王璠+高云紅+趙浩杰+郭鵬程+張慶新

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)、心率傳感器與上位機(jī)組成。STC12C5A60S2單片機(jī)具有片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，可以直接采集心率傳感器輸出信號(hào)，并通過串口發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)至上位機(jī)。在上位機(jī)利用虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件LABVIEW對(duì)采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)心率的實(shí)時(shí)測(cè)量、心跳波形的實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積小，功耗低，能對(duì)心電信號(hào)實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，適合家庭使用，對(duì)心血管疾病的預(yù)防和長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；虛擬儀器；心率監(jiān)測(cè)；光電脈搏傳感器

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）27-0219-03

Abstract： A new type of heart rate detection system based on LABVIEW is developed in the paper. The system consists of STC12C5A60S2 MCU minimum system， heart rate sensor and computer machine. STC12C5A60S2 microcontroller with on-chip ADC can acquis heart rate sensor output signal directly， and send measurement data to PC machine through the serial port ， in the PC machine LabVIEW software is used to process collection information ， realize the real-time heart rate （HR） monitoring， display heartbeat waveform and storage data. The monitoring system has the advantages of small volume， low power consumption， real-time ECG signal display and storage， suitable for family use. And it has important significance for prevention and long-term monitoring of cardiovascular disease.

Key words： MCU； virtual instrument； heart rate detection； photoelectric pulse sensor

隨著生活水平的提高，家庭保健受到了越來越多地關(guān)注。心臟病是危害人類健康的頭號(hào)殺手，但心臟病的發(fā)作往往是隨機(jī)的、短暫的，患者難以及時(shí)趕到醫(yī)院進(jìn)行心電檢查，從而影響到病因的及時(shí)診斷。研發(fā)一種成本低、可靠性強(qiáng)、適合家庭使用的實(shí)時(shí)心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著重要的意義[1-3]。本文提出了一種電路簡(jiǎn)潔可靠，使用方便的心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率變化并利用上位機(jī)顯示，極大地滿足了實(shí)際使用需求與市場(chǎng)需要。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

針對(duì)本課題任務(wù)，系統(tǒng)使用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控電路，并利用單片機(jī)片內(nèi)10位高速ADC讀取傳感器測(cè)量信號(hào)。單片機(jī)與上位機(jī)間經(jīng)由串口進(jìn)行通信，僅占用兩根管腳，大大節(jié)省了單片機(jī)I/O資源。上位機(jī)可設(shè)置波特率等信息，并能顯示心跳波形及心率值。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[4]。

STC12C5A60S2單片機(jī)是深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)，完全兼容MCS-51指令，具有60K程序存儲(chǔ)器，1280B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，4個(gè)定時(shí)器，4組8位并行I/O口。考慮到本設(shè)計(jì)需要使用串口功能，因此使用11.0592MHz外部晶振構(gòu)成時(shí)鐘電路，保證波特率精度。STC12C5A60S2單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口與P1口復(fù)用，共8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到 250KHz（25萬次/秒），足以分辨每60秒內(nèi)僅100次左右的心跳。設(shè)計(jì)中使用P1.0口作為心率傳感器的A/D轉(zhuǎn)換接口。片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器共涉及到8個(gè)相關(guān)寄存器，使用時(shí)可僅操作A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC_CONTR、P1口特殊功能寄存器P1ASF、以及結(jié)果寄存器ADC_RES。其中A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC_CONTR是使用片內(nèi)ADC的關(guān)鍵。該寄存器共8位，用于設(shè)置ADC電源、轉(zhuǎn)換速度、通道選擇等，如表1所示。

心率測(cè)量通過光電式脈搏傳感器實(shí)現(xiàn)。脈搏主要由人體動(dòng)脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖組織中的動(dòng)脈成分含量高，且指尖厚度相對(duì)其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測(cè)到的光強(qiáng)相對(duì)較大，因此光電式脈搏傳感器的測(cè)量部位通常在人體指尖。在恒定波長(zhǎng)光源的照射下，通過檢測(cè)透過手指的光強(qiáng)可以間接測(cè)量到人體的脈搏信號(hào)，即可得到心率值。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，設(shè)置定時(shí)中斷間隔，啟動(dòng)片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)串口通信。上位機(jī)經(jīng)過串口向單片機(jī)發(fā)送檢測(cè)閾值，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，在串口中斷服務(wù)程序中向上位機(jī)發(fā)送心率數(shù)據(jù)。上位機(jī)使用LabVIEW軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。LabVIEW是一種圖形化編程語言，功能強(qiáng)大，能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)量波形，十分適合本系統(tǒng)使用[5]。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

