郭海濤 吳開(kāi)澤

摘 要 微處理器的高性能和低功耗特性為可穿戴類設(shè)備的普及提供了技術(shù)支持，可穿戴設(shè)備的通用特征是具備對(duì)微動(dòng)信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)與數(shù)值統(tǒng)計(jì)功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要將信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)輸出等功能進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，并要力求成品的體積微型化以便于攜帶。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代學(xué)徒制 高職院校 人才培養(yǎng)模式 契合度

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.02.016

Abstract Microprocessor performance and low power consumption characteristics for the popularity of wearable devices to provide technical support， wearable devices have the common feature of the micro-signal detection and numerical automatic detection function in the system design process， the need of the signal acquisition， A/D conversion， signal processing and data output functions such as integrated design， and to miniaturize the finished product for easy carrying.

Keywords modern apprenticeship； vocational college； talent training mode； fit degree

0 引言

隨著健康觀念的提升，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多新穎的便攜式電子設(shè)備，體積小，可隨身攜帶，功耗低，具備特定的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理能力，此類產(chǎn)品的流行離不開(kāi)人們對(duì)健康有了更高的關(guān)注度，通常我們會(huì)稱它們?yōu)榭纱┐髟O(shè)備。可穿戴設(shè)備其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是電子軟硬件系統(tǒng)，這些設(shè)備能夠幫我們及時(shí)了解健康指數(shù)、步行頻率等內(nèi)容。此類設(shè)備的共通點(diǎn)是通過(guò)采集人體的微動(dòng)數(shù)據(jù)并加以分析比較，來(lái)評(píng)測(cè)當(dāng)時(shí)的人體健康狀況。

常見(jiàn)的被測(cè)量量包括脈搏頻率、心跳頻率、計(jì)步數(shù)等，都屬于微動(dòng)信號(hào)范疇。其中脈搏頻率的測(cè)量因便捷、實(shí)用性強(qiáng)受到重視，從脈搏信號(hào)中提取到的人體的生理信息能夠關(guān)系到疾病的前期預(yù)防和診斷，有重要應(yīng)用前景。在醫(yī)院內(nèi)部有測(cè)量脈搏的專業(yè)設(shè)備，體積大，價(jià)格貴，屬于醫(yī)療專用設(shè)備，難以普及。目前市面上一些小型的類似設(shè)備則精度較低、功耗偏高，能夠做到計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、低功耗的設(shè)備比較少。在使用過(guò)程中，脈搏信號(hào)所呈現(xiàn)出的形態(tài)（波形）、強(qiáng)度（波幅）、速率（波速）和節(jié)律（周期）等方面的綜合信息，能直觀的反映出人體心血管系統(tǒng)的健康指數(shù)和病理特征，所以對(duì)脈搏信號(hào)的采集和處理應(yīng)是非常準(zhǔn)確的?？紤]到人體的生理信號(hào)多屬于低頻弱信號(hào)，脈搏波信號(hào)更是低頻微弱的非電生理信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)放大和后級(jí)濾波才能滿足采集的要求。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)環(huán)節(jié)：包括信號(hào)采集電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，嵌入式信號(hào)處理電路以及數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)，針對(duì)本電路的具體情況，設(shè)計(jì)電路圖如圖1所示：

信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行頻率取樣，取樣結(jié)果為帶毛刺的鋸齒波，通過(guò)濾波對(duì)信息進(jìn)行初步處理，然后設(shè)置合理的閾值并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將脈動(dòng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)，經(jīng)由以STM32嵌入式芯片為核心的數(shù)字信號(hào)處理單元進(jìn)行計(jì)量和驅(qū)動(dòng)輸出，在LED數(shù)顯模塊中將脈搏頻率顯示出來(lái)。

2 脈搏微動(dòng)信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換

傳感器采用壓電薄膜傳感器，利用壓電薄膜的動(dòng)態(tài)應(yīng)變片特性，可以將壓電薄膜直接固定在手腕內(nèi)側(cè)；壓電薄膜能探測(cè)位移量微小的物理信號(hào)，其PVDF膜的壓電響應(yīng)在相當(dāng)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)都是線性的。正常情況下，采集到的信號(hào)中，既包括目標(biāo)信號(hào)也包含噪聲信號(hào)，兩種信號(hào)疊加的波形如圖2中波峰曲線所示，脈搏信號(hào)和噪聲的帶寬是有明顯差異的，脈搏信號(hào)屬于低頻信號(hào)，采用低通濾波可將噪聲信號(hào)過(guò)濾掉，然后設(shè)定閾值電壓，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)由脈搏信號(hào)向數(shù)字脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)化，本系統(tǒng)中所設(shè)閾值為0.7mv，可將模擬信號(hào)有效轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用STM32的ADC1通道1來(lái)采樣外部電壓值，其最大轉(zhuǎn)換速率為1MHz（最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 s），通過(guò)代碼設(shè)置通道1的采樣時(shí)間：

