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基于无线传感技术的脉搏数据采集平台设计

Kaisheng Zhang¹²

College of Electrical Engineering

Science and Shaanxi University Technology

Xian, Shaanxi, 710021, P.R China

Zhejiang Wenzhou Research Institute of Light Industry

ZheJiang, 325003, P.R China

Huabiao Wei and Rongyan Shi

Department of Student Affairs

Science and Shaanxi University Technology

Xian, Shaanxi, 710021, P.R China

摘要：嵌入式睡眠监测器研究中经常遇到的棘手问题是对不同类型的脉搏信号的确认。为了准确获取不同类型的脉搏信号，为执行器提供可靠的控制信息，本文提出了一种基于无线传感器技术的脉搏数据采集平台。通过无线变换网络将身体的脉搏信号传送到个人计算机。并且可以根据计算机丰富的资源显示，存储和分析身体的不同脉波信号，从而为睡眠监测提供可靠的实际数据。结果表明，基于无线传感器技术的脉搏数据采集平台具有简单，直观，准确等优点。

关键词： 脉搏数据采集; 无线传感器; 数据平台ARM7; 研究与设计

1.介绍

在传统医学中，患者在中医诊断中被“外观，嗅觉，询问，触摸”诊断出来。触摸是切莫的诊断。 中医医生用三指触摸诊所工作人员的右手，“英寸，风俗，尺子”的手可以捕获人体的生理信息—血流和动脉壁波脉冲，并结合多种用脉搏综合分析存储在大脑中的疾病，做出正确的诊断。切莫诊断的关键是识别人体脉搏并综合分析各种疾病的脉搏。当今中医药国际高速发展，中药数字化和标准化研究深化，现代计算机技术的应用，中医诊疗辅助系统应运而生。基于无线传感器数据采集脉搏的平台中国脉象诊断系统从数字化开始，可以获得脉搏图像，便于中医诊断。 当我们研究这个项目时，为了更好地了解睡眠状态，我们在手腕上安装的脉搏监视器上使用无线传感器。脉搏信号将通过微处理器发送到PC端的无线接收器，接收器设备带有PC-USB接口数据传输脉搏到PC，使用Visual Basic语言。PC将在屏幕上显示脉搏曲线，同时实时数据将记录在硬盘上，以便研究人员研究步骤。

切脉是一种中医方法，是历史悠久的最具特色的诊断方法。“整体观念”，“辨证论”是其表达的基本精神，而中医理论体系的应用也是不可或缺的一部分。自公元3世纪以来，中国第一部有关脉搏的著作《脉象》已经形成，脉搏理论不断丰富和完善，对国内外医学发展产生了重大影响。脉搏理论研究中医理论，中医学或改进临床诊疗，以及现代医学的发展，具有很大的作用。

随着工业革命，西医发展，中国脉象理论，无论是理论还是研究方法，都很少有。虽然有了新的突破，但脉搏理论过于复杂和过时，因此脉诊的临床应用受到了相当大的限制。中国脉象理论的经验和规则有其理性和实践的区域，但往往给人以神奇和不可预测的印象，长期影响着对继承和发展的影响。因此，实现脉象理论的目的是继承和利用中医脉搏诊断的关键。

随着标准USB设备应用的发展，USB在国内外处于高速发展阶段。在USB数据采集方面，USB和其他工业控制领域已经取得了成就，并已成功应用于现实中。本期专门针对嵌入式脉搏监测与报警仪器数据采集系统的一个子项目，从中国脉象数字化启动，采集，再现脉搏波，脉搏监测报警，为嵌入式控制仪器提供准确的数据平台。同时，医生可以提供准确的诊断和分析技术手段。

2.系统中整体框架的设计

基于无线传感器的脉搏数据采集平台用于获取数据，无线传输和处理。设计分为三个部分：脉搏信号采集电路部分，USB接口电路部分和主机。整体框图如图1所示。

图1.整体框图

2.1 获取脉搏信号的部分

脉搏传感器用于在采集脉搏信号的模块中将压力信号传输到模拟电信号中。 其技术指标如下：

范围：0 - 40 Kpa

灵敏度：不低于1mV / Kpa

固有频率：不低于300Hz

工作温度范围：17 - 40°C

静态精度（包括非线性，滞后，可重复性）：不超过1％FS

热灵敏度漂移：不大于0.2％FS / C.

非线性：不超过0.05％FS

输出电压：1plusmn;0.1 Vp-p

频率响应：0.05 - 100Hz（-3dB）

输入短路噪声电平：不大于8mu;V

零输出电压：不大于10mV

热零漂移：不大于0.04％FS / C.

