基于Cortex-M3處理器的紅外脈搏數據采集系統的設計

1.2.3 USB模塊

　　芯片集成的USB2.0通信模塊，不需要外接USB控制芯片，為微控制器和PC主機所實(shí)現的功能之間提供了符合USB規范的通信連接。微控制器和PC主機之間的數據傳輸通過(guò)共享一個(gè)專(zhuān)用的數據緩沖區來(lái)完成。USB模塊同PC主機通信，根據USB規范實(shí)現令牌分組檢測，數據發(fā)送、接收處理和握手分組處理，CRC的生成和校驗，整個(gè)傳輸的格式由處理器集成的硬件控制器完成。

2 系統程序設計

　　整個(gè)系統軟件程序在RealView MDK集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成。系統啟動(dòng)時(shí)，按要求完成時(shí)鐘控制、ADC、DMA、中斷控制器、GPIO以及USB模式的配置工作，然后使能USB并啟動(dòng)ADC采集功能，延時(shí)一段時(shí)間等待系統穩定，以避免系統剛啟動(dòng)時(shí)出現誤碼。開(kāi)始數據的實(shí)時(shí)采集與傳輸工作，在進(jìn)行數據傳輸的同時(shí)，處理器進(jìn)行脈搏波數據的波形特征提取與識別，并將分析結果通過(guò)USB發(fā)送至計算機。

　　脈搏波形是一種周期信號，通過(guò)計算相鄰兩個(gè)波形的最大值間隔的時(shí)間即可得出脈率，同時(shí)計算單個(gè)脈搏波的最小值，則脈搏波的峰-峰值可由最大值與最小值之差得出。HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出信號幅值在0.2V～1V范圍內，抗混疊濾波器增益為2.575，為了顯示出沒(méi)有脈搏信號時(shí)的水平線(xiàn)，將輸入信號電位抬升0.6V，則采集得到的信號幅值范圍為0.6V～3.175V。選取2.5V信號幅值為示意臨界值，正常人的心率范圍為60～100次/分，當處理器計算出脈搏波形數據異常(幅值小于2.5V，脈率小于60次/分或大于100次/分)，向計算機發(fā)送異常結果及指令，提醒注意。

　　系統程序設計流程如圖3所示。

　　STM32微控制器的ADC進(jìn)行數據轉換需要占用內核，但是利用DMA方式進(jìn)行數據傳送的過(guò)程不耗用內核時(shí)鐘周期，方便了處理器進(jìn)行脈搏波形數據的特征提取與識別任務(wù)。因此，可以避免普通數據傳送模式過(guò)程中，大量占用CPU資源，出現對部分采集到的波形數據丟失的現象[13]，實(shí)現了數據采集實(shí)時(shí)傳送的要求，提高了脈搏波形信號的采集效率以及完整度。

3 系統測試

　　采集系統硬件預留TP1為脈搏儀輸出信號測試點(diǎn)，TP3為信號調理電路輸出測試點(diǎn)。通過(guò)USB接口電纜連接采集板與PC機，采集板上的LED電源指示燈亮，說(shuō)明系統供電正常。紅外脈搏儀通過(guò)3.5mm標準音頻接口與采集板相連接。使用Agilent公司生產(chǎn)的DSO-X 2012A型示波器進(jìn)行測量。

　　將紅外傳感器接入系統的傳感器接口，示波器測得的原信號波形與處理后的波形如圖4所示。通道1測得的波形為HKG-07B紅外脈搏傳感器輸出波形(上)，通道2測得的波形為采集板信號調理電路輸出信號波形(下)。信號經(jīng)過(guò)4階巴特沃斯抗混疊濾波器后，噪聲得到了明顯的抑制，輸出信號明顯比傳感器原始輸出信號光滑。

　　利用上位機軟件進(jìn)行分組測試。上位機對數據進(jìn)行了一次濾波處理，以使得到的波形更加平滑，如圖5所示，分別為采集的2位測試者的脈搏波形。

　　由測試結果可知，數據采集系統較好的完成了數據采集任務(wù)，采集波形清晰完整，無(wú)明顯失真現象，USB數據傳輸未出現誤碼，工作正常穩定。

4 結論

　　采用Cortex-M3內核32位處理器設計紅外式脈搏數據采集系統是一次成功的嘗試。系統研制過(guò)程中，STM32F103VET6處理器內部集成高速ADC模塊和USB接口模塊等豐富的資源為系統設計帶來(lái)了諸多便利。此外，抗混疊濾波器在抑制干擾噪聲方面的優(yōu)勢也是系統成功開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵之一?？梢灶A見(jiàn)，探索脈搏信號波形特征與生理疾病之間的內在聯(lián)系，并將其應用于實(shí)際，必將成為醫療衛生領(lǐng)域內的又一研究熱點(diǎn)。最后，隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)和實(shí)時(shí)高速數據采集技術(shù)的廣泛應用，研究數字化抗混疊濾波器，從而克服采用分立元件設計電路固有的參數漂移等諸多弊端，也必將進(jìn)一步提升系統綜合性能。

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