ADC1->SMPR2&=～（7<<3）；//通道1采樣時(shí)間清空

ADC1->SMPR2|=7<<3；//提高采樣周期

ADC->CR2=1<<0；//開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換器

ADC->CR2=1<<3；//等待校準(zhǔn)結(jié)束

while（ADC1->CR2&1<<3）；//在校準(zhǔn)寄存器被初始化后該位被清除

ADC1->CR2&1<<2）；//開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換

while（ADC1->CR2&1<<2）；//等待校準(zhǔn)結(jié)束，獲取ADC值

……

3 STM32數(shù)字信號(hào)處理電路

STM32數(shù)字信號(hào)處理單元是脈搏信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)傳感器輸入信號(hào)的讀取和數(shù)碼管輸出顯示電路的輸出控制。STM32芯片基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。STM32增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是32位系統(tǒng)的最佳選擇，內(nèi)置32K到128K的閃存，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，相當(dāng)于0.5mA/MHz。

通電后，首先進(jìn)行程序初始化。主程序的初始化模塊主要完成芯片端口、單片機(jī)內(nèi)專用寄存器的設(shè)定，整機(jī)初始化結(jié)束后，檢測(cè)I/O口的狀態(tài)，如果檢測(cè)到上升沿，則根據(jù)代碼程序檢測(cè)脈搏波動(dòng)頻率，測(cè)得脈搏波動(dòng)頻率之后，送到LCD顯示單元進(jìn)行顯示，如圖3所示：

在信號(hào)處理過(guò)程中，它對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)規(guī)則將輸入信號(hào)輸出到下一級(jí)，其主函數(shù)main函數(shù)中，作為核心要件的捕獲狀態(tài)的編程代碼如下：

int main（void）

{ u32 temp=0

Stm32_Clock_Init（9）；//系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置

uart_init（72）；//串口初始化為9600

delay_init（72）；//延時(shí)初始化

LED_Init；//初始化與LED連接的硬件接口

TIM3_PWM_Init（899，72-1）；//不分頻

TIM5_Cap_Init（OXFFFF，72-1）；//以1MHz計(jì)數(shù)

while（1）

{delay_ms（10）

LED0_PWM_VAL++；

if（LED0_PWM_val==300）LED0_PWM_VAL=0；

if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）//捕獲到高電平

……

4 脈搏頻率數(shù)顯模塊

在脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)完成采集和處理之后，為了使用者能夠直觀看到脈搏微動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)值，還需要用數(shù)顯模塊進(jìn)行輸出，數(shù)顯模塊可以采用共陽(yáng)極模式來(lái)驅(qū)動(dòng)。在數(shù)顯模塊的設(shè)計(jì)中，STM32核心電路的輸出信號(hào)作為數(shù)顯模塊的輸入信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)邏輯和驅(qū)動(dòng)電流的傳遞，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字化，設(shè)備的使用者能夠在顯示屏上面看到微動(dòng)數(shù)據(jù)的具體數(shù)值，如果數(shù)值超過(guò)了正常范圍，該電路還會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警信號(hào)。

5 分析與總結(jié)

脈搏信號(hào)是微動(dòng)信號(hào)的一種，其他類型的微動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)處理方法都與該系統(tǒng)有相似的軟硬件設(shè)計(jì)思路，只是微動(dòng)數(shù)據(jù)的精度要求需因地制宜可能會(huì)有較大差異，導(dǎo)致信號(hào)采集過(guò)程所采用的傳感器模塊精度不同。在該系統(tǒng)中，功耗也是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素，這是便攜式應(yīng)用設(shè)備的共同特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分是STM32核心電路的硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件代碼的編寫(xiě)。在頻率顯示模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，微動(dòng)測(cè)量類產(chǎn)品的信息顯示模塊的設(shè)計(jì)思路是具有共通性的，設(shè)計(jì)難度較小，一般具有較高的可移植性。

參考文獻(xiàn)

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