韓清濤　 張麗娟　陳樹(shù)貴

(1. 東莞理工學(xué)院　電子工程與智能化學(xué)院，廣東東莞　523808；2. 東莞理工學(xué)院　計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東東莞　523808；3. 東莞博識(shí)生物科技有限公司，廣東東莞　523000 )

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基于Cortex-M3的無(wú)線(xiàn)脈搏測(cè)量?jī)x

韓清濤1張麗娟2陳樹(shù)貴3

(1. 東莞理工學(xué)院電子工程與智能化學(xué)院，廣東東莞523808；2. 東莞理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，廣東東莞523808；3. 東莞博識(shí)生物科技有限公司，廣東東莞523000 )

手持式脈搏測(cè)量?jī)x由Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6核心模塊、脈搏采集模塊HKG-07、WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸模塊HLK-RM04等組成，具有體積小、精度高、使用方便、測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)脈搏測(cè)量，描繪脈搏圖像等功能，供醫(yī)生參考。

Cortex-M3；脈搏測(cè)量?jī)x；手持式；WIFI通信

中西醫(yī)在診療中，人體脈搏的測(cè)量是重要的診斷手段之一，觀(guān)察脈搏心率變化以進(jìn)行病理分析?，F(xiàn)在大型三甲醫(yī)院人滿(mǎn)為患，醫(yī)師若要同時(shí)測(cè)量幾名病人脈搏，在時(shí)間上、空間上均無(wú)法實(shí)現(xiàn)。利用WIFI技術(shù)，可將脈搏的測(cè)量信息自動(dòng)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(cè)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(shù)測(cè)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(dòng)脈血管壁內(nèi)壓增高和恢復(fù)，周而復(fù)始、一起一伏的搏動(dòng)。人體手指尖具有豐富的冠狀小動(dòng)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(dāng)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(qiáng)信號(hào)和心室收縮、舒張頻率有一定的函數(shù)關(guān)系，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的電信號(hào)，輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，此方法為光電容積脈搏測(cè)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(gòu)成

測(cè)量終端由核心模塊STM32、脈搏采集模塊、WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和LCD顯示模塊等組成，如圖2所示，人體脈搏測(cè)量在現(xiàn)場(chǎng)將手指尖夾在脈搏傳感器測(cè)量頭中間，導(dǎo)線(xiàn)連接到脈搏測(cè)量?jī)x上，顯示測(cè)量脈搏，同時(shí)通過(guò)WIFI發(fā)送數(shù)據(jù)端把數(shù)據(jù)發(fā)到醫(yī)生的辦公計(jì)算機(jī)(上位機(jī))上顯示[4-8]。

圖2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

核心模塊：意法半導(dǎo)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(shù)研究所研發(fā)的紅外脈搏傳感器，其外形結(jié)構(gòu)為指夾式，使用時(shí)將手指夾在傳感器上，輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，輸出信號(hào)可直接與單片機(jī)I/O口連接，測(cè)量出脈率次數(shù)。

WIFI無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng))模塊，是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)串口、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)(WIFI)3 個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。

2.2脈搏信號(hào)處理電路

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

圖3　脈搏信號(hào)放大電路圖

2.3濾波電路

脈搏傳感器信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大后濾波，依據(jù)截住頻率，計(jì)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(cè)量不失真，設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)可知：R1=R2=R=100 kΩ，f0=100 Hz，K=2 ，

所以，取R3=R4=10 kΩ 。

經(jīng)推導(dǎo)和代入數(shù)據(jù)的計(jì)算，確定低通濾波器中電阻和電容的大小，設(shè)計(jì)出電路。

3　軟件程序

使用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序代碼設(shè)計(jì)測(cè)量終端的軟件，軟件流程圖如圖5所示。

圖5　手持機(jī)軟件流程圖

脈搏信號(hào)處理函數(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)計(jì)算采集脈搏信號(hào)的周期，求出平均數(shù)后進(jìn)行顯示。當(dāng)一個(gè)脈沖過(guò)后，讀出定時(shí)器里面的計(jì)數(shù)值，求出一個(gè)脈搏周期里面定時(shí)脈沖個(gè)數(shù)(10 kHz)，算出一個(gè)脈沖的周期。每采集到十個(gè)周期，計(jì)算脈搏周期平均值，以提高準(zhǔn)確性。最終進(jìn)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(lái)。脈搏測(cè)量程序如下：

/**************脈搏測(cè)量程序*******************/

{

connet=0;

while(KEY4);

while(!KEY4);//使用PD4作為脈搏的檢測(cè)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(jié)語(yǔ)

人體脈搏特征測(cè)量存在多種測(cè)量方式，筆者利用無(wú)線(xiàn)WIFI技術(shù)將測(cè)量終端與數(shù)據(jù)顯示計(jì)算機(jī)分離，為醫(yī)院解決實(shí)際問(wèn)題。將被測(cè)量人員的手指夾在脈搏傳感器上，可在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程獲取脈搏測(cè)量數(shù)據(jù)，其波形能正確反映人體脈搏的真實(shí)特征，與其他測(cè)量?jī)x器比較，準(zhǔn)確率較高，速度快，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)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(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A010104012); 2014年廣東省自然科學(xué)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(dòng)化裝備研究。

TN92；TP391.5

A

1009-0312(2016)05-0029-05