郝真鳴，李召，郝晉淵，蘇嬌

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.河北大學(xué) 中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院，河北 保定 071002)

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基于安卓音頻接口的多參健康檢測(cè)終端設(shè)計(jì)

郝真鳴1，李召1，郝晉淵2，蘇嬌1

(1.河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.河北大學(xué) 中央蘭開夏傳媒與創(chuàng)意學(xué)院，河北 保定 071002)

隨著現(xiàn)代社會(huì)老齡化速度加快，亞健康和慢性病人群比例逐步升高，這些嚴(yán)重制約著和諧社會(huì)的實(shí)現(xiàn)和人們生活質(zhì)量的提高.但是傳統(tǒng)的醫(yī)療資源存在城鄉(xiāng)分布不均、優(yōu)劣混雜等等各種不足，遠(yuǎn)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求.因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏、體溫、血氧等多種健康數(shù)據(jù)的檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種基于智能手機(jī)的音頻通信的多參數(shù)健康檢測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)采用低功耗的Msp430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈搏、體溫、血氧等參數(shù)的采集，然后將得到的數(shù)據(jù)按特殊的調(diào)幅通信協(xié)議編碼后通過(guò)手機(jī)音頻接口傳送給手機(jī)終端，最后脈搏、體溫、血氧等參數(shù)在手機(jī)終端按通信協(xié)議解碼后就可以顯示在手機(jī)終端的界面上，實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的檢測(cè).通過(guò)測(cè)試該設(shè)計(jì)采集速度快、操作方便簡(jiǎn)單，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

多參數(shù)；手機(jī)音頻通信；安卓；調(diào)幅調(diào)制

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于身體健康的關(guān)注度也越來(lái)越高.在信息化、智能化的環(huán)境下，各種智能化的脈搏、體溫、血氧等健康參數(shù)檢測(cè)設(shè)備層出不窮.在智能化手機(jī)普及的今天，手機(jī)的各項(xiàng)功能都被大大增強(qiáng)，于是智能化手機(jī)便成了目前最方便快捷的處理終端，并且安卓系統(tǒng)的智能手機(jī)所占的市場(chǎng)份額最大，因此各種基于安卓智能手機(jī)的檢測(cè)設(shè)備便孕育而生，本設(shè)計(jì)也不例外.智能手機(jī)的對(duì)外通信接口多種多樣，有音頻接口、USB接口和firewire接口等，其中以3.5 mm的音頻接口通用性最強(qiáng)，基本所有手機(jī)都會(huì)有這個(gè)接口，因此在一些通用性要求較強(qiáng)的設(shè)備中，利用手機(jī)音頻接口通信的就要占其中重要的一部分.

目前應(yīng)用較廣的“拉卡拉”、“樂刷”等都是利用手機(jī)音頻接口通信的典型例子，它們利用的便是音頻接口通信的通用性強(qiáng)和便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，本設(shè)計(jì)便以脈搏、體溫、血氧等參數(shù)采集的實(shí)現(xiàn)為例來(lái)進(jìn)行介紹.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先搭建好MSP430單片機(jī)與脈搏、體溫、血氧傳感器的電路：在由單片機(jī)供給傳感器電源后利用傳感器將脈搏、體溫、血氧等信號(hào)采集傳遞給單片機(jī)，然后利用單片機(jī)將采集到的脈搏、體溫、血氧數(shù)據(jù)通過(guò)特殊的通信方式調(diào)制后輸出，而輸出的調(diào)制信號(hào)通過(guò)耳機(jī)接口的Mic通道傳送給手機(jī)，最后利用Android平臺(tái)開發(fā)的應(yīng)用程序來(lái)解調(diào)處理采集到的調(diào)制信號(hào)[2]，將解碼得到的脈搏、體溫、血氧數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)APP界面上.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 System overall structure diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中下位機(jī)使用的是MSP430系列的MSP430F149 單片機(jī)芯片,其是美國(guó) TI 公司推出的超低功耗微處理器 ,具有功耗低、低電壓供電、寬工作電壓范圍、低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信等特點(diǎn)[3].脈搏傳感器使用的是HK-2000B+壓電式傳感器，體溫傳感器采用的是華強(qiáng)創(chuàng)意電子的體溫采集模塊，血氧傳感器則使用的是Pulse/SOP2傳感器，而應(yīng)用程序是在IAR embedded workbench平臺(tái)下用C語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā).

