基于LabVIEW的脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

1、基于LabVIEW的脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計摘要本課題以STC15單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心的心率測量儀的設(shè)計，先采用紅外對管采集脈搏的信號，然后將LM328當(dāng)做運(yùn)放設(shè)計調(diào)理電路而處理所采集的信號，在其處理之后，將其送至單片機(jī)實施A/D采樣與算法處理，其后在液晶屏上顯示出脈率與脈搏波形。此外，應(yīng)用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計而取得和MCU之間的通信?；緦崿F(xiàn)了對人體脈搏的測量，以及對脈搏波形的實時監(jiān)控。此次脈率測量的設(shè)計方式較為簡捷，并且具有精準(zhǔn)的測試結(jié)果與整齊大方的顯示界面，因此其發(fā)展前景是光明的。關(guān)鍵詞：脈搏檢測系統(tǒng)，STC15W408AS，紅外光電傳感器，串口，LabVIEWAbstractThi

2、s topic to STC15 single-chip microcomputer as core control system of the heart rate meter design, by using infrared tube to pulse signal, the amplification filter circuit for filter and amplification processing, the pulse signals using LM328 as op-amp design control circuit to realize the collection

3、 of signal processing, the processing of signal into the MCU A/D sampling and processing algorithm, the final realization of pulse waveform on the LCD panel and pulse frequency display. In addition, LabVIEW is used to design the upper machine to communicate with MCU. The measurement of human pulse a

4、nd the real-time monitoring of pulse waveform are realized. The design measuring pulse rate method is simple, the test result is accurate, the display interface is friendly, has the relatively good development prospect.Keywords:Pulse detection system, STC15W408AS,infrared emission receiving sensor,

5、serial port, LabVIEW目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc19246 1 引言 PAGEREF _Toc19246 1 HYPERLINK l _Toc28538 1.1 脈搏的研究背景 PAGEREF _Toc28538 1 HYPERLINK l _Toc4529 1.2 選題意義 PAGEREF _Toc4529 1 HYPERLINK l _Toc5995 2 系統(tǒng)設(shè)計方案 PAGEREF _Toc5995 1 HYPERLINK l _Toc13324 2.1 實現(xiàn)的要求和功能 PAGEREF _Toc13324 1 HYPERLI

6、NK l _Toc15336 2.2 采集主控芯片方案 PAGEREF _Toc15336 2 HYPERLINK l _Toc5509 2.3 脈搏傳感器的選擇 PAGEREF _Toc5509 2 HYPERLINK l _Toc21965 2.4 上位機(jī)實現(xiàn)方案 PAGEREF _Toc21965 4 HYPERLINK l _Toc2953 3 硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc2953 4 HYPERLINK l _Toc11467 3.1 系統(tǒng)總框架 PAGEREF _Toc11467 4 HYPERLINK l _Toc20247 3.2 單片機(jī)模塊 PAGEREF _Toc

7、20247 5 HYPERLINK l _Toc11693 3.2.1主芯片STC15W408AS介紹 PAGEREF _Toc11693 5 HYPERLINK l _Toc31342 3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 PAGEREF _Toc31342 6 HYPERLINK l _Toc28625 3.2.3電源電路 PAGEREF _Toc28625 6 HYPERLINK l _Toc32038 3.2.4復(fù)位電路 PAGEREF _Toc32038 73.3 脈搏信號的采集 HYPERLINK l _Toc19288 PAGEREF _Toc19288 7 HYPERLINK l _

8、Toc547 3.4 脈搏信號的處理 PAGEREF _Toc547 8 HYPERLINK l _Toc11731 3.4.1低通濾波放大電路 PAGEREF _Toc11731 8 HYPERLINK l _Toc24060 3.4.2 電壓比較器 PAGEREF _Toc24060 9 HYPERLINK l _Toc2436 3.4.3 運(yùn)算放大器LM358 PAGEREF _Toc2436 10 HYPERLINK l _Toc4562 3.5 液晶顯示模塊 PAGEREF _Toc4562 11 HYPERLINK l _Toc23397 3.6 USB串口通信模塊 PAGEREF

9、 _Toc23397 11 HYPERLINK l _Toc3499 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc3499 12 HYPERLINK l _Toc26250 4.1測量計算原理 PAGEREF _Toc26250 12 HYPERLINK l _Toc30409 4.2主程序流程介紹 PAGEREF _Toc30409 12 HYPERLINK l _Toc30635 4.3顯示程序流程 PAGEREF _Toc30635 13 HYPERLINK l _Toc6551 4.4 ADC 采用程序流程介紹 PAGEREF _Toc6551 14 HYPERLINK l _Toc22

