范圍中，選擇分段濾波或點(diǎn)阻濾波等方法進(jìn)行處理后，從結(jié)果數(shù)據(jù)看，略微影響到了此類脈搏波的有效部分。因?yàn)殛P(guān)鍵部分電路即信號(hào)處理模塊只需集中解決在有效信號(hào)采集過(guò)程中50 Hz工頻干擾和其他噪聲的問(wèn)題，就可以有效提升整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性。

低通濾波器設(shè)計(jì)：根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)及分析，本項(xiàng)目中要檢測(cè)的此類脈搏波頻率的有效部分基本分布在10 Hz以下，因此要把10 Hz以上的其他雜波要進(jìn)行相應(yīng)處理。這就需要設(shè)計(jì)一款低通濾波器來(lái)處理10 Hz以上高頻噪聲，基本消除其對(duì)脈搏波有效信號(hào)的影響。對(duì)脈搏波信號(hào)波形的特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其存在重搏波，因此在對(duì)此類脈搏波處理時(shí)應(yīng)該做到比較穩(wěn)定的幅頻特性。根據(jù)以上分析，在濾波器設(shè)計(jì)方案上選擇最大平坦濾波器巴特沃斯濾波器，此類濾波器完全可以做到通頻帶內(nèi)外應(yīng)該具有穩(wěn)定的幅頻特性，具體參數(shù)為二階，截止頻率參數(shù)設(shè)定為15 Hz[3]。巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)中巴特沃斯低通濾波器的濾波效果采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，從仿真的結(jié)果看，設(shè)計(jì)的特沃斯低通濾波器在頻率為15 Hz時(shí)信號(hào)衰減-6 dB，消除高頻干擾方面有很好效果，達(dá)到目標(biāo)要求。巴特沃斯低通濾波器波形圖如圖3所示。

陷波器設(shè)計(jì)：陷波器是一種特殊的帶阻濾波器，其阻帶在理想情況下只有一個(gè)頻率點(diǎn)，因此也被稱為點(diǎn)阻濾波器。這種濾波器主要用于消除某個(gè)特定頻率的干擾[4]，因?yàn)橄莶ㄆ黝l率特性有其特點(diǎn)，所以陷波器的設(shè)計(jì)方法可以選擇雙線性變換法進(jìn)行構(gòu)造，還可以選擇零極點(diǎn)配置法來(lái)構(gòu)造。本項(xiàng)目中利用陷波器的目標(biāo)是消除50 Hz工頻干擾對(duì)脈搏波有效信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)方案選擇電路簡(jiǎn)單、已于實(shí)現(xiàn)的雙T型陷波器。陷波器電路如圖4所示。

如圖4設(shè)計(jì)方案，U4是信號(hào)放大的作用，U5是電壓跟隨器，電壓跟隨器的引入目的是可以提升原電路應(yīng)有的負(fù)載能力。設(shè)計(jì)電路圖中的R1，R2的作用是通過(guò)變動(dòng)這兩個(gè)元件的阻值來(lái)控制改變陷波電路的濾波特性。

2? 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)

2.1? 檢測(cè)方法

本項(xiàng)目檢測(cè)方法選擇的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition， EMD）方法。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法被相關(guān)專家認(rèn)定是21世紀(jì)以傅立葉變換為基礎(chǔ)的線性和穩(wěn)態(tài)頻譜分析方面的較大成就。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法將較為復(fù)雜信號(hào)分解成可數(shù)多個(gè)的本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function， IMF），從復(fù)雜信號(hào)分解出的各個(gè)本征模態(tài)函數(shù)中包含了特征信息，即原信號(hào)在不同時(shí)間的局部特點(diǎn)。進(jìn)行EMD分解有“原信號(hào)最少要有兩個(gè)極值”等3項(xiàng)假設(shè)條件。其本征模態(tài)函數(shù)也必須滿足“函數(shù)在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，局部極值點(diǎn)等于過(guò)零點(diǎn)的數(shù)目，或者兩個(gè)最多相差一個(gè)”等兩個(gè)條件。EMD過(guò)程的實(shí)質(zhì)是對(duì)頻率不規(guī)則的信號(hào)進(jìn)行解構(gòu)，最后分解成多個(gè)固有頻率IMF和一個(gè)余量進(jìn)行疊加的狀態(tài)。