2.1 脈搏、體溫、血氧采集

脈搏數(shù)據(jù)的采集是利用的HK-2000B+傳感器,其是根據(jù)壓電反應(yīng)原理制成.血氧數(shù)據(jù)的采集則是利用的Pulse/SOP2傳感器，其配備2個(gè)紅外線LED和1個(gè)紅色LED，并利用可見紅光感應(yīng)來(lái)采集2個(gè)頻率的光的信息，這2個(gè)頻率的光的采集是必要的用于感測(cè)和計(jì)算血液中的氧飽和度.而體溫傳感器則利用的是華強(qiáng)創(chuàng)意電子的體溫采集模塊，其體溫信號(hào)是以電壓為識(shí)別信號(hào)，體溫值和模塊輸出的電壓值呈線性關(guān)系.如圖1所示將3種傳感器各引腳與對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳相連，其中脈搏信號(hào)是利用引腳的比較器功能將脈搏的模擬波形信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后從數(shù)字信號(hào)中識(shí)別出每一個(gè)脈搏的波峰將它進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，而體溫和血氧信號(hào)則是利用A/D得到體溫采集模塊和血氧模塊輸出的電壓值，然后再利用體溫值、血氧值和電壓值的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到最終體溫和血氧數(shù)據(jù)，最后將得到的體溫值數(shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)、脈搏頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼調(diào)制后的信號(hào)傳送給手機(jī)端.

2.2 特殊的調(diào)幅調(diào)制編碼

數(shù)字通信有Fsk(調(diào)頻)、Psk(調(diào)相)、Ask(調(diào)幅)3種方式，該設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)這3種信號(hào)調(diào)制方式的研究，實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的調(diào)幅調(diào)制方式.由于手機(jī)音頻接口最高采樣頻率的限制，使得這種調(diào)幅調(diào)制方式與傳統(tǒng)幾種方式相比不僅能在手機(jī)音頻接口通信中達(dá)到更高的傳輸速率，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便.手機(jī)音頻接口在MIC通道電路里有一個(gè)隔直電容，隔直電容的作用是隔直流通交流，因此為了減少這個(gè)隔直電容對(duì)輸入信號(hào)的影響，就在單片機(jī)調(diào)制信號(hào)時(shí)將輸出信號(hào)調(diào)制為交流信號(hào)[4].單片機(jī)單一引腳只能輸出直流信號(hào)，輸出交流信號(hào)則需要2個(gè)引腳的配合，如圖2所示，設(shè)其中2個(gè)引腳為Px.1、Px.2，其他2個(gè)為Py.1、Py.2.

當(dāng)Px.1輸出高電平時(shí)，Py.1輸出低電平便能產(chǎn)生1個(gè)周期波形前半個(gè)周期的高電平；而當(dāng)Px.1輸出低電平時(shí)，Py.1輸出高電平便能產(chǎn)生1個(gè)周期波形的后半個(gè)周期的低電平，從而輸出1個(gè)完整周期的交流信號(hào).

改進(jìn)的調(diào)幅調(diào)制也是通過(guò)圖2所示的電路實(shí)現(xiàn)的，調(diào)制信號(hào)由m430單片機(jī)的4個(gè)引腳兩兩相互作用產(chǎn)生.Px.1、Py.1負(fù)責(zé)輸出完整周期的交流信號(hào)，而Px.2、Py.2則根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)值有選擇性的拉低相對(duì)應(yīng)的主引腳電平，形成如圖3的波形.當(dāng)輸出“0”時(shí)，Px.2、Py.2都取低電平，這樣就可以通過(guò)二極管將Px.1、Py.1輸出的波形整個(gè)周期都拉低，形成如圖3中的代表“0”的波形；當(dāng)輸出“1”時(shí)，Px.2取低電平而Py.2取高電平，這樣通過(guò)二極管只能將前半個(gè)周期的波形拉低，這樣便能形成如圖3中代表數(shù)據(jù)“1”的波形；當(dāng)輸出“2”時(shí)，Px.2取高電平而Py.2取低電平，這樣通過(guò)二極管只能將后半個(gè)周期的波形拉低，這樣便能形成如圖3中代表數(shù)據(jù)“2”的波形；當(dāng)輸出“3”時(shí)，Px.2和Py.2都取高電平，這樣正反2個(gè)方向的波形都沒有發(fā)生變化，這樣便能形成如圖3中代表數(shù)據(jù)“3”的波形.