10、991 4.5 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計 PAGEREF _Toc22991 15 HYPERLINK l _Toc11296 4.5.1 LaBVTEW串口通信配置 PAGEREF _Toc11296 16 HYPERLINK l _Toc11630 4.5.2 LabVIEW 脈搏波形顯示以及脈率計算 PAGEREF _Toc11630 17 HYPERLINK l _Toc27956 5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析 PAGEREF _Toc27956 19 HYPERLINK l _Toc7555 5.1測試方法和儀器 PAGEREF _Toc7555 19 HYPERLINK l _Toc

11、19868 6 誤差分析與修正 PAGEREF _Toc19868 22 HYPERLINK l _Toc2670 總結(jié) PAGEREF _Toc2670 23 HYPERLINK l _Toc31761 致謝 PAGEREF _Toc31761 24 HYPERLINK l _Toc16527 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc16527 25 HYPERLINK l _Toc12756 附錄 PAGEREF _Toc12756 26 HYPERLINK l _Toc16634 附錄A硬件原理圖 PAGEREF _Toc16634 26 HYPERLINK l _Toc19734 附錄B P

12、CB圖 PAGEREF _Toc19734 27 HYPERLINK l _Toc5320 附錄C 硬件外觀圖 PAGEREF _Toc5320 28 HYPERLINK l _Toc28562 附錄D LabVIEW程序及前面板： PAGEREF _Toc28562 29 HYPERLINK l _Toc10175 附錄F 部分程序 PAGEREF _Toc10175 301 引言脈搏的研究背景每分鐘脈搏跳動次數(shù)這一物理量在生產(chǎn)加工，人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面都是一個最基本也是非常重要的一個物理量，在很多應(yīng)用條件下，需要對脈搏跳動這個量進(jìn)行檢測和監(jiān)控。近幾年來，伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對現(xiàn)代

13、設(shè)備的精度的要求也越來越高，信息技術(shù)領(lǐng)域的前沿尖端技術(shù)包括了傳感器技術(shù)，通訊技術(shù)、以及計算機(jī)技術(shù)。在了解人體脈搏跳動的狀況之后，便能夠推斷出心臟的狀況，進(jìn)而了解到我們身體的健康水平。但是，對于診斷看病來講，此項工作存在著一定的難度，因此掌握診脈方式是相對困難的。1.2 選題意義由心臟搏動而引起的脈搏,我們可以根據(jù)這個線索去找反映身體的重要標(biāo)志。針對脈搏的跳動,我們都知道在中醫(yī)上有一種非常重要的診斷方式，那就是診脈。中醫(yī)的醫(yī)生一直是用手來號脈,進(jìn)而得到脈搏的信息。通過手號脈是一種很難掌握的技巧,因此人們十分的迫切有一種儀器可以快速準(zhǔn)確的得到脈搏跳動的次數(shù)這個信息。作為工業(yè)管制系統(tǒng)中必不可少的組成

14、部分，實時數(shù)據(jù)采集，是進(jìn)行工業(yè)分析，進(jìn)行工業(yè)處理以及控制的根據(jù)。將單片機(jī)采集到的脈搏每分鐘跳動次數(shù)數(shù)據(jù)通過窗口傳輸給上位機(jī)，達(dá)到了進(jìn)行了實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，以保證平常醫(yī)療安全檢測。2 系統(tǒng)設(shè)計方案2.1 實現(xiàn)的要求和功能(1)運(yùn)用光電傳感器原理采集到人體的指尖輸出的脈搏信號，通過A/D轉(zhuǎn)換、MCU處理及設(shè)計的算法得到脈率；(2)通過上位機(jī)(LabVIEW)及液晶屏實時顯示波形及脈率值，實現(xiàn)人體脈率的現(xiàn)場及遠(yuǎn)程實時監(jiān)測；(3)所采集的波形具有噪聲低以及完整干凈的特征；(4)應(yīng)當(dāng)將測量結(jié)果的誤差范圍控制在6%以下；(5)上位機(jī)的富有人性化，以方便專業(yè)人士進(jìn)行分析以及觀察；(6)價格合理，性價比較高。2.

15、2 采集主控芯片方案方案一：利用STC15W408AS單片機(jī)完成對各個模塊進(jìn)行控制。方案二：利用單片機(jī)STC89C51作為控制部分。方案論證：對于方案一所運(yùn)用到的單片機(jī)來講，其是由STC公司所制造的單時鐘/機(jī)器周期（1T)單片機(jī)，其具有抗干擾能力超強(qiáng)、功耗低、可靠性高、以及高速等特點(diǎn)，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。方案二中STC89C51單片機(jī)雖然簡單易懂，但功耗相對較大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾时容^低，要實現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能還存在一定的難度。綜合以上所述，本設(shè)計采用方案一，用STC15W408AS作為芯片控制部分。對于系統(tǒng)所采用的STC15W408AS來講，其是由STC公司所制造的單時鐘/機(jī)器周期(1T)

