基于嵌入式ATmega8515的脉搏检测与无线传输系统研究

张志通，王 博

（1.北华航天工业学院 电子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊无线电管理局，河北 廊坊 065000）

基于嵌入式ATmega8515的脉搏检测与无线传输系统研究

张志通1，王 博2

（1.北华航天工业学院 电子工程系，河北 廊坊 065000；2.廊坊无线电管理局，河北 廊坊 065000）

结合嵌入式与无线传输等相关技术，提出了一种基于嵌入式的无线脉搏传输与检测系统.该系统可以对人体脉搏波参数进行采集分析，并在PC机上采用LabVIEW界面显示人体手腕温度、脉搏波形信号波形和频率.同时，还能够通过开启远程监控系统对人体脉搏的数据进行分析，方便医生远程诊断.

嵌入式系统；无线传输；脉搏信号；远程监控

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致高血压、冠心病这类心血管疾病成为常见病与多发病.有效的早期诊断治疗方法和设备成为预防这类疾病的重要措施.脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源，是反映人体健康状况的重要窗口，因此利用脉搏信号快速及时地发现病情是一种有效的方法.目前医院通常采用汞柱式血压脉搏测量仪对患者进行检测，但这种传统的脉搏检测必须要求医生与患者面对面检测，这样会给部分行动不便的患者造成麻烦.目前国内在研究脉搏信号提取方面有一定的成果，但是还停留在传统的医患面对面诊断阶段.脉搏检测与无线传输系统可以完成信号的快速提取与传输，在医院提取行动不便患者的脉搏信号通过无线传输近距离给医生，或者在家里通过开启远程监控系统对人体脉搏的数据进行分析，可以使医生完成对患者的远程诊断.

1 总体设计方案

结合嵌入式与无线传输等相关技术，提出了一种基于嵌入式的无线脉搏传输与检测系统.使用下位机通过光电传感器提取手腕脉搏信号，用嵌入式ATmega8515处理脉搏信号，通过无线收发模块远距离传送，并在PC机上采用LabVIEW界面显示人体温度、脉搏信号波形信号和脉搏频率，也能够形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的诊断提供有效的数据基础，如图1所示.

图1 无线脉搏传输与检测系统流程图

2 硬件电路设计

2.1 下位机部分

通常，人体脉搏所呈现出的波形、强度、振幅、频率等信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征.然而，人体的生物信号多属于强噪声背景下的低频弱信号，需要选择合适的硬件参数和设计相应的调理电路来保证检测到脉搏信号的准确性[1].

2.1.1 脉搏传感器

由于脉搏信号属于主动信号，信号幅度很小，而且极容易受到人体其它低频假象信号的干扰.假象干扰信号有时比所需的信号强得多，因此选择测量传感器对脉搏信号的提取最为关键.我们采用BPW83型透射式传感器与DS18B20温度传感器采集人体脉搏信号与温度[2].

2.1.2 信号处理电路

人体脉搏信号具有阻抗高、信号弱、频率低等特点，而且处于严重的背景噪声之中.为了检测出脉搏信号的最大保真度，系统使用的模拟信号处理电路由传感器电路、前置放大电路、滤波电路、放大电路、整形电路组成，如图2所示.

图2 模拟信号处理电路

脉搏信号的采集实际上是通过红外接收二极管，在有脉和无脉时暗电流的微弱变化，再经过UB的放大而得到的所采集到的信号为2 μV左右的电压信号；由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成有源二阶低通滤波器电路，对信号进行低通滤波.信号从C9的2端输入，而C9则对信号再次过滤，把前面留有的暗电流进一步滤掉.运放OP07，R15与R17组成一个放大倍数可调的主电路对过滤后的信号进行放大.由于经过滤波放大电路之后的信号波形是模拟的，其上升沿和下降沿比较平缓，不能被单片机直接获取.因此，通过比较器LM393将这种平缓的波形变换为方波形式的波形比较陡峭的脉冲信号.

2.1.3 嵌入式处理器

ATmega8515是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器.由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8515的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾.（ALU）相连接，使得一条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器.这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率.

ATmega8515具有以下特点：8 K字节的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，512字节SRAM，1个外部存储器接口，35个通用I/O 口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C），片内/外中断，可编程串行USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，1个SPI串行端口，以及3个可以通过软件进行选择的省电模式.

经过前面的信号处理电路后送给端口NIT0，ATmega8515通过程序将处理出来的信号传给NRF24L01和LCD1602，让NRF24L01发送给上位机的接收部分，而LCD1602则显示脉搏温度和跳动的次数.

