基于Cortex-M3的无线脉搏测量仪

韩清涛　 张丽娟　陈树贵

(1. 东莞理工学院　电子工程与智能化学院，广东东莞　523808；2. 东莞理工学院　计算机与网络安全学院，广东东莞　523808；3. 东莞博识生物科技有限公司，广东东莞　523000 )



基于Cortex-M3的无线脉搏测量仪

韩清涛1张丽娟2陈树贵3

(1. 东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞523808；2. 东莞理工学院计算机与网络安全学院，广东东莞523808；3. 东莞博识生物科技有限公司，广东东莞523000 )

手持式脉搏测量仪由Cortex-M3内核的STM32F103VCT6核心模块、脉搏采集模块HKG-07、WIFI无线传输模块HLK-RM04等组成，具有体积小、精度高、使用方便、测量数据无线传输等特点，实现了远程无线脉搏测量，描绘脉搏图像等功能，供医生参考。

Cortex-M3；脉搏测量仪；手持式；WIFI通信

中西医在诊疗中，人体脉搏的测量是重要的诊断手段之一，观察脉搏心率变化以进行病理分析。现在大型三甲医院人满为患，医师若要同时测量几名病人脉搏，在时间上、空间上均无法实现。利用WIFI技术，可将脉搏的测量信息自动发送到诊断医生的办公电脑上，医生可快速获取多名病人的测量脉搏数据，便于诊疗。

1　脉搏传感器原理

人体脉搏传感器技术测量有几种方法：压力脉图法、超声脉图法、光电容积法、阻抗血流图法、电容声法等。脉搏是随人体心室收缩和舒张，主动脉血管壁内压增高和恢复，周而复始、一起一伏的搏动。人体手指尖具有丰富的冠状小动脉，指尖血容积跟随脉搏起伏而变化，在其上下放置红外发射和接收二极管，如图1所示，当红外发射二极管照射在指尖上，经透射被红外接收二极管接收，其光强信号和心室收缩、舒张频率有一定的函数关系，将光信号转变为脉动的电信号，输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，此方法为光电容积脉搏测量法[1-3]。

图1　脉搏传感器位置示意图

2　系统方案

2.1系统构成

测量终端由核心模块STM32、脉搏采集模块、WIFI无线传输模块和LCD显示模块等组成，如图2所示，人体脉搏测量在现场将手指尖夹在脉搏传感器测量头中间，导线连接到脉搏测量仪上，显示测量脉搏，同时通过WIFI发送数据端把数据发到医生的办公计算机(上位机)上显示[4-8]。

图2　系统设计原理

核心模块：意法半导体公司(ST)的Cortex-M3内核的32位STM32F103VCT6作为处理器芯片。

脉搏传感器：HKG-07A是合肥华科电子技术研究所研发的红外脉搏传感器，其外形结构为指夹式，使用时将手指夹在传感器上，输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，输出信号可直接与单片机I/O口连接，测量出脉率次数。

WIFI无线传输模块：HLK-RM04是深圳市海凌科电子有限公司的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI(串口-以太网-无线网)模块，是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP 协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WIFI)3 个接口之间的转换。

2.2脉搏信号处理电路

红外接收二极管采集的信号比较弱,经AD8221差分放大器变为单端信号，通过STM32控制数字电位器AD5293的大小来调制放大的倍数，使信号经过放大器OPA2209放大，其幅值为4V左右的方波信号连接到ADSIN0端[9-11]，如图3所示。

图3　脉搏信号放大电路图

2.3滤波电路

脉搏传感器信号在经过放大后滤波，依据截住频率，计算出电路中电阻的大小，正常人的脉搏频率在60～120次/min，则1～2 次/s，为测量不失真，设计一个100 Hz的低通滤波器，如图4所示。

图4　100Hz低通滤波器

令：R1=R2=R，C1=C2=C。

由设计可知：R1=R2=R=100 kΩ，f0=100 Hz，K=2 ，

所以，取R3=R4=10 kΩ 。

经推导和代入数据的计算，确定低通滤波器中电阻和电容的大小，设计出电路。

3　软件程序

使用C语言编写程序代码设计测量终端的软件，软件流程图如图5所示。

图5　手持机软件流程图

脉搏信号处理函数是整个系统的核心部分，通过计算采集脉搏信号的周期，求出平均数后进行显示。当一个脉冲过后，读出定时器里面的计数值，求出一个脉搏周期里面定时脉冲个数(10 kHz)，算出一个脉冲的周期。每采集到十个周期，计算脉搏周期平均值，以提高准确性。最终进行心率的判断：正常的心率在60 ～ 100(次/min)之间，如果人体的心率不正常，可直接显示出来。脉搏测量程序如下：

/**************脉搏测量程序*******************/

{

connet=0;

while(KEY4);

while(!KEY4);//使用PD4作为脉搏的检测引脚

if((clear==0)||(clear==1))

{

t=((TIM3->CNT)-15000)*0.0001;

sprintf(buff,"%.3f",t);

BACK_COLOR=BRRED;

writeString("脉搏的周期是:",30,150,BLACK);

writeString("(秒)",190,150,BLACK);

BACK_COLOR=BRRED;

TIM3->SR&=～(1<<0);

TIM3->CNT=15000;}

4　结语

人体脉搏特征测量存在多种测量方式，笔者利用无线WIFI技术将测量终端与数据显示计算机分离，为医院解决实际问题。将被测量人员的手指夹在脉搏传感器上，可在现场或远程获取脉搏测量数据，其波形能正确反映人体脉搏的真实特征，与其他测量仪器比较，准确率较高，速度快，实现了无线通讯。

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Wireless Pulse of Measuring Instrument Based on the Cortex-M3

HAN Qingtao1ZHANG Lijuan2CHEN Shugui3

(1. School of Electrical Engineering & Intelligentization, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;2. School of Computer Science and Network Security, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;3. Dongguan Bosh Biotechnologies, Ltd., Guangdong Dongguan 523803, China)

A hand-held pulse measuring instrument consists of the STM32F103VCT6 module of Cortex-M3 kernel, Pulse acquisition module HKG-07, WIFI wireless transmission module HLK-RM04, which has the characteristics of small size, high accuracy, convenience of use, measurement data wireless transmission and so on. It has realized the functions of remote wireless pulse measurement and the depiction of the pulse image, which can provide a reference for the doctor.

Cortex-M3; pulse measuring instrument; hand held type; WIFI communication

2016-06-24

2015年广东省省级科技计划项目(2015A010104012); 2014年广东省自然科学基金(2014A030313629; 2014A030313512)。

韩清涛(1965—)，男，河北沧州人，副教授，主要从事智能自动化装备研究。

TN92；TP391.5

A

1009-0312(2016)05-0029-05