16、單片機(jī)，其具有抗干擾能力超強(qiáng)、功耗低、以及高速等特征，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容。MAX810存在著數(shù)量眾多的內(nèi)部集成專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。此外，STC15W408AS還帶有豐富多樣以及功能靈活齊全的片內(nèi)外設(shè)，為用戶提供了豐富的選擇空間，同時，也為設(shè)計人員們的設(shè)計、創(chuàng)新、以及創(chuàng)造提供了更大的空間。2.3 脈搏傳感器的選擇對于脈搏跳動的測量來講，主要存在著兩種傳統(tǒng)的測量方式：其一，利用壓力傳感器測量血液中壓力的變化進(jìn)而計算出脈搏的跳動；其二，光電容積法。目前，由于第二種方式測量的準(zhǔn)確性以及便利性，是應(yīng)用最為普遍的監(jiān)測測量方案之一。光電容積法的基本理論是，由于

17、血管正常的搏動時，會導(dǎo)致人體組織不同的透光率，就是利用這種不同，來達(dá)到測量的目的。光源與光電變化器這兩個部分組成了這種傳感器，一般貼著人的耳垂或是手指。光源所運(yùn)用到的發(fā)光二極管的波長范圍在五百納米至七百納米之間，該波長范圍的光，對動脈中氧和血紅蛋白具有選擇吸收的特性。當(dāng)一束光照射人體表皮血管時，由于動脈的搏動會改變血液容積的變化，這種變化會造成此束光的透光率產(chǎn)生一定的變化。光線經(jīng)由人體組織反射之后被光電變換器所接收，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再將這個電信號輸出。由于心臟是周期性搏動的，動脈中的血管容積也會跟著周期性變化。因此，有光電變化得到的電信號也會跟著周期性變化。它們的變化基本上都可以看成是同

18、步的。這樣通過電信號周期性的變化，我們就可以得到脈搏跳動的信息，進(jìn)而的到心率這一指標(biāo)?，F(xiàn)如今，我國市場上主要有兩種常用的光電容積脈搏探測器：其一，反射式光電容積探測器；其二，透射式光電容積探測器。圖2.1為其結(jié)構(gòu)。圖 2.1 反射式與透射式對比Fig 2.1 Comparison of reflection and transmission（1）對于反射式來講，其是通過組織以及血液所反射的光強(qiáng)來對人體脈搏的信號進(jìn)行間接性地測量，其具有更廣范圍的探測。然而，它所提取到的脈搏信號要弱于透射式，對于調(diào)理電路存在著更高的要求。（2）對于透射式來講，其是專門為身體某些較為薄弱的部位而進(jìn)行設(shè)計的，例如：耳

19、朵或手指，由探測器一側(cè)所發(fā)射的近紅外光可以將組織以及血液穿透，而被另一側(cè)的光電探測器接收到，那么便可以將脈搏的信號再次顯現(xiàn)出來。由上述克制，透射式紅外光電傳感器能很好地與本設(shè)計契合，故將其運(yùn)用到本設(shè)計當(dāng)中。當(dāng)手指側(cè)方在紅外對管中間的時候，由于心臟跳動，使得血管中血流量發(fā)生了一定的改變，紅外發(fā)光二極管所發(fā)出的紅外線對手指進(jìn)行照射，通過手指中非血液組織的反射以及衰減，然后經(jīng)由對面紅外接收二極管來進(jìn)行其透射光的接受，然后將所透射的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化成為脈沖，從而將其擴(kuò)大、濾波之后傳至單片機(jī)外部計數(shù)口，其后由單片機(jī)計算以及處理所輸進(jìn)的信號脈沖，那么就能夠?qū)γ}搏次數(shù)進(jìn)行實時地測算，圖2.2是其工作流程圖。2.

20、4 上位機(jī)實現(xiàn)方案上位機(jī)和單片機(jī)實現(xiàn)是通過串口來實現(xiàn)的。單片機(jī)自帶串口，實現(xiàn)起來非常方便。在本設(shè)計中，通信協(xié)議采用自定義的。上位機(jī)的實現(xiàn)方案有很多種，目前主流的面向?qū)ο缶幊誊浖蠽isual Basic .NET、C#、Java、LabVIEW等。在本次設(shè)計中，LabVIEW是上位機(jī)的實現(xiàn)方案。對于編程軟件LabVIEW來講，其是一種由NI公司所研制的虛擬儀器。借助于此軟件便能夠采集數(shù)據(jù)、控制儀器、分析數(shù)據(jù)、以及表達(dá)數(shù)據(jù)。其便于使用者建立適合自身所需的儀器系統(tǒng)。比較于傳統(tǒng)儀器，其具有多變性、以及靈活性的特點(diǎn)，擁有非常廣闊的發(fā)展空間。與傳統(tǒng)程序的設(shè)計方式相比較，LabVIEW存在著諸多無法比擬的

