基于J2ME的脈搏波測量系統設計原理

2.2 主控電路和藍牙模塊電路設計

主控芯片采用PDIP-20封裝的C8051F330單片機，易于焊接，其使用Silicon Labs的專(zhuān)利CIP-51微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP-51內核具有標準8052的所有外設部件，包括4個(gè)16位計數器/定時(shí)器、一個(gè)具有增強波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強型SPI端口、768字節內部RAM、128字節特殊功能寄存器（SFR）地址空間，僅使用簡(jiǎn)單的外部電路便可以搭建系統。

HC-05模塊采用的是CSR BC417143B藍牙芯片，同時(shí)內置8 M Flash.具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動(dòng)連接工作模式，在自動(dòng)連接工作模式下模塊又可分為主（MASTER）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）3種工作角色。當模塊處于自動(dòng)連接工作模式時(shí)，將自動(dòng)根據事先設定的方式連接的數據傳輸；當模塊處于命令響應工作模式時(shí)能執行AT命令。通過(guò)控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實(shí)現模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉換。

這里使用其P0.4與P0.5口作為UART傳輸口，與藍牙模塊的UART口通信。

Sout為經(jīng)過(guò)采集和放大電路輸出的脈搏信號，輸入到C8051F330的P1.7進(jìn)行A/D轉換，C8051F330與HC05的UART口對接，將采樣和濾波以后的信號傳輸給藍牙模塊。開(kāi)關(guān)S1用于藍牙模塊復位，二極管D2用于顯示藍牙模塊狀態(tài)。當沒(méi)有數據傳輸時(shí)D2熄滅，當有數據傳輸時(shí)D2閃爍。電路如圖3所示。



圖3 控制與通信電路

3 系統軟件設計

整體系統軟件設計包括單片機端的輸入信號采樣濾波和藍牙程序、手機端的J2ME藍牙客戶(hù)端程序設計兩大部分。

3.1 單片機端濾波設計

由于人體呼吸、電極移動(dòng)會(huì )產(chǎn)生脈搏信號中的基線(xiàn)漂移干擾，頻率較低，一般在0.7 Hz以下，屬于低頻干擾，為了獲取較好的效果必須盡量消除其影響。人體脈搏波信號為準周期的時(shí)間序列，在不同周期的同一相位，其脈搏波的幅值近似不變。如果局部脈搏波在某一時(shí)刻發(fā)生突變，則這一時(shí)刻其幅度必不等于其臨近脈搏波同一相位幅度，根據這一思路，中值濾波的方法處理效果比較好。中值濾波法能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對溫度、液位變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果，因此首先采用中值濾波法盡量消除突發(fā)擾動(dòng)。其基本方法是連續采樣N次（N取奇數），把N次采樣值按大小排列然后取中間值為本次有效值。

移動(dòng)平均濾波對快速周期性運動(dòng)干擾有較強的抵御能力，是對模擬濾波補充的低通濾波器，用于實(shí)時(shí)檢測，只要采樣率足夠高，就能得翻較為理想的測量結果。因此系統在中值濾波后再加一級移動(dòng)平均濾波對數據進(jìn)行二次濾波。

具體算法是：

y（i）=c1y（k）+c2y（k-1）+…+ciy（k-m+1） （1）

式中，y（k）表示第k次采樣時(shí)刻的濾波輸出，各y（i）表示第i次采樣時(shí)刻的信號輸入，括號中的數字i代表第i次采樣時(shí)刻，c1、c2、…、cm是加權系數。

上式意義是將本次輸入數據連同以前共m次的數據進(jìn)行加權平均。如果各ci值相同且等于1/m時(shí)，就成為m項算術(shù)平均運算。

3.2 藍牙設計

藍牙協(xié)議棧提供了一組高層協(xié)議和API以完成發(fā)現服務(wù)和模擬串行I/O,還有一個(gè)關(guān)于包分割和重組的低層協(xié)議以及多路技術(shù)協(xié)議和質(zhì)量服務(wù)。藍牙協(xié)議棧如圖4所示。