圖3 編碼后的數(shù)據(jù)波形Fig.3 Coded data waveform

這種調(diào)制編碼為四進(jìn)制編碼，每個(gè)數(shù)據(jù)周期波形攜帶的數(shù)據(jù)量更大，總體傳輸速率也就更快,具體編碼實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示.

2.3 下位機(jī)供電方式

對(duì)下位機(jī)供電目前主流有2種方法：一種是下位機(jī)自帶供電電源，如“拉卡拉”等，便是自帶鋰電池；另一種是通過(guò)智能手機(jī)音頻接口供給電源.相比于第2種需要將音頻接口的輸出電壓先升壓再整流濾波的方法，第1種方法實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單方便很多，因此本設(shè)計(jì)采用的便是第1種方法，利用3.7 V的鋰電池給單片機(jī)進(jìn)行供電.

3 軟件設(shè)計(jì)

Android智能手機(jī)終端的應(yīng)用程序是基于Android 4.2版本，在Eclipse平臺(tái)下用Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，其主要內(nèi)容包括設(shè)計(jì)一個(gè)人機(jī)交互界面、信號(hào)解碼處理和實(shí)時(shí)顯示等.

Android智能手機(jī)終端對(duì)音頻信號(hào)的處理只能通過(guò)音頻接口來(lái)實(shí)現(xiàn).例如接收單片機(jī)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，只能先通過(guò)手機(jī)的內(nèi)置音頻芯片對(duì)音頻輸入MIC接口的音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、采集、量化為PCM格式的數(shù)據(jù)，然后將得到的PCM格式數(shù)據(jù)使用純軟件算法解碼出從單片機(jī)傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)[5].

圖4 單片機(jī)數(shù)據(jù)編碼流程Fig.4 Singlechip data coding flow chart

3.1 UI界面的設(shè)計(jì)

User Interface (UI)界面指的即是人機(jī)交互界面，此界面貫徹了方便簡(jiǎn)單的原則，使得功能又好又簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn).

人機(jī)交互界面即主界面如圖5所示，目前主要是脈搏等健康數(shù)據(jù)的采集和相鄰幾分鐘內(nèi)的脈搏頻率等數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)折線圖顯示.當(dāng)用戶需要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能時(shí)只需要點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)功能的按鈕就可以了，每個(gè)按鈕都設(shè)置了按鍵監(jiān)聽，點(diǎn)擊即能激活相應(yīng)的監(jiān)聽程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能.

3.2 采集數(shù)據(jù)的解碼和顯示

在Android智能手機(jī)上對(duì)音頻接口中接收的信號(hào)的采樣是通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部的音頻芯片完成的，每次利用純軟件的AudioRecord類將接收的信號(hào)進(jìn)行采樣、量化等處理，然后將轉(zhuǎn)換成的PCM格式數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)在接收緩沖區(qū)，再通過(guò)read接口回調(diào)得到采樣數(shù)據(jù)，最后按解碼算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼得到最終數(shù)據(jù).

利用幅值比較的方法來(lái)識(shí)別發(fā)送的數(shù)據(jù)，因?yàn)樵跊]有數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候單片機(jī)一直發(fā)送的是高低電平交替的最高幅值的交流波形，按調(diào)制編碼上位機(jī)應(yīng)該識(shí)別為“3”，故在數(shù)據(jù)發(fā)送的第1位加上一位起始位，緊接著是4位4進(jìn)制數(shù)據(jù)，最后是一位奇偶校驗(yàn)位也是結(jié)束位.