21、優(yōu)點(diǎn)，對于開發(fā)者來講，僅需要連接起邏輯框就能夠形成程序。LabVIEW在進(jìn)行圖形編程時，其表現(xiàn)出了簡便清晰的特點(diǎn)，并且也存在著數(shù)量眾多相對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動，并且也進(jìn)行了眾多表達(dá)模塊以及分析模塊的配置。3 硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)總框架此次設(shè)計以STC15W408AS單片機(jī)為處理控制核心，通過51單片機(jī)的ADC功能，本設(shè)計主要包括了STC15最小系統(tǒng)、LCD12864顯示模塊、信號采集電路、放大電路、比較電路、以及液晶顯示電路。與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)了將脈搏傳感器采集上來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃abVIEW上位機(jī)上，顯示被測者心率值以及波形。系統(tǒng)的總框架如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)總框架Fig 3.

22、1 Overall framework of the system3.2 單片機(jī)模塊3.2.1主芯片STC15W408AS介紹 （1）STC15W408AS單片機(jī)引腳分布如圖3.2所示。圖3.2 STC15W408AS引腳圖Fig 3.2 STC15W408AS pin drawing（2）下面將對STC15W408AS芯片部分引腳的功能及特性進(jìn)行說明：1）RST：表示異步復(fù)位引腳。當(dāng)RST為低電平狀態(tài)時，MCU為復(fù)位狀態(tài)，重設(shè)內(nèi)部寄存器，及片內(nèi)SRAM；當(dāng)RST從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r候，PC指針從0地址開始。STM15中的RST具有施密特功能，在輸入電壓不達(dá)1.9V時芯片會自動復(fù)位。2）SC

23、K、SDA、RS、CS:連接對應(yīng)的液晶顯示屏的接口，SCK是I2C的時鐘控制線，SDA是I2C的數(shù)據(jù)傳輸線,RS為RD是讀數(shù)據(jù)的控制信號。3）P1.0/ADC0：ADC的輸入通道在由調(diào)理電路擴(kuò)大之后的脈搏信號，其峰值大約是0.5V，而對于STC15W408AS系列單片機(jī)來講，在其片內(nèi)集成有12位轉(zhuǎn)換精度的ADC模塊，其分辨率最小是，可以適應(yīng)于精度所需，其采樣頻率高至200ksps,但是信號頻率僅為010赫茲，因此，采樣頻率也同要求相一致。此外，運(yùn)用片內(nèi)集成的ADC12也能夠促使開發(fā)成本得以降低以及系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提升。4）P3.3/INT1:外部中斷1，不僅能夠下降沿中斷，同時能夠上升沿中斷，假

24、使INT1管腳只是下降沿中斷。假使INT1在清0之后，INT1管腳不僅支持上升沿支持下降沿中斷。作為輸出信號接口。5）TXD和RXD：分別為串口發(fā)送和接受引腳。3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊對于單片機(jī)最小系統(tǒng)來講，其指的是單片機(jī)最小的應(yīng)用系統(tǒng)，通過最少的元器件而構(gòu)成的單片機(jī)正常運(yùn)作的系統(tǒng)，由復(fù)位電路、電源電路、以及單片機(jī)所構(gòu)成。3.2.3電源電路本設(shè)計需要5V電源供電，調(diào)理電路中的LM324、LCD顯示、單片機(jī)供電以及紅外發(fā)射傳感器都需5V電源供電。因為電源紋波會極易干擾到微弱的脈搏信號，因此為確保采集到的脈搏信號較為干凈，那么設(shè)計電源同樣十分關(guān)鍵。此處所選取的電壓轉(zhuǎn)換器具有低功耗的特點(diǎn)，它的輸

25、出電流能夠達(dá)到800毫安。此芯片應(yīng)用在電池供電場合是十分適合的。此外，穩(wěn)壓芯片的兩側(cè)均增加了一個100NF的極性電容，其目的是將電源中的低頻信號過濾掉，同時增加了一個10uF的非極性電容，其目的是將電路中的高頻信號過濾掉。在某種程度上，此設(shè)計可以降低電源紋波所產(chǎn)生的干擾，有效地保障了可靠脈搏信號的提取。如圖3.3所示。圖3.3 電源電路Fig 3.3 Power circuit3.2.4 復(fù)位電路對于單片機(jī)復(fù)位來講，其指的是把所有系統(tǒng)進(jìn)行初始化，以利于系統(tǒng)可以返回至原始的狀態(tài)而再次進(jìn)行運(yùn)行。復(fù)位條件是：輸進(jìn)連續(xù)2個周期以上的高電平在RST引腳，其后復(fù)位操作由單片機(jī)開始實施。圖3.4為此次所設(shè)計

