基于Cortex-M3處理器的紅外脈搏數據采集系統的設計

摘要：設計了一種基于Cortex-M3處理器的紅外式脈搏數據采集系統，詳細闡述了紅外式脈搏傳感器、抗混疊濾波調理電路和STM32F103VET6處理器等軟硬件設計的技術(shù)要點(diǎn)。此外，基于內置USB接口模塊，系統實(shí)現了與上位機之間實(shí)時(shí)快速的數據通信。測試結果表明，系統采集的脈搏波形清晰，滿(mǎn)足病理分析對脈搏波形的要求。

引言

　　從脈搏波信號中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據，歷來(lái)都受到中外醫學(xué)界的重視。脈搏波信號包含了大量的具有臨床醫學(xué)參考意義的信息，準確、高效的采集和分析處理脈搏波信號對觀(guān)測人體生理病理信息有著(zhù)重要意義^[1-2]。但是，掌握中醫診脈技巧難度較大，不僅需要名醫的指導傳授，更需要長(cháng)時(shí)間的經(jīng)驗積累?？梢钥吹?，隨著(zhù)現代生物醫學(xué)的發(fā)展，借助儀器儀表實(shí)時(shí)獲取脈搏信息^[3-5] (例如脈象儀)，不僅能精確繪制脈搏波形，同時(shí)能進(jìn)行頻譜分析^[6]。而受到儀器自身體積和銷(xiāo)售價(jià)格的限制，脈象儀無(wú)法得到廣泛的應用。目前，傳統的便攜式脈搏測試裝置只能統計脈搏跳動(dòng)的次數，不能反映出脈搏波形特征等重要信息。因此，本文設計一種低成本便攜式的脈搏波形數據采集系統顯得尤為迫切。

　　本文采用HKG-07B型紅外脈搏傳感器獲取人體指尖脈搏波信號，并基于Cortex-M3內核的微控制器進(jìn)行數據采集、分析與傳輸工作，可實(shí)現對患者的長(cháng)時(shí)間實(shí)時(shí)監護，利用上位機將存儲數據提交到專(zhuān)業(yè)醫療機構做進(jìn)一步的分析和診斷。

1 系統整體硬件設計

　　數據采集系統使用了HKG-07B型紅外傳感器將脈搏波信號轉換為模擬信號，通過(guò)內部ADC轉換模塊轉換為數字信號，由處理器完成對波形的特征提取與識別任務(wù);采用DMA直接存取技術(shù)，不占用微控制器內核工作時(shí)間，直接將轉換數據通過(guò)USB總線(xiàn)方式傳送至PC機，由上位機軟件實(shí)現數據的波形還原、分析等工作。系統整體硬件結構見(jiàn)圖1。圖中，虛線(xiàn)框內的ADC轉換模塊、DMA傳輸模塊和USB接口模塊是基于處理器內部資源完成的，既減小了設計開(kāi)發(fā)難度，也節約了硬件成本。

　　系統中，處理器所承擔的工作任務(wù)較為繁重，既要實(shí)時(shí)的完成對前級輸入信號的數字化轉換，同時(shí)還要對脈搏波形數據進(jìn)行波形特征提取與識別，將轉換的脈搏波形數據以及波形特征提取、識別結果通過(guò)USB接口上傳至PC機系統。而系統所采用的STM32F103VET6芯片是一款基于Cortex-M3內核的32位處理器。該芯片內部資源豐富，集成USB、I²C和CAN等多種接口模塊，以及12位精度的AD轉換器和DMA控制器等功能模塊^[7]，運行速度快，最大時(shí)鐘頻率可達72MHz，而且功耗低，非常適合于本系統中。

1.1 信號調理電路設計

　　在測控系統的數據采集過(guò)程中，不可避免地會(huì )有高頻干擾信號混雜在有用信號當中。當這些信號的頻率超過(guò)奈奎斯特采樣定理所規定的范圍時(shí)，會(huì )采集到一些不確定的信號并對有用信號造成干擾，即頻率混疊。為了最大程度地抑制或消除混疊現象對動(dòng)態(tài)測控系統數據采集的影響，需要利用抗混疊濾波器將無(wú)用信號進(jìn)行衰減和濾除。