传感器输出限制器：plusmn;1.00 Vp-p - plusmn;1.25 Vp-p

功耗：不超过200mW

我们使用的传感器可以使用惠斯通电桥设计的电流源或电压源。基于半导体的传感器提供高分辨率，传感器是硅橡胶膜片，可以保证低电压下的分辨率。隔膜通过一个特殊的硅胶体与塑料连接器连接，将硅膜片施加在压敏电阻膜片上施加的力。电阻器的背部暴露在周围的大气压力下，从而产生压力表输出脉搏的频率信息通常在0.5-4Hz之间，并且它是弱的非电生理信号，甚至是低频信号。谐波分量的有效频率小于40Hz。脉搏信号很容易被背景中断。根据信号的频率范围，我们可以选择200Hz的采样频率。获取数据的数量由准确性和速度决定。如果我们保证准确性，采样频率应尽可能快，以满足实时采集、处理和控制的要求。LPC2103 是信号采集模块的核心，主要任务是选择工作模式，系统初始化，微处理器控制工作，并根据PC命令完成AD采样器的主程序，Flash存储器和接口控制。

系统的信号采集模块由脉搏传感器和无线发射器模块组成。脉搏传感器负责脉搏信号采集，然后将其转换为电信号，由ARM7 LPC2103的A/D转换为数字信号。数字信号由无线电发射器模块发送。在硬件设计中，来自脉搏传感器的脉搏信号被 LPC2103的A /D转换器放大，滤波，然后信号转换成数字信号，大大简化了整个外围电路。

A /D转换器是数据采集系统中最重要的部分，它直接影响数据采集系统的性能。A/D转换器的速度选择由我们要求的任务决定。如果我们想要高速采集，然后使用高速A/D转换器。虽然A/D转换器的转换速度处于同一数量级，但不同的转换方式对同一任务具有不同的影响。A/D转换器的准确性是另一个关键因素。在该系统中，我们根据A/D转换器的要求选择了组件，此外，系统的成本是另一个关键因素。 在系统中，精度要求非常高而不是速度。我们考虑了LPC2103 最终选择的各种条件。LPC2103的内部具有10位逐次逼近型A/D转换器，测量范围为0 - 3.3V，转换时间为2.44mu;s。

2.2 USB 接口模块的设计

为了使数据采集系统向PC传输，需要设计数据采集系统和PC接口模块。 通过 USB（通用串行总线）实现数据通信的计算机和外围设备之间的良好解决方案。它不仅解决了各种设备之间资源冲突的传统方法和速度限制等问题，而且易于实现低成本高，数据采集可靠性高。目前大多数PC机都有USB接口，其操作系统软件也完全支持USB设备。USB协议意味着USB外围设备应该是智能的。控制器芯片必须知道如何检测和响应USB端口事件，支持存储发送数据和获取数据的方法。通信时USB控制器芯片的支持不同。有些芯片只需要访问一系列寄存器来存储和恢复USB数据其他芯片需要程序代码做更多的工作，包括重新获取描述符的管理，设置数据切换值并确保正确的交换 数据包被发送等等。一些控制器芯片包括CPU的共同特征，而其他控制器芯片是使用最简单的方法和他们的接口与外部CPU连接，根据需要处理与非USB任务和通信的通信。因此，微控制器和USB接口之间有两种选择：带USB接口的微处理器和通用USB收发器。

3.软件设计

硬件系统设计完成后，需要设计软件以全面支持硬件。 数据采集系统软件通常由两部分组成：驱动软件和应用软件。

驱动软件直接在数据采集硬件系统设计的软件层，通常是标准总线或通过计算机接口，从I/O指令完成计算机和数据采集模块的信息交换，管理和计算机系统操作和资源组合，如CPU中断，DMA传输等。在维护高性能驱动软件的条件下，为用户提供易于理解，同时隐藏复杂，详细的硬件设计和编程。应用软件增加了分析和显示功能，因此人机界面的设计允许通过键盘或鼠标设置数据采集系统参数。可以使用一个好的软件为用户提供简单，直观和移动的软件。用户的操作界面友好，易于操作，主要取决于获取计算机数据的系统的软件的成功或失败。

系统软件设计过程包括设备硬件，USB设备驱动程序和应用程序代码，微处理器控制的无线传输和接收代码由C语言编写，其框图如图2所示。

图2.无线收发框图

根据实际需要，需要在系统中完成的任务是：接收主机通过串口通信发送的控制命令，数据采集并存储到Flash存储器，然后通过串口通信发送到主机。脉搏数据采集系统是计算机应用系统的一部分，是下属计算机的智能接口，主机是中央计算机。它们都通过USB接口进行通信并交换信息。脉搏数据由下属计算机获取，存储，发送和处理，并根据不同需求进行响应分析，以显示分析的输出结果作为医学诊断或医学研究的依据。主机可以使用C Builder，Visual C 编程系统等。 系统中使用Visual Basic语言。我们还没准备好将它们介绍给纸张有限的空间。

4.结论

我们发现工作压力增加，生活节奏加快，睡眠障碍是一种普遍现象。据统计，约有 10％至20％的成年人患有不同程度的失眠症，约有4％至6％的人口患有呼吸暂停综合症。睡眠质量的程度会在短期内影响人们的工作和学习，如果以这种方式继续进行，则会引发许多疾病。

近年来，为了发现脉象信号生成机制的本质和本质，并更准确地反映人体的生理和病理状况，国内外学者经过长时间的探索不断做了大量的工作。无线传感器网络采用睡眠者的脉搏信号无线传输，无线接收器通过个人计算机的USB端口接收微处理器上的无线信号传输到个人计算机，使用他们的个人计算机进行显示，存储，分析，这可能是一个理想的数据处理平台。我们的实验证明，这种基于方法提供精确数据的方法是简单直观的数据来研究那些脉搏信号的睡眠。

5.致谢

本文部分得到以下项目的支持：陕西科技大学教育改革研究项目，项目编号为 09ZJ20，陕西省科技局产业研究项目，2008k05-23和浙江温州研究轻工业研究所，项目编号为 H2009030。

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