26、的復(fù)位電路原理圖。3.3 脈搏信號的采集圖3.5為信號采集電路圖。D1是紅外發(fā)射二極管,D2是紅外接收二極管，紅外傳感器由D1以及D2所構(gòu)成。VCC是電源輸入。在人體手指插到紅外對管中間且心臟收縮的時候，也就是脈搏跳的瞬間。指尖的血液流過的時候，紅外光的透過率下降，經(jīng)過R3的電流低；在心臟處于舒張狀態(tài)時，人體血液開始回流，也就是脈搏不跳的瞬間，指尖所含有的血液較少，具有較高的透過率，經(jīng)過R3的電流便會增大。3.4 脈搏信號的處理3.4.1低通濾波放大電路對于傳感器所直接采集的脈搏信號來講，其是十分微弱的，因此不可以讓單片機(jī)對其實施直接的分析。其必須要先將信號擴(kuò)大以及濾波，將信號擴(kuò)大至V的數(shù)量級

27、。由于脈搏信號具有相對較低的頻率，因此，此處信號的處理選擇了低通濾波電路。如圖3.6所示，此電路是同相比例運(yùn)算電路以及RC濾波電路兩者所組成，電解電容C4是用來隔直流，C4和R4構(gòu)成RC濾波。信號輸入時要經(jīng)過R4和C4共用組成低通濾波電路，目的是將輸入的信號進(jìn)行頻率截止和清除干擾，以提高測量數(shù)據(jù)的精確度。而LM358的作用就是將濾波后得到的微弱信號進(jìn)行放大，以便于被單片機(jī)采集到，放大倍數(shù)則按照單片機(jī)采集信號的標(biāo)準(zhǔn)通過R5和R6的阻值比例來調(diào)整。能夠借助于電位器的調(diào)節(jié)來進(jìn)行電壓放大倍數(shù)的變化，最小的電壓放大倍數(shù)是： （3.1）截止頻率是： （3.2）假如以每秒200次的心率進(jìn)行計算，那么其頻率大

28、約是3.33赫茲，因此濾波的特性還是相對較好的。圖3.6 信號放大電路Fig 3.6 Signal amplifier circuit3.4.2 電壓比較器信號在經(jīng)濾波以及擴(kuò)大之后，其依舊是模擬信號，目前要將此信號送至電壓比較器，把模擬信號轉(zhuǎn)換為低電平或是高電平狀態(tài)的數(shù)字信號。圖3.7為電壓比較器。此為單限比較器，同相輸入端射極跟隨器正向輸入是接上圖的一級放的輸出的，因此此處稱之為二級。三級即為比較器可以將整形之后的脈搏方波輸出，將一LED燈連接在輸出處，此時人體脈搏的跳動便能夠直觀地顯示出來，當(dāng)高電平來一次，那么燈便亮一次。3.4.3 運(yùn)算放大器LM358在處理信號時所運(yùn)用到的運(yùn)放為LM35

29、8.LM358 ，其具有2個內(nèi)部頻率補(bǔ)償、高增益、獨(dú)立的雙運(yùn)放。其不僅能夠工作于單電源模式下，雙電源工作模式同樣適用。下圖3.8是LM358引腳圖。兩個運(yùn)放的信號輸出端口依次是OUT1以及OUT2；GND接地，VCC接電源電壓；IN1（+）為兩個運(yùn)放的同相輸入端，IN2（-）為兩個運(yùn)放反相輸出端。當(dāng)輸入1（+）大于輸入1（-），輸入2（+）大于2（-）是，輸入1和輸出2輸出高電平；當(dāng)輸入1（+）小于輸入1（-），輸入2（+）小于2（-）是，輸入1和輸出2輸出低電平；圖3.8 LM358的引腳結(jié)構(gòu)Fig 3.8 LM358 pin structure3.5 液晶顯示模塊在數(shù)字信號被ADC轉(zhuǎn)換之后

30、，則需在液晶屏予以顯示，因為需將脈搏波形顯示出來，因此應(yīng)當(dāng)選取一種具有較高分辨率的液晶屏，此外，為了使液晶屏便于攜帶，那么其要具備體積小以及功耗低的特點(diǎn)。綜合考慮了之后，便選取了LCD12864顯示屏。對于液晶顯示屏來講，其使用引腳僅為12個，但是在去掉背光引腳以及電源引腳后，僅需5個引腳與單片機(jī)的I/O口相連接，因此十分便利。以更好地促使單片機(jī)靈活地控制液晶屏的背光與電源光，此處選取除GND之外其它5個引腳均受單片機(jī)I/O口的控制。依次連接至P1.3到P1.7七個I/O口中。具體引腳如圖3.10所示：圖3.10 LCD1602顯示模塊原理圖Fig 3.9 LCD1602 display mo

