基于嵌入式技術的心率檢測系統(tǒng)設計

李福斌 白秉旭

摘 ?要：對嵌入式技術進行了研究，報告了傳統(tǒng)心率檢測儀器便攜性差、抗干擾能力不強的現(xiàn)狀，設計了一種基于STM32 NUCLEO嵌入式芯片的心率檢測系統(tǒng)。集STM32F411 NUCLEO開發(fā)板、心率信號預處理、數(shù)據(jù)采集、OLED激光顯示、串行通訊及電源轉換功能為一體，利用人體心血管活動的血管容積周期性規(guī)律，基于芯片模數(shù)轉換器捕捉體表反射光變化活動時序，實現(xiàn)高低通濾波與人機交互。測試表明，系統(tǒng)抗干擾能力強，可用于家庭或社區(qū)人體醫(yī)學監(jiān)護。

關鍵詞：嵌入式技術;心率檢測系統(tǒng);設計

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）24-0055-04

Abstract： This paper studies the embedded technology， reports the current situation of poor portability and weak anti-interference ability of traditional heart rate detection instruments， and designs a heart rate detection system based on STM32 NUCLEO embedded chip. It integrates the functions of STM32F411 NUCLEO development board， heart rate signal preprocessing， data acquisition， OLED laser display， serial communication and power conversion. Using the periodic law of blood vessel volume of human cardiovascular activity， it captures the change time sequence of reflected light on the body surface based on chip analog-to-digital converter， so as to realize high-low-pass filtering and human-computer interaction. Tests show that the system has strong anti-interference ability and can be used for family or community medical monitoring.

Keywords： embedded technology; heart rate detection system; design

0 ?引 ?言

經(jīng)濟的發(fā)展促使人們的物質和精神生活得到大幅度提升和改善，也使得越來越多的人開始廣泛關注個人的身體健康問題[1]。“心率”作為一項重要的生理參數(shù)，它是衡量和評價一個人身體是否健康的重要指標之一。隨著“可穿戴”“便攜式”的智能產(chǎn)品興起，基于嵌入式設計的心率實時檢測系統(tǒng)為普通大眾進行“無疾預防”提供了硬件基礎[2]。目前，國內關于心率檢測的技術已經(jīng)十分成熟，但是傳統(tǒng)心率檢測儀器功能單一，抗干擾能力差，價格昂貴，更不宜家庭使用。本文針對這些缺點，在深入研究國內、外心率檢測技術發(fā)展情況基礎之上，將現(xiàn)代傳感技術、嵌入式基礎及信號處理技術等集成在一起，提出并設計了一種可穿戴、低功耗、多功能、實用性強的心率檢測系統(tǒng)，通過心率信號來捕獲心腦血管疾病先兆，以便用于社區(qū)及家庭人體醫(yī)學監(jiān)護。

1 ?系統(tǒng)總體設計

1.1 設計思路

近年來，隨著人們的生活節(jié)奏不斷加快，在工作、學習和生活等諸多壓力作用之下，我國居民的身心健康問題日益變得突出，尤其是心血管疾病發(fā)生率和死亡率變得居高不下。而傳統(tǒng)的醫(yī)療模式是控制疾病進展，但病人通常是在發(fā)病之后再前往醫(yī)院或醫(yī)療診所進行專業(yè)檢測，難以預防疾病發(fā)生。根據(jù)西安交大生物醫(yī)學工程重點實驗室關于人體心血管活動的實驗原理[3]可知，人體心臟脈動會使體表血管容積發(fā)生相應的變化，從而會引起體表反射光（反射角、反射路徑長）、入射光（入射角、入射路徑長）的變化。人體心臟脈動所引發(fā)的體表血管容積變化規(guī)律和強度能夠客觀反映人的心血管活動時序，因此只要通過對體表反射光的變化情況進行捕捉，就能夠分析并反映人的心血管活動與生理狀態(tài)。與此同時，根據(jù)我們關于人體心臟脈動的一項研究認為，心臟的跳動通常會引發(fā)脈搏的變化與波動，而脈搏的跳動變化又會導致透光率的變化，按照這一原理，本研究認為，借助圖像傳感器對人體表面視頻圖像進行采集，由此提取人的實時心率具有客觀現(xiàn)實基礎。

1.2 設計方案

本研究設計的心率檢測系統(tǒng)以嵌入式框架為載體，分別將信號采集、信號預處理、STM32 NUCLEO、電源、OLED顯示及串口通信模塊集成到一起。如圖1所示，本系統(tǒng)中的信號預處理模塊主要功能是實現(xiàn)對A/D信號的轉換，在該模塊包含了電壓轉換器、原始信號濾波器、放大處理器等，從而使信號經(jīng)過處理后可滿足系統(tǒng)電壓值要求。然后，心率傳感器利用信號采集模塊中的信號預處理模塊進行反射式光電原理感知，將處理后的信號輸入STM32F411 NUCLEO主控模塊，經(jīng)過串口通信，最終實現(xiàn)對心率數(shù)據(jù)和波形的實時顯示[4]。