數(shù)據(jù)發(fā)送的空閑時(shí)間內(nèi)是用4位以上的3來(lái)表示，設(shè)正向高電平幅值范圍是(a0,a1)，反向高電平幅值的范圍是(b0,b1),正向低電平幅值范圍是(a2,a3),反向低電平幅值的范圍是(b2,b3)，通過(guò)每個(gè)周期波形的正向幅值和反向幅值來(lái)判別出當(dāng)前數(shù)值，然后解碼過(guò)程便如圖6所示.

圖5 安卓智能手機(jī)終端的初始界面Fig.5 Initial interface of Android smart phone terminal

圖6 手機(jī)端解碼流程Fig.6 Mobile terminal decoding flow chart

4 方案測(cè)試

本設(shè)計(jì)采用的是特殊調(diào)幅調(diào)制的編碼方式，傳統(tǒng)應(yīng)用較多的是曼徹斯特編碼和FSK編碼方式，而相較于數(shù)據(jù)傳送速率而言，NFSK編碼要比曼徹斯特編碼快，因此這里進(jìn)行的是特殊調(diào)幅調(diào)制編碼與FSK編碼的比較[6].

NFSK編碼即利用N種不同的頻率來(lái)表示N個(gè)數(shù)值，其中最常用的是2FSK.在本設(shè)計(jì)中由于手機(jī)音頻口最高采樣頻率僅為44.1 kHz，以2FSK和4FSK為例，由采樣定理可知，被采樣的頻率應(yīng)該小于等于采樣頻率的1/2，但是為了有一些更好的差錯(cuò)容忍度，設(shè)最高頻率f1為11 kHz[7]，這樣每個(gè)周期能采到4個(gè)點(diǎn);而另一個(gè)頻率f2要與f1區(qū)別，則至少要能每個(gè)周期采到8個(gè)點(diǎn)，即f2最高為5.5 kHz;同理，f3要使得每個(gè)周期采到16個(gè)點(diǎn)，即f3最高為2.8 kHz;f4要使的每個(gè)周期采到32個(gè)點(diǎn)，則f4最高為1.4 kHz左右.

2FSK是2進(jìn)制編碼，發(fā)送1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)要發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)周期，再加上起始位和一位奇校驗(yàn)位，設(shè)數(shù)據(jù)位奇數(shù)個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)奇校驗(yàn)位為0，否則為1.這樣2FSK編碼的傳輸速率是0.66 kHz到1.1 kHz之間;4FSK是4進(jìn)制編碼，發(fā)送1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)需要發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)周期，再加上起始位和一位奇校驗(yàn)位共6個(gè)數(shù)據(jù)周期，則其傳輸速率是0.8～1.8 kHz.由以上可知如果是8FSK時(shí)，最低頻率甚至?xí)档?0 Hz,由于手機(jī)音頻口采集時(shí)會(huì)將長(zhǎng)時(shí)間不變的信號(hào)強(qiáng)行拉低和隔直電容的隔直流作用可知8FSK編碼方式在這里是不可用的[8].

特殊的調(diào)幅調(diào)制編碼方式也是4進(jìn)制編碼，則數(shù)據(jù)位共有4位，由于最高音頻口采樣頻率的限制，調(diào)幅編碼的頻率最高為11 kHz，再加上同樣的一位起始位和一位奇偶校驗(yàn)位也是每個(gè)發(fā)送周期都有6位數(shù)據(jù)周期，由于每個(gè)數(shù)據(jù)周期相等，則特殊的調(diào)幅調(diào)制編碼的數(shù)據(jù)傳送速率是1.8 kHz，具體如表1所示.設(shè)FSK編碼中f1代表“0”，f2代表“1”，f3代表“2”，f4代表“3”.