31、dule schematic diagram3.6 USB串口通信模塊在此次的設(shè)計中，應(yīng)用了USB串口來實現(xiàn)LabVIEW上位機(jī)與單片機(jī)之間的通信，在傳輸?shù)倪^程中，USB所運(yùn)用的為差分信號。對于單片機(jī)串口來講，其能夠?qū)崿F(xiàn)TTL，卻只能間接地應(yīng)用在USB通信中，此外USB協(xié)議十分復(fù)雜，通過單片機(jī)難以實現(xiàn)。因此，我們能夠把單片機(jī)串口所輸出的電平借助于CH340G轉(zhuǎn)接芯片而轉(zhuǎn)變?yōu)樯衔粰C(jī)USB接口能夠辨認(rèn)的差分信號以及USB通信協(xié)議實現(xiàn)后，便能夠把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)。在運(yùn)用此項目之后，可以明顯地感受到其所具有的各種優(yōu)點(diǎn)，那么對于應(yīng)用上位機(jī)的有關(guān)儀器設(shè)備具有重要的參考價值。系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1測量計算原

32、理在單片機(jī)中，主要運(yùn)用測量的計算，這個測量的原理是，在t秒時間內(nèi)，有連續(xù)的K個脈搏跳動，則在t時間內(nèi)，脈搏跳動頻率的平均值n（次/min）為：n=60K/t (4-1)我們通過使用脈動信號去控制單片機(jī)上的定時器T0，中斷計數(shù)使用的是工作寄存器，假定該值為N，于是得到：t=0.001N (4-2)由前面兩個式子可以得到：n=60K/t=60K/0.001n=60000K/N (4-3)上式的數(shù)據(jù)模型，就是使用單片機(jī)計算脈動跳動頻率的公式原型。4.2 主程序流程介紹 一般來說，程序的設(shè)計方式大多都是采用模塊化模式。將一個完整的程序設(shè)計成幾個相互獨(dú)立的模塊，每個模塊間互不影響。這樣不僅可以讓模塊的功

33、能更為完整，而且還可以明確設(shè)計思路，增強(qiáng)程序的可讀性。同時也方便整個程序的設(shè)計和調(diào)試，方便管理。圖4.1為主程序流程設(shè)計圖。圖4.1 主程序設(shè)計Fig 4.1 Main program design4.3 顯示程序流程顯示程序的功能主要是將AD轉(zhuǎn)化后的波形以及單片機(jī)計算得到的心率在顯示器上進(jìn)行顯示。如圖，在整個設(shè)計中，最為關(guān)鍵的是10毫秒定時設(shè)計，是脈搏采樣2次的基本條件。本設(shè)計中，10毫秒定時是通過T1定時器來實現(xiàn)的，每10毫秒等待定時的檢測時間t是用XinTiao_Jishu表示，那么就可以由公式n=6000/t來獲得每分鐘脈搏次數(shù)，本設(shè)計的2次脈搏采樣即顯示脈搏次數(shù)，因此當(dāng)M為2 的時候

34、，t為TO計數(shù)器記錄的兩個脈搏時間，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制運(yùn)算，在液晶顯示器上顯示出來。圖4.2 顯示程序流程Fig 4.2 Display program flow4.4 ADC 采用程序流程介紹（1） ADC 初始化。1）P1端口設(shè)置成ADC功能2）ADC存放的10bit數(shù)字信號，清零3）禁止ADC中斷（2）ADC 轉(zhuǎn)換1）ADC上電，確定轉(zhuǎn)換速率和通道，啟動轉(zhuǎn)換2）延時3）等待轉(zhuǎn)換完畢，否則一直等待4）清標(biāo)志位（3）讀取10bit的轉(zhuǎn)換值。4.5 LabVIEW上位機(jī)程序設(shè)計本系統(tǒng)通過RS232串口實現(xiàn)上位機(jī)與中下位機(jī)的通訊。通過串口協(xié)議，單片機(jī)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，前提為設(shè)置好串口的波特

35、率以及工作方式，本系統(tǒng)串口的工作方式選用1，設(shè)定波特率為9600bps。當(dāng)定時器1運(yùn)行到8的位置時，自動開啟重載模式，此刻的波特率為9600bps。下位機(jī)主程序如圖4.3所示。圖4.3 上位機(jī)程序的流程框圖Figure 4.3 flow block diagram for LabVIEW program4.5.1 LaBVTEW串口通信配置本系統(tǒng)采用RS232串口實現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通訊，將下位機(jī)的定時器波特率設(shè)定為9600bps。LabVIEW提供VISA(virtual instrument software architecture)驅(qū)動和函數(shù)接口，可以方便的實現(xiàn)串口儀器設(shè)備的控制。

36、我們將VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O軟件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)稱之為VISA，其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫，可以用于儀器的編程，由于其獨(dú)立于硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境，使開發(fā)人員可以用同一API（application programming interface）控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器。在VISA基礎(chǔ)上實現(xiàn)串口的通訊，其流程包括：先對串口采用VISA ConfigureSerial Port VI進(jìn)行配置，采用VISA Resource Name來配置串口號，Baud rate Data Bits來配置波特率、Parity來配置數(shù)位以及奇偶校驗位。再通過VIS