2.2? 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)

2.2.1? 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目信號(hào)處理模塊中設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器可以有效地消除目標(biāo)信號(hào)中15 Hz以上的干擾電磁波。要檢測(cè)的目標(biāo)信號(hào)頻率的有效成分基本分布在10 Hz以下，15 Hz以下的低頻干擾電磁波在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中還是有的，此類電磁波一是大幅度提升了樣條插值代碼的運(yùn)算工作量，二是加大后續(xù)極值點(diǎn)判斷運(yùn)算工作量[5]。因此除了電路濾波器外，還需軟件濾波的方法進(jìn)行再次濾波，即要進(jìn)行軟件濾波程序設(shè)計(jì)與編寫。

注意數(shù)字濾波器和其他的區(qū)別體現(xiàn)在“數(shù)字”上，其輸入量與輸出量均為數(shù)字量，這是最大特點(diǎn)，因此數(shù)字濾波器功能可以通過(guò)編寫成嵌入式科技執(zhí)行的程序的來(lái)完成，其性能優(yōu)勢(shì)特別明顯，穩(wěn)定性高、精度高。本項(xiàng)目依據(jù)此類濾波器的差分方程，利用C語(yǔ)言函數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波過(guò)程，構(gòu)建了一種低通巴特沃斯數(shù)字濾波器。同時(shí)，在MATLAB軟件進(jìn)行仿真獲取濾波器的兩個(gè)系數(shù)，設(shè)計(jì)完成滿足各項(xiàng)參數(shù)要求的IIR濾波器，其部分程序?yàn)椋?/p>

double IIR（double y）

{

int j;

for（j=5;j>0;j--）

{

yBufl[j]=yBufl[j-1];xBuf1[j]=xBufl[j-1];

}

xBufl[0]=y;

yBuf1[0]=0;

......

}

2.2.2? 極值判定程序設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過(guò)程中有3點(diǎn)建設(shè)條件，其中一點(diǎn)是原信號(hào)最少要有一個(gè)最大值和一個(gè)最小值兩個(gè)極值，因此找到極大值和極小值兩個(gè)極值點(diǎn)是關(guān)鍵一步，一般使用一些有效方法來(lái)識(shí)別函數(shù)的極值：把序列中當(dāng)前元素的值、前面的值、后面的值進(jìn)行三方對(duì)比。一是與前面的值和后面的值相比，當(dāng)前的值的要小則認(rèn)定其為極小值點(diǎn);二是與前面的值和后面的值相比，當(dāng)前的值的要大則認(rèn)定其為極大值點(diǎn);端點(diǎn)性質(zhì)的確定十分關(guān)鍵，不能確定端點(diǎn)的性質(zhì)會(huì)造成在端點(diǎn)處的擬合曲線均會(huì)出現(xiàn)誤差，從而呈現(xiàn)端位置效應(yīng)。三次樣條函數(shù)在擬合包絡(luò)時(shí)把端點(diǎn)確定為信號(hào)邊界點(diǎn)或者非極值點(diǎn)就尤為重要。

根據(jù)相關(guān)研究與實(shí)踐說(shuō)明，信號(hào)端點(diǎn)的問(wèn)題是否處理好，直接關(guān)系到后來(lái)的擬合包絡(luò)線在端點(diǎn)位置是否準(zhǔn)確，如果沒(méi)處理好，會(huì)造成插值以后的最大最小包絡(luò)線不能很好地將原信號(hào)囊括其中，從而得到不好的結(jié)果是在端點(diǎn)位置的擬合曲線每次均出現(xiàn)誤差。同時(shí)，誤差會(huì)不斷地在分解過(guò)程累積，具體表現(xiàn)是分解過(guò)程中獲取的第一個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量在信號(hào)端點(diǎn)位置就出現(xiàn)相對(duì)大誤差。誤差的累積是的分解的數(shù)據(jù)失去本來(lái)的意義，即無(wú)法準(zhǔn)確表示單一頻率的信號(hào)，因此，本項(xiàng)目在信號(hào)端點(diǎn)問(wèn)題處理上，采用把端點(diǎn)位置的值同時(shí)認(rèn)定為最大和最小值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果看是可行的。