在主程序中，首先進(jìn)行定時(shí)器初始化、串口初始化以及ADC初始化，用于心跳周期測(cè)量、串口數(shù)據(jù)發(fā)送以及A/D轉(zhuǎn)換。之后循環(huán)執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換，心率計(jì)算程序。其流程如圖2所示。在進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序后，關(guān)閉串口中斷，避免發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生重復(fù)中斷。依次發(fā)送AD值與心率值，發(fā)送完成后再次打開串口中斷返回。定時(shí)器每1ms中斷一次，中斷服務(wù)函數(shù)中以計(jì)數(shù)變量計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)變量在心率測(cè)量函數(shù)中進(jìn)行清零。

2.2 心率計(jì)算程序設(shè)計(jì)

心率計(jì)算使用測(cè)周法，即測(cè)量心跳波形周期，進(jìn)而推算心率。心跳波形中每個(gè)周期會(huì)出現(xiàn)一高一低兩個(gè)波峰，需進(jìn)行過濾處理。具體方法是在上位機(jī)設(shè)定檢測(cè)閾值，只有幅值大于閾值的波峰可被檢測(cè)。下位機(jī)測(cè)量時(shí)，根據(jù)閾值自動(dòng)濾掉較低的波峰，以較高的波峰為準(zhǔn)測(cè)量周期。使用定時(shí)器定時(shí)并利用計(jì)數(shù)變量計(jì)算周期，第一次檢測(cè)到波峰時(shí)開始計(jì)時(shí)，第二次檢測(cè)到波峰時(shí)停止計(jì)時(shí)，便可得到心跳周期。心率計(jì)算公式：BPM=60/T，其中BPM為心率值，T為心跳周期。心率計(jì)算程序流程圖如圖3所示。

2.3 LabVIEW程序

本設(shè)計(jì)使用LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器來顯示心跳波形、心率值以及串口波特率等信息。使用虛擬儀器省去了額外的人機(jī)交互設(shè)備，極大地降低了系統(tǒng)成本。本設(shè)計(jì)虛擬儀器界面如圖4所示。設(shè)計(jì)中使用串口進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)通信，在LabVIEW程序中使用“VISA配置串口”進(jìn)行串口配置，可設(shè)置：端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位。配置完串口后，使用“VISA寫入”將心率監(jiān)測(cè)閾值發(fā)送至下位機(jī)。在發(fā)送之前，需要對(duì)輸入值進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將“U8”數(shù)值轉(zhuǎn)換為字符串，以便利用“VISA寫入”經(jīng)串口發(fā)送至下位機(jī)。當(dāng)下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)并產(chǎn)生中斷后，將向上位機(jī)發(fā)送5字節(jié)數(shù)據(jù)，包括波形數(shù)據(jù)與心率值。使用“VISA讀入”函數(shù)進(jìn)行接收，并設(shè)置接收5字節(jié)數(shù)據(jù)。

上位機(jī)接收到下位機(jī)發(fā)送的5字節(jié)數(shù)據(jù)，并以字符串形式存儲(chǔ)，為了最終顯示，需進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。首先使用“字符串至數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換”函數(shù)，將接收到的字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值數(shù)組，之后進(jìn)行數(shù)組索引，提取各字節(jié)數(shù)據(jù)。前4字節(jié)為波形數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換為ASCII碼形式，并進(jìn)行組合以供“波形圖表”控件進(jìn)行使用。最后一字節(jié)為心率值，可直接顯示。程序如圖5所示。

3 結(jié)論

在調(diào)試過程中反復(fù)對(duì)AD采集功能進(jìn)行了驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠保證可以準(zhǔn)確地采集到傳感器值；對(duì)心率計(jì)算程序進(jìn)行測(cè)試，上位機(jī)可以接收到合理的心率值；多次開關(guān)上位機(jī)后均可得到心率值；多次調(diào)整檢測(cè)閾值后，心率值獲取不受影響；心率值可隨具體情況實(shí)時(shí)變化。通過對(duì)上位機(jī)進(jìn)行測(cè)試，預(yù)定波形可正確顯示、實(shí)時(shí)變化，波特率等信息可自由設(shè)置。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)要求。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)心率；可以顯示心跳波形與心率值；上位機(jī)顯示正常，無卡頓等問題。但是由于設(shè)計(jì)時(shí)間較短，上位機(jī)界面比較簡(jiǎn)單，顯示信息也較少。另外心率測(cè)量算法有待進(jìn)一步完善，測(cè)量值有時(shí)不夠穩(wěn)定。

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