　　HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出信號幅值在0.2V～1V范圍內，噪聲紋波大?？紤]到脈搏儀輸出波形頻率參數在0.8Hz～8Hz之間[8]，包含了高頻噪聲，由于該傳感器的輸出的有效信號頻率范圍極小，需要設計一種擁有更敏銳截止頻率的高品質(zhì)濾波器，實(shí)現對噪聲信號的濾除。

　　比較巴特沃斯、貝賽爾及切比雪夫低通濾波器的幅頻、相頻特性^[9-10]，可以得出，巴特沃斯濾波器有著(zhù)最為平坦的通帶幅值響應，但高于截止頻率的衰減度略小，相位線(xiàn)性度略差;貝賽爾濾波器的相位特性最好，但高于截止頻率的衰減度最小，且通帶幅值響應較差;而切比雪夫濾波器在高于截止頻率時(shí)有著(zhù)最大的衰減度，但相位線(xiàn)性度最差，且在通帶范圍內會(huì )發(fā)生諧振現象。由于脈搏波濾波電路要求良好的相位線(xiàn)性特征，同時(shí)要求幅度響應的平坦度要好，這兩方面的參數要求使得巴特沃斯濾波器成為一個(gè)最佳的選擇。

　　設計了一款4階有源正反饋巴特沃斯抗混疊濾波器，截止頻率設定為15Hz，用來(lái)濾除源信號以外的干擾信號;運算放大器選用TI公司的LF353N型芯片，該款芯片自身具備內部電壓補償、寬增益帶寬、高轉換率、微功耗、高阻抗以及高響應速度等優(yōu)勢，完全滿(mǎn)足本設計中信號調理電路的要求。

　　根據巴特沃斯LPF歸一化表格，可以得出抗混疊濾波器器件的參數選擇^[11]，根據信號固有頻率的要求選擇濾波器關(guān)鍵電容的數值大小為: C₁=C₂=C₅=C₆=0.1mF。由截止頻率計算公式，取R₁=R₂=R₅=R₆=R，則有：

　　代入數據，可計算出

　　設計的抗混疊濾波器由兩個(gè)二階巴特沃斯低通濾波電路級聯(lián)而成，根據巴特沃斯低通濾波器電路階數與增益之間的關(guān)系^[12]，四階巴特沃斯第一級增益A₁=1.152，第二級增益A₂=2.235，因此總的通帶增益:

　　A=A₁A₂=1.152×2.235≈2.575

　　現選R₃=10KΩ，R₇=10KΩ，則根據已知的增益可以計算出：

R₄=(1.152-1) R₃≈1.5KΩ

R₈=(2.235-1) R₇≈12.3KΩ

　　設計的抗混疊濾波電路如圖2所示，均選用1%精度的電阻及電容器件。

1.2 Cortex-M3處理器

1.2.1 ADC模塊

　　STM32F103VET6微控制器集成了3個(gè)12位精度的ADC，最大采樣率可達1MSPS。ADC總轉換時(shí)間為：

　　TCONV = 采樣時(shí)間 + 12.5個(gè)周期

　　其中AD轉換過(guò)程中有12.5個(gè)固有周期。

　　由于人體的心率一般為60～100次/分，嬰兒的心率可達到150次/分，一個(gè)脈搏的持續時(shí)間為400～1000ms。為了使獲得的脈搏波形包含足夠大的信息量，將ADC1時(shí)鐘配置為14MHz，采樣時(shí)間配置為1.5個(gè)周期，選用通道0進(jìn)行數據采集，總轉換時(shí)間為：

　　TCONV = 1.5個(gè)周期 + 12.5個(gè)周期 = 14個(gè)周期 = 1ms，即達到最大1MSPS的采樣率。設置3.3V參考電壓，單通道軟件觸發(fā)模式連續轉換。

1.2.2 DMA模塊

　　直接存儲器存取(DMA)用來(lái)提供在外設和存儲器之間或者存儲器和存儲器之間的高速數據傳輸。本設計使用DMA1的通道1進(jìn)行數據傳輸，配置為最高優(yōu)先級循環(huán)傳輸模式。無(wú)須CPU干預，數據可以通過(guò)DMA快速地移動(dòng)，節省了CPU的資源來(lái)完成對脈搏波形數據進(jìn)行波形特征提取與識別操作。