張志通，王 博

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院 電子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊無(wú)線(xiàn)電管理局，河北 廊坊 065000）

基于嵌入式ATmega8515的脈搏檢測(cè)與無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)研究

張志通1，王 博2

（1.北華航天工業(yè)學(xué)院 電子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊無(wú)線(xiàn)電管理局，河北 廊坊 065000）

結(jié)合嵌入式與無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)，提出了一種基于嵌入式的無(wú)線(xiàn)脈搏傳輸與檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)可以對(duì)人體脈搏波參數(shù)進(jìn)行采集分析，并在PC機(jī)上采用LabVIEW界面顯示人體手腕溫度、脈搏波形信號(hào)波形和頻率.同時(shí)，還能夠通過(guò)開(kāi)啟遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)人體脈搏的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方便醫(yī)生遠(yuǎn)程診斷.

嵌入式系統(tǒng)；無(wú)線(xiàn)傳輸；脈搏信號(hào)；遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)不斷改變，習(xí)慣的變化和高節(jié)奏的生活導(dǎo)致高血壓、冠心病這類(lèi)心血管疾病成為常見(jiàn)病與多發(fā)病.有效的早期診斷治療方法和設(shè)備成為預(yù)防這類(lèi)疾病的重要措施.脈搏是人體活動(dòng)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(hào)快速及時(shí)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(cè)量?jī)x對(duì)患者進(jìn)行檢測(cè)，但這種傳統(tǒng)的脈搏檢測(cè)必須要求醫(yī)生與患者面對(duì)面檢測(cè)，這樣會(huì)給部分行動(dòng)不便的患者造成麻煩.目前國(guó)內(nèi)在研究脈搏信號(hào)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(duì)面診斷階段.脈搏檢測(cè)與無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)可以完成信號(hào)的快速提取與傳輸，在醫(yī)院提取行動(dòng)不便患者的脈搏信號(hào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸近距離給醫(yī)生，或者在家里通過(guò)開(kāi)啟遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)人體脈搏的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以使醫(yī)生完成對(duì)患者的遠(yuǎn)程診斷.

1 總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合嵌入式與無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)，提出了一種基于嵌入式的無(wú)線(xiàn)脈搏傳輸與檢測(cè)系統(tǒng).使用下位機(jī)通過(guò)光電傳感器提取手腕脈搏信號(hào)，用嵌入式ATmega8515處理脈搏信號(hào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊遠(yuǎn)距離傳送，并在PC機(jī)上采用LabVIEW界面顯示人體溫度、脈搏信號(hào)波形信號(hào)和脈搏頻率，也能夠形成能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(chǔ)，如圖1所示.

圖1 無(wú)線(xiàn)脈搏傳輸與檢測(cè)系統(tǒng)流程圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)部分

通常，人體脈搏所呈現(xiàn)出的波形、強(qiáng)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(hào)多屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻弱信號(hào)，需要選擇合適的硬件參數(shù)和設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路來(lái)保證檢測(cè)到脈搏信號(hào)的準(zhǔn)確性[1].

2.1.1 脈搏傳感器

由于脈搏信號(hào)屬于主動(dòng)信號(hào)，信號(hào)幅度很小，而且極容易受到人體其它低頻假象信號(hào)的干擾.假象干擾信號(hào)有時(shí)比所需的信號(hào)強(qiáng)得多，因此選擇測(cè)量傳感器對(duì)脈搏信號(hào)的提取最為關(guān)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(hào)與溫度[2].

2.1.2 信號(hào)處理電路

人體脈搏信號(hào)具有阻抗高、信號(hào)弱、頻率低等特點(diǎn)，而且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中.為了檢測(cè)出脈搏信號(hào)的最大保真度，系統(tǒng)使用的模擬信號(hào)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(hào)處理電路

脈搏信號(hào)的采集實(shí)際上是通過(guò)紅外接收二極管，在有脈和無(wú)脈時(shí)暗電流的微弱變化，再經(jīng)過(guò)UB的放大而得到的所采集到的信號(hào)為2 μV左右的電壓信號(hào)；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(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波.信號(hào)從C9的2端輸入，而C9則對(duì)信號(hào)再次過(guò)濾，把前面留有的暗電流進(jìn)一步濾掉.運(yùn)放OP07，R15與R17組成一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的主電路對(duì)過(guò)濾后的信號(hào)進(jìn)行放大.由于經(jīng)過(guò)濾波放大電路之后的信號(hào)波形是模擬的，其上升沿和下降沿比較平緩，不能被單片機(jī)直接獲取.因此，通過(guò)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(hào).

2.1.3 嵌入式處理器

ATmega8515是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器.由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8515的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器.這種結(jié)構(gòu)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(diǎn)：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(gè)外部存儲(chǔ)器接口，35個(gè)通用I/O 口線(xiàn)，32個(gè)通用工作寄存器，兩個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)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(mén)狗定時(shí)器，1個(gè)SPI串行端口，以及3個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式.