2.2.3? 三次樣條插值程序設(shè)計(jì)

在EMD方法實(shí)施中，完成了信號(hào)極值點(diǎn)的獲取后，緊接著的工作就極值點(diǎn)進(jìn)行插值而結(jié)果呈現(xiàn)出平滑的包絡(luò)，這樣做的也實(shí)現(xiàn)了IMF的計(jì)算便捷。判定包絡(luò)過(guò)程成功就是保證擬合出的包絡(luò)能夠很好地將原信號(hào)包含在內(nèi)。本項(xiàng)目具體采用三次樣條插值的方式進(jìn)行，即在原信號(hào)的極值點(diǎn)中進(jìn)行插值，形成信號(hào)完成包絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果看是可行，效果非常好。

2.2.4? 篩選程序設(shè)計(jì)

對(duì)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的實(shí)質(zhì)對(duì)頻率不規(guī)則的信號(hào)進(jìn)行解構(gòu)，最后分解成多個(gè)固有頻率IMF和一個(gè)余量進(jìn)行疊加的狀態(tài)，在解構(gòu)信號(hào)時(shí)，目標(biāo)當(dāng)然是通過(guò)分解獲得的單一頻率的波要有較好的性能，所以找到一種合適的篩選IMF的標(biāo)準(zhǔn)是重要前提。篩分的次數(shù)過(guò)多過(guò)少都不可行，因?yàn)槿绻Y分次數(shù)過(guò)多，篩選出的IMF很大概率失去了實(shí)際表示含義，變成固定幅值的調(diào)頻波，此刻也因?yàn)橐ㄙM(fèi)太多的計(jì)算時(shí)間而造成處理器資源的一定浪費(fèi);反之如果篩分次數(shù)太少，獲取的IMF不能肯定是否具有對(duì)稱性。從以上分析已經(jīng)看出，選擇比較理想的篩選條件是關(guān)鍵點(diǎn)，本項(xiàng)目采用的是法國(guó)學(xué)者G.Rilling 提出的IMF篩分新標(biāo)準(zhǔn)。

3? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的脈搏波檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表1中可以看出應(yīng)用EMD方式獲取的呼吸頻率數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但其波形圖中反應(yīng)的呼吸信號(hào)是比較穩(wěn)定的，其頻譜基本臨近臨床傳統(tǒng)直接檢測(cè)方法獲取的呼吸信號(hào)的頻譜，因此采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

4? 結(jié)? 論

相關(guān)的研究成果已準(zhǔn)確說(shuō)明脈搏波在傳輸中包含了許多重要信息，包括呼吸、血壓等人體健康類數(shù)據(jù)信息，因此，項(xiàng)目再次深入分析了其基本原理與邏輯，選擇采用間接檢測(cè)的方法，設(shè)計(jì)了一款脈搏波呼吸頻率檢測(cè)系統(tǒng)。項(xiàng)目第一步進(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，芯片選擇ARM系列芯片，操作系統(tǒng)采用Linux平臺(tái)，完成了信息處理電路模塊設(shè)計(jì);檢測(cè)方法選擇了經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，進(jìn)行包括數(shù)字濾波器在內(nèi)的算法設(shè)計(jì)。從各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，系統(tǒng)整體性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范哲意，王躍俊，王群.基于光電容積脈搏波的呼吸頻率監(jiān)測(cè) [J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2016，35（2）：180-184+207.

[2] 何文德，楊鳳年，劉華富.基于CC2541的脈搏測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì) [J].福建電腦.2017，33（2）：48-49.

[3] 龍順宇，何程，楊偉吳，等.一種巴特沃斯低通濾波器構(gòu)成的PWM轉(zhuǎn)DAC設(shè)計(jì) [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用.2021，21（4）：64-67.

[4] 張艷陽(yáng)，孫煒.基于數(shù)字陷波器的局放信號(hào)周期窄帶干擾抑制方法研究 [J].長(zhǎng)沙電力學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（1）：26-28+36.

[5] 陳鑫強(qiáng)，陳興，黃志成，等.非接觸式呼吸頻率檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) [J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，28（1）：39-46.

作者簡(jiǎn)介：田立武（1980—），男，漢族，陜西渭南人，講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。