表1 不同編碼方式的通信傳送速率表

在圖7中，橫坐標(biāo)是要發(fā)送的數(shù)據(jù)值，縱坐標(biāo)表示的是發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)的傳輸速率，由圖7可知發(fā)送8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)即0到255過(guò)程中3種編碼方式的傳送速率情況，顯然特殊調(diào)幅調(diào)制方式要比2FSK和4FSK編碼調(diào)制的速率要快而且穩(wěn)定，證明了此編碼方式在傳送速率方面的優(yōu)越性.最終測(cè)試過(guò)程中，手機(jī)端界面的顯示如圖8所示，界面的最上方顯示的是當(dāng)前一次測(cè)量的數(shù)據(jù)，下方的折線圖則是脈搏次數(shù)動(dòng)態(tài)的顯示，當(dāng)前一次即橫坐標(biāo)0時(shí)和前幾次采集數(shù)據(jù)的顯示，每次檢測(cè)數(shù)據(jù)更新一次，即折線圖上的數(shù)據(jù)向右移一位.這樣的界面既簡(jiǎn)單易懂，顯示的數(shù)據(jù)又有一定的實(shí)際參考價(jià)值.

圖7 8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)在不同編碼方式下的通信速率Fig.7 Fig of communication rate of eight bit binary data in different coding modes

圖8 手機(jī)終端脈搏檢測(cè)過(guò)程中的顯示界面Fig.8 Display interface in the process of pulse testing of mobile phone

5 結(jié)論

提出了一種通過(guò)手機(jī)音頻接口與MSP430單片機(jī)之間通信的一種方案，并且對(duì)該方案中的技術(shù)原理與具體流程做了詳盡的表述.提出了一種特殊的調(diào)幅調(diào)制編碼方法，其方法與傳統(tǒng)的方式相比在傳輸速率上有較大的優(yōu)勢(shì)，分析結(jié)果證明該方式簡(jiǎn)潔有效，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；而且以后還可以再增加一些其他生理傳感器，完成其他生理參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便.當(dāng)然該方案中還有一些不足，例如：如果能實(shí)現(xiàn)手機(jī)音頻接口供電，那手機(jī)外設(shè)就不用擔(dān)心會(huì)突然出現(xiàn)電量不足等問題；如果能建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將每個(gè)時(shí)刻測(cè)得的脈搏、體溫、血氧等健康數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，還能隨時(shí)查看以往時(shí)刻存入的數(shù)據(jù)，就能便于更好地長(zhǎng)時(shí)間自我監(jiān)測(cè)等，后續(xù)會(huì)對(duì)其加以改進(jìn)，努力將該方案完成得更好.

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(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Terminal design of multi-parameter health detection based on the android audio interface

HAO Zhenming1,LI Zhao1,HAO Jinyuan2,SU Jiao1

(1.College of Electronic Informational Engineering，Hebei University，Baoding 071002,China;2.HBU/UCLAN School of Media，Communication and Creative Industries，Baoding 071002,China)

With the aggravating trend of aging population,the proportion of the population who are suffering sub-health and chronic disease increases.This situation seriously restricts the improvement of the harmonious society and the quality of peoples' life.However,the traditional medical resource shows some problems,such as uneven distribution and quality difference between urban and rural areas,this cannot meet people’s growing demand.In order to obtain health data,for example,pulse,temperature，blood oxygen,one multi-parameter health detection system is designed based on the android audio interface.This system adopts low power consu-mption Msp430 single clip microcomputer to collect the data of pulse,temperature,blood oxygen,etc.Then it codes the data follows a special amplitude communication protocol and transfers them to the mobile terminal through the android audio interface.Lastly，after the decoding，the data of pulse,temperature and blood oxygen could display on the mobile screen and achieves multi-parameter data detection,this design makes operation simple and fast,and it thus has practical value.

multiple parametera；mobilephone audio communication；Android；amplitude modulation

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.05.013

2016-06-21

河北大學(xué)中西部綜合能力提升計(jì)劃項(xiàng)目

郝真鳴(1964—)，男，山西壽陽(yáng)人，河北大學(xué)正高級(jí)工程師，主要從事自動(dòng)化控制、檢測(cè)技術(shù)等研究. E-mail: hbdxhzm@163.com

TN919

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1000-1565(2016)05-0529-06