經(jīng)過(guò)前面的信號(hào)處理電路后送給端口NIT0，ATmega8515通過(guò)程序?qū)⑻幚沓鰜?lái)的信號(hào)傳給NRF24L01和LCD1602，讓NRF24L01發(fā)送給上位機(jī)的接收部分，而LCD1602則顯示脈搏溫度和跳動(dòng)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(dòng)，帶背光，可顯示兩行，每行16個(gè)字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個(gè)字符ASCII字符集字庫(kù).將1602的8位數(shù)據(jù)口與ATmega8515的P0口相連接.當(dāng)R/W腳 （1602第5腳）為低電平時(shí)為寫(xiě)操作狀態(tài)，而當(dāng)RS（第4腳）為低電平時(shí)為寫(xiě)指令，當(dāng)RS（第4腳）為高電平時(shí)為寫(xiě)數(shù)據(jù).通過(guò)對(duì)1602寫(xiě)入指令和寫(xiě)入數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行顯示脈搏溫度和跳動(dòng)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(wú)線(xiàn)發(fā)送接收模塊

NRF24L01無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊是工作在2.4-2.5 GHz的ISM 頻段的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片.無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)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(cuò)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(cuò)誤，支持在線(xiàn)編程，3.3-5 V寬電壓范圍工作.

2.2 上位機(jī)部分

上位機(jī)部分包含無(wú)線(xiàn)接收模塊部分、數(shù)據(jù)處理部分和串口部分.整個(gè)部分完成的主要功能是接收下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行串口通訊.

無(wú)線(xiàn)接收模塊部分與無(wú)線(xiàn)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(gè)接收，它們兩個(gè)和起來(lái)才能完成無(wú)線(xiàn)傳送的功能.它與ATmega8515的接口電路與下位機(jī)部分的接口電路基本是一樣的，可以參照?qǐng)D4所示.ATmega8515將NRF24L01接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)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(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊在下位機(jī)的連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和調(diào)試采用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程，使用KELL C51軟件對(duì)程序進(jìn)行編輯、編譯和調(diào)試，使用PROTEUS進(jìn)行電路的仿真調(diào)試.軟件部分包括下位機(jī)程序模塊和上位機(jī)程序模塊和LabVIEW顯示模塊[3].

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

程序的主要思路是利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)2次脈沖之間的時(shí)間，即可得出心跳1次的時(shí)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(jī)程序設(shè)計(jì)

NRF24L01接收從下位機(jī)發(fā)送來(lái)的溫度與脈搏數(shù)據(jù)，然后ATmega8515將其轉(zhuǎn)換成能夠顯示的顯示數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)進(jìn)行顯示，如圖6所示.

圖5 下位機(jī)程序流程圖

圖6 上位機(jī)程序流程圖

3.3 LabVIEW顯示部分設(shè)計(jì)

LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的一門(mén)圖形化編程語(yǔ)言，它是通過(guò)軟件把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的通信.

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，從節(jié)約成本環(huán)節(jié)考慮我們采用LabVIEW通過(guò)VISA與串行接口儀器通信.VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口（API），它本身并不具有儀器編程能力，而是為用戶(hù)提供了一套獨(dú)立的可方便調(diào)用的標(biāo)準(zhǔn)I/O底層函數(shù).用戶(hù)調(diào)用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，VISA就會(huì)根據(jù)實(shí)際接口類(lèi)型自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)程序例程，將通過(guò)串口接收到的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)好的LabVIEW界面進(jìn)行顯示人體溫度、脈搏波形信號(hào)波形和頻率等[4]，如圖7所示.

4 結(jié)語(yǔ)

由于下位機(jī)處理的數(shù)據(jù)量比較大，而無(wú)線(xiàn)發(fā)送與接收模塊速率跟不上下位機(jī)處理數(shù)據(jù)速率，這樣會(huì)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(jìn)行相關(guān)改進(jìn).總體來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)的搏檢測(cè)與無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)在PC機(jī)顯示界面的脈搏與溫度數(shù)據(jù)和下位機(jī)數(shù)據(jù)相同，同時(shí)還能夠通過(guò)開(kāi)啟遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)人體脈搏的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這樣可以解決部分行動(dòng)不便患者的脈搏診斷問(wèn)題[5].由于采用ATmega8515嵌入式處理器，大大減小了脈搏檢測(cè)儀的體積，攜帶方便，有利于廣泛的推廣和應(yīng)用.

圖7 LabVIEW顯示界面

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

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

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（責(zé)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(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃（2013011035）

張志通（1983-），男，河北青縣人，講師，主要從事電子與檢測(cè)技術(shù)研究.