2.1.4 数码显示部分

LCD1602液晶为5 V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符ASCII字符集字库.将1602的8位数据口与ATmega8515的P0口相连接.当R/W脚 （1602第5脚）为低电平时为写操作状态，而当RS（第4脚）为低电平时为写指令，当RS（第4脚）为高电平时为写数据.通过对1602写入指令和写入数据来进行显示脉搏温度和跳动的次数.引脚3所接的可变电阻是作为1602的背光调节.其液晶显示电路的具体电路，如图3所示.

2.1.5 无线发送接收模块

NRF24L01无线收发模块是工作在2.4-2.5 GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片.无线收发器包括：频率发生器、增强型“Schock-Burst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器.创新地采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24 bits连续突发错误，支持在线编程，3.3-5 V宽电压范围工作.

2.2 上位机部分

上位机部分包含无线接收模块部分、数据处理部分和串口部分.整个部分完成的主要功能是接收下位机发送过来的无线数据，并对数据进行相应的处理，通过串口与PC机进行串口通讯.

无线接收模块部分与无线发送模块部分连接电路是一样的，不同的是它只是做为一个接收，它们两个和起来才能完成无线传送的功能.它与ATmega8515的接口电路与下位机部分的接口电路基本是一样的，可以参照图4所示.ATmega8515将NRF24L01接收到的数据通过RXD与TXD与串口接口与PC口通讯

图3 LCD1602显示控制电路

图4 无线发送模块在下位机的连接图

3 软件设计

软件设计开发和调试采用汇编语言和C语言混合编程，使用KELL C51软件对程序进行编辑、编译和调试，使用PROTEUS进行电路的仿真调试.软件部分包括下位机程序模块和上位机程序模块和LabVIEW显示模块[3].

3.1 下位机程序设计

程序的主要思路是利用计数器统计2次脉冲之间的时间，即可得出心跳1次的时间，然后便可以得出1 min的脉搏数.由于ATmega8515的精确度非常高，所以该方法精度较高，程序的流程图如图5所示.

3.2 上位机程序设计

NRF24L01接收从下位机发送来的温度与脉搏数据，然后ATmega8515将其转换成能够显示的显示数据并送给PC机进行显示，如图6所示.

图5 下位机程序流程图

图6 上位机程序流程图

3.3 LabVIEW显示部分设计

LabVIEW是美国NI公司推出的一门图形化编程语言，它是通过软件把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起实现硬件设备的通信.

根据产品设计的需要，从节约成本环节考虑我们采用LabVIEW通过VISA与串行接口仪器通信.VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口（API），它本身并不具有仪器编程能力，而是为用户提供了一套独立的可方便调用的标准I/O底层函数.用户调用相应的标准函数，VISA就会根据实际接口类型自动调取相应的接口驱动程序例程，将通过串口接收到的数据在设计好的LabVIEW界面进行显示人体温度、脉搏波形信号波形和频率等[4]，如图7所示.

4 结语

由于下位机处理的数据量比较大，而无线发送与接收模块速率跟不上下位机处理数据速率，这样会造成接收到的部分波形失真，因此还需要在速率匹配方面进行相关改进.总体来说，设计的搏检测与无线传输系统在PC机显示界面的脉搏与温度数据和下位机数据相同，同时还能够通过开启远程监控系统对人体脉搏的数据进行分析，这样可以解决部分行动不便患者的脉搏诊断问题[5].由于采用ATmega8515嵌入式处理器，大大减小了脉搏检测仪的体积，携带方便，有利于广泛的推广和应用.

图7 LabVIEW显示界面

[1]吕虎，华萍.探索人体奥秘[M].北京：科学出版社，2008：118-132.

[2]沙占友.集成化智能传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[3]王家庆.脉搏信号处理方法研究与脉搏测量系统设计[D].北京：北京工业大学，2006.

[4]卢胜利.智能仪器设计与实现[M].重庆：重庆大学出版社，2003.

[5]成亚男.电子医疗远程检测系统的需求分析与设计[D].济南：山东大学，2009.

（责任编辑 钮效鹍）

A Research of Pulse Detection and Wireless Transmission System Based on Embedded ATmega8515

ZHANG Zhi-tong1，WANG Bo2
（1.Dept.of Electronic Engineering，North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang，Heibei 06500，China；2.Langfang Radio Administration Bureau，Langfang，Hebei 065000，China）

Combined with embedded and wireless transmission technologies，this paper proposes wireless pulse transmission and detection based on an embedded system.Using LabVIEW interface on the PC display body temperature，pulse waveform and frequency，the system can collect and analyze human pulse wave parameters；meanwhile，it can analyze the human pulse data by opening the remote monitoring system，which is convenient for doctors to remote diagnostics.

embedded system；wireless transmission；the pulse signal；remote monitoring

TN91

：A

：1673-1972（2014）03-0005-05

2013-12-14

廊坊市科学技术研究与发展计划（2013011035）

张志通（1983-），男，河北青县人，讲师，主要从事电子与检测技术研究.