37、A Write VI在While循環(huán)的串口中輸入數(shù)據(jù)，通過VISA Read VI來進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。最后對VISA串口資源調(diào)用VISA Close VI來完成釋放。下圖4.4為VISA串口的配置函數(shù)。圖 4.4 VISA串口配置Figure 4.4 VISA serial port configuration為了保持與單片機(jī)串口協(xié)議的同步性，這里仍然需要設(shè)定波特率為9600bps，同樣將數(shù)據(jù)比特選定在8位，并將流控制以及奇偶校驗缺省。讀取VISA緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)使用如圖4.5所示的函數(shù)，進(jìn)行VISA讀取的時候，要將單次讀取的字節(jié)數(shù)量提前設(shè)定好，因為串口單次發(fā)送數(shù)據(jù)為5，因此需要在

38、此設(shè)定為5位。讀取得到的數(shù)據(jù)是字符串的類型，還需要轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)字的數(shù)據(jù)類型。圖4.5 VISA串口讀取Figure 4.5 Read by VISA serial port4.5.2 LabVIEW 脈搏波形顯示以及脈率計算為了實現(xiàn)更好的人機(jī)交互，將脈搏電壓可視化地顯示成時域波形，并計算對應(yīng)的脈率，方便了解這一重要生理參數(shù)。如圖4.6所示，VISA串口配置初始化之后，進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取，獲取單片機(jī)端采集到的脈搏電壓隨時間變化的數(shù)據(jù)。在VISA讀取之前增加屬性節(jié)點(diǎn)以查詢VISA的I/O緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)個數(shù)（字節(jié)數(shù)），可以方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。當(dāng)字節(jié)數(shù)為零或者讀取字符串為空時不執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，否則將接收

39、到的十六進(jìn)制字符串轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)用波形圖顯示出來（如圖4.7所示）；另一方面也直接顯示接收到的十六進(jìn)制字符串。對于脈率（通常情況下等于心率）計算，有兩種方式：其一是下位機(jī)直接計算好后將脈率值插入脈搏電壓數(shù)據(jù)中，并加上特定標(biāo)識符，以一定頻率發(fā)送至上位機(jī)，后者直接讀?。黄涠峭ㄟ^上位機(jī)進(jìn)行計算。這里采用第二種方法。如圖4.8所示，VISA串口每次讀取到一定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)，經(jīng)由循環(huán)結(jié)構(gòu)與移位寄存器轉(zhuǎn)換成數(shù)組，再通過LabVIEW的峰值檢測函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)峰值個數(shù)的檢測。為摒除脈搏電壓中各種小起伏的干擾，應(yīng)該設(shè)定合適的峰值檢測閾值，經(jīng)調(diào)試采用該段數(shù)據(jù)（確保數(shù)據(jù)長度足夠，至少能包含一個脈博峰）中最大值的90

40、%作為閾值。由此獲得的峰值個數(shù)再比上該數(shù)據(jù)段對應(yīng)的時間長度，即獲得脈率。圖4.6 脈搏數(shù)據(jù)讀取和顯示的程序框圖Figure 4.6 block diagram for reading and display of the pulse data圖4.7 脈搏數(shù)據(jù)讀取和顯示的前面板Figure 4.7 front panel for reading and display of the pulse data圖4.8 脈率計算的程序框圖Figure 4.8 block diagram for calculation of the pulse rate5 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析5.1測試方法和儀器（1）示

41、波器觀察脈搏波形并分析調(diào)試調(diào)理電路部分，上電之后，在調(diào)理電路的輸出口用杜邦線引出，通過接到示波器，觀察到較為干凈完整的脈搏波形為止。示波器顯示采集到未經(jīng)處理的光電容積脈搏波信號如圖2.9，這種波形是不規(guī)則的，因此很難測量其頻率。但可以對波形進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)化為方波信號，然后就能采用定時器來統(tǒng)計其中相鄰的兩個方波上升或者下降沿的時間。我們可以采用電壓比較器進(jìn)行整形，上文已經(jīng)完成采樣工作，因此這里不再需要整形，其中閾值可以采用多次測量獲得的AD值，就可以轉(zhuǎn)化為方波信號。圖5.1為整形后的脈搏方波信號。圖5.1 整形后脈搏信號Fig 5.2 Pulse signal after plastic su

42、rgery可以看出，波形相對干凈，波幅可以達(dá)到500mV，與單片機(jī)A/D的需求相適應(yīng)，由此證明本次設(shè)計中的運(yùn)放芯片采用LM324是合理的，基本達(dá)到預(yù)期目的。示波器顯示直流檔波形，藍(lán)色為整形后的波形，黃色為放大波形,如5.2圖所示。圖5.2 放大后的波形Figure 5.2 amplifies the waveform實測：采用手機(jī)應(yīng)用軟件和下位機(jī)同時對四位不同的對象進(jìn)行測量。手機(jī)應(yīng)用軟件的測量原理是根據(jù)人體中含氧量的變化會導(dǎo)致血液的顏色發(fā)生周期性變化。通過手機(jī)上的LED高頻度閃光燈，將指尖皮膚下的毛細(xì)血管照亮，當(dāng)血液受心臟作用而涌入時，回答導(dǎo)致皮下血液的顏色發(fā)生輕度改變，通?？梢杂扇庋塾^察到，