2 ?系統(tǒng)硬件模塊設計

2.1 ?STM32F411 NUCLEO開發(fā)板

STM32F411 NUCLEO開發(fā)板是心率檢測系統(tǒng)進行嵌入式開發(fā)設計的主要硬件模塊之一，它主要包括LED指示燈、機械按鍵以及STM32F NUCLEO系列板

卡慣有的Mini USB調試接口，除此之外，還兼容可給板卡供電的Arduino Shield擴展接口。由于STM32 NUCLEO系列板卡同時搭載了基于32位的高性能STM32F401RET6核心微控制器與帶有FPU單元的ARM Cortex-M4處理器，所以能夠支持高達100MHz的主頻。

2.2 ?傳感器采集心率信號預處理模塊

成功提取心率的前提是傳感器所采集到的心率光信號必須轉換為電信號，方能實現(xiàn)后續(xù)的信號數(shù)據(jù)分析、運算與處理?？紤]到傳感器采集到的心率信號經(jīng)過初步的信號轉換之后，電信號十分微弱，所以還需要經(jīng)過傳感器采集心率信號預處理模塊對系統(tǒng)采集的原始信號進行去噪或降噪等放大處理，才能獲取高質量且信號干擾率較低的心率信號。

2.3 ?心率數(shù)據(jù)采集模塊

在現(xiàn)代電子工程設計領域，傳感器是電子系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)采集的主要模塊，按照人體心臟脈動規(guī)律，傳感器在人體心率數(shù)據(jù)采集過程中，主要遵循的工作原理為：

由于人體血液脈動，會導致透光率發(fā)生變化，所以LED會發(fā)出綠色光源。

根據(jù)系統(tǒng)采集到的具有不同變化的透光率，光接收器會對透光率進行數(shù)據(jù)轉化，形成人體心率監(jiān)測數(shù)據(jù)。

傳感器在信號數(shù)據(jù)采集時，需針對原始輸出的模擬信號進行A/D轉換，從而轉換為數(shù)字信號。

該傳感器采集到的可供MCU分析、處理的數(shù)字信號受外界干擾較小，所以經(jīng)過分析計算，能夠獲得更加精準的心率數(shù)據(jù)，如相鄰心拍時間、心率值以及脈搏值等如圖2所示。

基于上述工作原理，本研究針對不同性能的數(shù)字傳感器進行對比最終選擇應用光電脈搏傳感器來采集人體心率數(shù)據(jù)。與一般的傳感器不同，該傳感器為發(fā)綠光的反射式傳感器，其內部結構集成信號處理模塊，光電模塊等，而在信號處理模塊和光電模塊又分別配置了光接收器、綠光LED、放大電路以及濾波電路等。

2.4 ?OLED液晶屏有機電激光顯示模塊

本系統(tǒng)采用嵌入式設計方法應用OLED液晶屏（Organic Light-Emitting Diode）為有機電激光顯示模塊來增強心率檢測結果的顯示效果。OLED作為有機發(fā)光二極管，反應速度更快，對比度更高，而且自發(fā)光視角廣，厚度薄，無須背光源，可用于撓曲性面板設計，與傳統(tǒng)的液晶顯示屏相比，OLED顯示模塊還具有使用溫度范圍廣等優(yōu)點，所以一直以來被認為是具有新興數(shù)字技術的下一代平面發(fā)光顯示器[5]。

2.5 ?心率數(shù)據(jù)串行通訊模塊

在本系統(tǒng)中，同時搭載了Modem、打印機或者可供外部連接的鼠標，基于工業(yè)設計上常用的RS-232串行連接標準，可使心率檢測系統(tǒng)與工業(yè)儀器儀表相連接。在具體工作過程中，心率檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)串行通信模塊主要借助IBM PC及其兼容機上的ANSI/EIA232標準協(xié)議，將系統(tǒng)實時采集到的相關心率數(shù)據(jù)等，上傳到個人PC，基于系統(tǒng)軟件就能夠實時繪制人體心率變化曲線與脈搏波形，從而方便使用者針對心率數(shù)據(jù)進行更加精確地判讀和分析。

2.6 ?電源轉換模塊

基于嵌入式系統(tǒng)設計的心率采集系統(tǒng)主要供電模塊分為兩個部分，一部分是視頻監(jiān)護模塊，另一部分是液晶顯示和攝像頭模塊，在系統(tǒng)工作時，首先需要按基于攜式的ARM-Linux視頻監(jiān)護模塊采集人體視頻，并加以顯示和保存，然后，需要借助上位機軟件實時處理和分析系統(tǒng)攝像頭采集到的相關視頻數(shù)據(jù)，從而得到人體心率數(shù)據(jù)，最終通過無線網(wǎng)絡裝置，將人體視頻數(shù)據(jù)及心率數(shù)據(jù)等發(fā)送到系統(tǒng)遠端服務器，從而為遠程診斷提供科學依據(jù)。