圖4 藍牙協(xié)議棧

應用層（Application）：這一層運行的是藍牙通信的J2ME通信程序，通過(guò)調用藍牙無(wú)線(xiàn)層的API,就可以直接書(shū)寫(xiě)相應的通信功能的程序。

藍牙無(wú)線(xiàn)層（JSR-082）：所有開(kāi)發(fā)的API均在該層調用，與下層交互。

服務(wù)發(fā)現協(xié)議層（SDP）：用于在遠程藍牙設備上尋找服務(wù)。服務(wù)器維護一張服務(wù)記錄列表，每個(gè)服務(wù)記錄都包含服務(wù)器上一個(gè)服務(wù)的信息，每個(gè)服務(wù)對應一個(gè)服務(wù)記錄?？蛻?hù)端訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器時(shí)，首先要獲得服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)記錄，然后通過(guò)服務(wù)記錄建立連接。

邏輯鏈接控制器適配層協(xié)議（1.2CAP）：為上層協(xié)議提供面向連接和無(wú)連接的數據服務(wù)，并提供多協(xié)議功能和分割重組操作，可傳輸和接收最大長(cháng)度64 KB的L2CAP數據包。

虛擬串口協(xié)議（RFCOMM）：基于L2CAP協(xié)議的虛擬串口協(xié)議，因為它允許藍牙設備模擬串口的功能，所以采用它進(jìn)行數據傳輸。

對象交換（OBEX）：可以用來(lái)傳輸文件或者交換對象數據，OBEX協(xié)議是基于RFCOMM實(shí)現的。

主機控制器接口（HCI）層：這一層是主機和控制器之間的接口，其他所有的層都要經(jīng)過(guò)HCI。

3.2.1 單片機藍牙設計

單片機使用UART接口和藍牙模塊進(jìn)行通信。HC-05為藍牙透明傳輸模塊，專(zhuān)為具有異步串口的用戶(hù)提供快捷藍牙點(diǎn)對點(diǎn)通訊。用戶(hù)不需任何協(xié)議，就像有線(xiàn)電纜連接一樣，只需對串口寫(xiě)入數據，就可以將數據傳輸到遠端用戶(hù)設備。上電后藍牙主機模塊復位、讀藍牙模塊地址、設置狀態(tài)參數和初始化模塊，與遠端的手機連接成功后，可以通過(guò)UART異步串口與從機通信。這里將HC-05設置為主機模式，經(jīng)過(guò)初始化后提供藍牙服務(wù)，等待手機端藍牙客戶(hù)端連接。

3. 2.2 手機端J2ME設計

J2ME（Java2 Platform,Micro Edition）是Sun專(zhuān)門(mén)為小型的資源受限的消費性電子設備的應用程序開(kāi)發(fā)所提供新的Java版本，它廣泛的使用于移動(dòng)電話(huà)、PDA（個(gè)人數字助理以及電視機頂盒等眾多小型資源受限設備中。對于J2ME來(lái)說(shuō)，由于其得天獨厚的跨平臺性與良好的可移植性，使得其在設備繁多、平臺異?；靵y的手機與PDA市場(chǎng)更顯得如魚(yú)得水。

J2ME平臺是由配置（Configurations）和簡(jiǎn)表（Profile）構成的。配置是提供給量大范圍設備使用的最小類(lèi)庫集合，在配置中同時(shí)包含Java虛擬機（JVM）。簡(jiǎn)表是針對一系列設備提供的開(kāi)發(fā)包集合。在J2ME中還有一個(gè)重要的概念：可選包（Optioual Package），它是針對特定設備提供的類(lèi)庫，比如某些設備是支持藍牙的，針對此功能，J2ME中制定了JSR82（Bluetooth API）提供了對藍牙的支持。程序流程圖如圖5所示。