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共享一個專用的數據緩沖區來完成。USB模塊同PC主機通信，根據USB規范實現令牌分組檢測，數據發送、接收處理和握手分組處理，CRC的生成和校驗，整個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

　　整個系統軟件程序在RealView MDK集成開發環境下，采用C語言編寫完成。系統啟動時，按要求完成時鐘控制、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ADC采集功能，延時一段時間等待系統穩定，以避免系統剛啟動時出現誤碼。開始數據的實時采集與傳輸工作，在進行數據傳輸的同時，處理器進行脈搏波數據的波形特征提取與識別，并將分析結果通過USB發送至計算機。

　　脈搏波形是一種周期信號，通過計算相鄰兩個波形的最大值間隔的時間即可得出脈率，同時計算單個脈搏波的最小值，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，為了顯示出沒有脈搏信號時的水平線，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進行數據轉換需要占用內核，但是利用DMA方式進行數據傳送的過程不耗用內核時鐘周期，方便了處理器進行脈搏波形數據的特征提取與識別任務。因此，可以避免普通數據傳送模式過程中，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]，實現了數據采集實時傳送的要求，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，TP3為信號調理電路輸出測試點。通過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，說明系統供電正常。紅外脈搏儀通過3.5mm標準音頻接口與采集板相連接。使用Agilent公司生產的DSO-X 2012A型示波器進行測量。

　　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)。信號經過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。

　　利用上位機軟件進行分組測試。上位機對數據進行了一次濾波處理，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，采集波形清晰完整，無明顯失真現象，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了諸多便利。此外，抗混疊濾波器在抑制干擾噪聲方面的優勢也是系統成功開發的關鍵之一。可以預見，探索脈搏信號波形特征與生理疾病之間的內在聯系，并將其應用于實際，必將成為醫療衛生領域內的又一研究熱點。最后，隨著數字信號處理技術和實時高速數據采集技術的廣泛應用，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，也必將進一步提升系統綜合性能。

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