3 ?系統(tǒng)軟件模塊設計

3.1 ?系統(tǒng)軟件初始化程序設計

在嵌入式方案設計中，心率檢測系統(tǒng)軟件設計通常需要通過主程序針對不同的子模塊進行調用來實現(xiàn)相應的軟件功能。本研究以Keil uVision5版本為心率檢測系統(tǒng)嵌入式設計的軟件集成開發(fā)環(huán)境，應用語言編寫系統(tǒng)軟件初始化程序與心電信號計算與處理相關子程序，通過OLED屏對系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)結果進行實時顯示。

3.2 ?心電信號計算與處理程序設計

心率檢測系統(tǒng)初始采集的心電信號往往含有大量的有線頻率噪音，所以本系統(tǒng)采用ADC12低通FIR濾波器進行濾波，已采樣的心電信號經(jīng)過低通濾波（心電QRS波群的頻率為6～30 Hz和12～18 Hz）后，得到被區(qū)分的采樣值，然后再次采用17階高通FIR最低頻率為2 Hz的濾波器進行濾波處理。

系統(tǒng)經(jīng)過濾波，分理出所需的心電QRS波群，然后按照計算公式“瞬時心率值=1/（點數(shù)×采樣周期）”及R～R間的采樣點數(shù)，即可計算并求得心率值。與此同時，將系統(tǒng)最低設置的定值與心電QRS分辨器輸出的采樣信號進行對比，根據(jù)Pulseperrid3次連續(xù)跳動累計值來探測每一次心跳[6]。如圖3所示為心電信號計算與處理程序設計與實現(xiàn)流程圖。

4 ?系統(tǒng)運行調試

在完成心率檢測系統(tǒng)的前期嵌入式設計之后，后期還需經(jīng)過多次連續(xù)的硬件電路測試與軟件、硬件聯(lián)合運行調試，本研究調試重點是系統(tǒng)中的放大電路。

4.1 ?硬件電路測試

在測試本系統(tǒng)的硬件電路部分時，本研究主要采用數(shù)字萬能表和示波器兩種工具來調試，其中，系統(tǒng)硬件電路測試工作主要包含以下四個部分的內容：

（1）檢測PCB板工作原理是否正常。

（2）測試心電信號采集模塊運行是否存在異常。

（3）測試系統(tǒng)OLED顯示模塊信息顯示情況。

（4）測試JTAG數(shù)據(jù)通信接口接觸情況。

在調試上述四個部分的關鍵環(huán)節(jié)時，首先針對各電路模塊進行單獨調試，然后再進行整機測試，從而提高系統(tǒng)硬件模塊的調試效率。

4.2 ?軟、硬件聯(lián)合調試

硬件調試工作完成之后，還需進行軟硬件聯(lián)合工作運行調試，在調試時，本研究主要采用MSP430 FETP140仿真器，通過IAR Embedded Workbench將PC機與25PIN芯電纜線實現(xiàn)并口一端相連，另一端則利用14PIN扁平電纜，將仿真器與小系統(tǒng)的JTAG插座相連接。而在系統(tǒng)PC機端，主要借助MFC編程，將單片機所采集到的心率檢測系統(tǒng)運行散點通過并行串口，在系統(tǒng)主程序MFC窗口中進行描繪和顯示，從而模擬出實際的人體心電波形。測試流程如圖5所示：

5 ?運行調試結果分析與結論

在系統(tǒng)運行測試過程中，本研究使用了標準信號源對人體心臟脈動的信號進行模擬測試，多次連續(xù)的測試結果表明，信號源參數(shù)與本研究開發(fā)設計的心率檢測系統(tǒng)運行測試結果完全符合。在此基礎上，本研究又針對同一測試對象，使用人工計數(shù)重新進行測試，結果如表1所示。

通過上表中連續(xù)4次測量對比結果可以看出，人工測試計數(shù)值與本研究設計的心率檢測系統(tǒng)測試值基本吻合。雖然在第1次人工測量時，測試結果與心率檢測系統(tǒng)測試值存在一定偏差，但是誤差僅為0.5%，遠遠小于系統(tǒng)設定的誤差2%之內，仍屬于可接受范圍內的誤差，經(jīng)分析在首次測試時，人工測試與心率檢測系統(tǒng)測試的始終時間掌握存在差異，從而導致最終測量結果的細微偏差。經(jīng)過調試及重復測試，結果表明，本研究設計的心率檢測儀測試重復性優(yōu)異，工作性能良好，工作過程穩(wěn)定，結果可靠，具有一定的科學參考依據(jù)。

參考文獻：

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作者簡介：李福斌（1989.06—），男，漢族，江蘇南京人，助理講師，本科，主要研究方向：電氣自動化;白秉旭（1966.12—），男，漢族，江蘇南京人，正高級講師，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術與電力傳動。