43、而攝像頭對這種變化更為敏感，因此可以計算心跳次數(shù)。在這里以手機(jī)軟件測得數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，測量正常狀態(tài)下的10名被測者，然后采用誤差分析法進(jìn)行分析，實驗數(shù)據(jù)如表5.1所示。通過下表我們可以看出，雖然存在誤差，但是誤差值保持在10以內(nèi)，數(shù)據(jù)可采信，但是有時候因為時間掌握誤差較大，會導(dǎo)致測量精度嚴(yán)重失準(zhǔn)。實物圖如圖5.3所示。 表5.1 下位機(jī)測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較Table 5.1 Comparison of the measurement data with the standard value第1次測試測試者1測試者2測試者3測試者4測試者5標(biāo)準(zhǔn)值6779808288測量值6877787887誤差1

44、.5%2.5%2.5%4.8%1.3%第2次測試測試者1測試者2測試者3測試者4測試者5標(biāo)準(zhǔn)值6977908898測量值7370888189誤差5.7%9.1%2.2%8%9.2%第3次測試測試者1測試者2測試者3測試者4測試者5標(biāo)準(zhǔn)值6089858798測量值6578797787誤差8.3%12.4%7.1%11.5%11.2%第4次測試測試者1測試者2測試者3測試者4測試者5標(biāo)準(zhǔn)值6179858289測量值6877787887誤差11.5%2.5%8.2%4.9%2.2% 圖 5.3 實物顯示Fig 5.3 Physical display8 誤差分析與修正(1) 傳感器靈敏度如果傳感器靈

45、敏度出現(xiàn)異常會導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，靈敏度過低，傳感器會失效，靈敏度太高，傳感器會過于敏感，手指輕微抖動都可能會誤判，另外，光軸精確度、工頻信號以及電磁波都會影響脈搏采集結(jié)果。(2) 手指抖動。紅外傳感器在對人體信號檢測的時候非常敏感，即使手指輕微抖動都能導(dǎo)致傳感器的相應(yīng)。因此，設(shè)計時，將紅外對管在可以放進(jìn)手指的距離上進(jìn)行固定，測量時，需要保持手指盡量不抖動，可以將測試結(jié)果的誤差減小到最低，也就是只要被測者的手指抖動幅度不要太大，測量結(jié)果基本是準(zhǔn)確的。(3)呼吸不平穩(wěn)在通過紅外傳感器進(jìn)行脈搏測量的時候，是根據(jù)血液的透光率發(fā)生變化從而將血液流動信號轉(zhuǎn)化為電信號。但是血液的透光率會因血液中含氧量的變化而

46、出現(xiàn)波動。人體進(jìn)行劇烈運(yùn)動后，呼吸速度會加快，脈搏的變化就會很大。因此，我們所測量的脈搏是人體呼吸平穩(wěn)的時候測得的脈搏數(shù)。（4）情緒波動人體情緒波動會脈搏測量的結(jié)果有很大的影響。因此，要想獲得準(zhǔn)確的脈搏數(shù)，應(yīng)當(dāng)在人情緒穩(wěn)定的時候進(jìn)行?？偨Y(jié)本文設(shè)計的內(nèi)容是基于LabVIEW的脈搏檢測分析系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計包括下位機(jī)的信號采集模塊、處理模塊以及單片機(jī)和顯示器、通信接口、上位機(jī)等。而信號的采集和處理是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵，也是最為困難的部分。系統(tǒng)需要從人體采集脈搏信號，因此，傳感器必須采用醫(yī)用等級的材料，防止損害到人體。此外，人體的脈搏信號非常微弱，因此要通過單片機(jī)實現(xiàn)對脈搏信號的分析，首先要結(jié)合測控電和模電的相關(guān)理論。在進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本設(shè)計最終確定對信號進(jìn)行處理的時候使用低通濾波器，信號放大后在通過比較器實現(xiàn)對比，最后將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過單片機(jī)分析出結(jié)果。本系統(tǒng)設(shè)計了電池供電以及充電的功能，而且可以將脈搏波形在顯示器上直接顯示出來，一方面方便設(shè)備的攜帶，另一方面也方便測量使用。本設(shè)計可以測得較為準(zhǔn)確的脈搏頻率，實踐誤差小于4%.，并且可以對脈搏的狀況進(jìn)行初步判定。設(shè)備具有功耗低，待機(jī)實踐長的特點(diǎn)。此外，設(shè)備還可以實現(xiàn)人機(jī)交互