基于LabVIEW的人体生理参数采集系统设计

张凌飞　王圣禹　郑黄敏　王雪梅

摘 要： 为了使人们能更加及时地了解自己的一些生理参数，设计了一种基于虚拟仪器的人体生理参数采集系统。在此简单叙述了利用LabVIEW编写系统软件，由传感器、调理电路和数据采集卡构成系统硬件，并将采集到体温、脉搏波和心率显示在PC机上的原理和方法。通过实践，系统达到了较好的效果。

关键词： 生理参数； 虚拟仪器； 心率； 脉搏波； 传感器； 数据采集卡

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

随着社会的进步，人们生活的节奏越来越快，压力也越来越大，同时缺乏锻炼，使得人们的身体状况日益下降。据报道，我国大部分人都处于亚健康状态，目前由于国内科技水平和成本的限制，人体生理参数采集设备发展较为缓慢，并且市场上的大多产品只能采集一种参数，不能很好地满足人们的需求，而引进的设备价格又十分昂贵。因此开发出一款低成本、多参数、易于扩展的生理参数设备是迫切需要的。人体生理参数采集系统正是在这种背景和需求下而设计研制的。

1 系统硬件设计

系统主要由数据采集模块，数据处理模块构成，该系统的硬件结构如图1所示。

1.1 数据采集模块

数据采集模块由传感器、调理电路和数据采集卡3部分构成。

（1） 传感器。传感器主要目的是感知人体脉搏、体温，并将其转换成电信号。脉搏传感器选用HK2000B，它是采用集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内，使用十分方便，采集的信号准确度高。温度传感器采用铂热电阻Pt100，它的阻值会随着温度的变化而改变，Pt100的阻值随温度的变化而变化的计算见式（1），式（2）。

式中：t为摄氏温度；R0为零摄氏度时的电阻值；A，B，C为规定的系数。

（2） 调理电路。调理电路主要是对Pt100采集信号进行处理。Pt100接法一般有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。在本系统中采用三线制接线法，并利用运算放大器对信号进行放大，实现对温度信号的处理。

（3） 数据采集卡。数据采集作用是将传感器采集到的数据输送至计算机中。数据采集卡采用NI公司的USB?6009数据采集卡，该数据采集卡适用高速USB2.0借口，分辨率达12位，放大增益可用软件进行设置，最大的放大增益为12倍。

1.2 数据处理模块

数据处理模块的硬件为带有USB接口的计算机，并通过和系统软件的配合，实现对人体参数的显示和存储。

2 系统软件设计

系统的软件部分是整个人体生理参数采集系统的核心，由NI公司推出的虚拟仪器软件LabVIEW进行编写。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现在的高级信号分析函数，大大提高了程序的开发效率。整个软件系统主要由数据显示界面，数据存储部分，数据回放部分和软硬件交互的设备驱动等构成。

（1） 数据显示界面。显示界面主要是将人体参数以图形和数字的方式显示在电脑屏幕上，使人能更加直观地观测到各种参数。界面如图2所示。图中有2个脉搏波显示，其中一个为原始信号；另一个为软件滤波后的信号。心率利用软件编程的方法从脉搏波中测算得出。

（2） 数据存储部分。数据存储部分是将人体生理参数、个人信息和测试的时间保存在一个文件里面，以便人们对长期采集的数据进行分析对比。程序如图3所示。

（3） 数据回放部分。数据回放部分是将保存文件里面的数据再次显示在计算机屏幕上。程序如图4所示。

（4） 软硬件交互的设备驱动。驱动程序在NI官方网站可以下载，主要用于对数据采集卡的配置和使用。

3 系统测试

经过对多人的测试，本系统得出的数据与专用的医疗设备得到的数据十分相近，心率和温度的误差都在±0.1%以内，脉搏波也与经典脉象仪得出的脉搏波相吻合。图5是采集到的一名20岁男生和一名19岁女生的人体生理参数。由图可以看出，采集到的脉搏波波形良好，杂波较少，心率和体温以数字方式显示，观测十分直观。

4 结 语

本系统以LabVIEW软件编程为基础，通过数据采集技术和传感器技术完成本设计。

本系统完成了对人体温度、脉搏波和心率的测量，经过实践证明，该系统是完全可行的，且操作简单，稳定性好，可扩展性强。由于时间关系，还有很多的功能是未进行开发的，比如心电信号的采集和分析，这也是以后努力的方向。

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 刘笃仁，韩保君，刘靳.传感器原理及应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 蒲凤萍，吕迪波.基于 LabVIEW 的多任务测控系统设计与实现[J].电子测试，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇桢.我和LabVIEW——一个NI工程师的十年编程经验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[5] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6] 阮俞颖，徐军.基于射频技术的人体生理数据采集系统设计与研究[J].现代电子技术，2008，31（2）：19?21.

摘 要： 为了使人们能更加及时地了解自己的一些生理参数，设计了一种基于虚拟仪器的人体生理参数采集系统。在此简单叙述了利用LabVIEW编写系统软件，由传感器、调理电路和数据采集卡构成系统硬件，并将采集到体温、脉搏波和心率显示在PC机上的原理和方法。通过实践，系统达到了较好的效果。

关键词： 生理参数； 虚拟仪器； 心率； 脉搏波； 传感器； 数据采集卡

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

随着社会的进步，人们生活的节奏越来越快，压力也越来越大，同时缺乏锻炼，使得人们的身体状况日益下降。据报道，我国大部分人都处于亚健康状态，目前由于国内科技水平和成本的限制，人体生理参数采集设备发展较为缓慢，并且市场上的大多产品只能采集一种参数，不能很好地满足人们的需求，而引进的设备价格又十分昂贵。因此开发出一款低成本、多参数、易于扩展的生理参数设备是迫切需要的。人体生理参数采集系统正是在这种背景和需求下而设计研制的。

1 系统硬件设计

系统主要由数据采集模块，数据处理模块构成，该系统的硬件结构如图1所示。

1.1 数据采集模块

数据采集模块由传感器、调理电路和数据采集卡3部分构成。

（1） 传感器。传感器主要目的是感知人体脉搏、体温，并将其转换成电信号。脉搏传感器选用HK2000B，它是采用集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内，使用十分方便，采集的信号准确度高。温度传感器采用铂热电阻Pt100，它的阻值会随着温度的变化而改变，Pt100的阻值随温度的变化而变化的计算见式（1），式（2）。

式中：t为摄氏温度；R0为零摄氏度时的电阻值；A，B，C为规定的系数。

（2） 调理电路。调理电路主要是对Pt100采集信号进行处理。Pt100接法一般有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。在本系统中采用三线制接线法，并利用运算放大器对信号进行放大，实现对温度信号的处理。

（3） 数据采集卡。数据采集作用是将传感器采集到的数据输送至计算机中。数据采集卡采用NI公司的USB?6009数据采集卡，该数据采集卡适用高速USB2.0借口，分辨率达12位，放大增益可用软件进行设置，最大的放大增益为12倍。

1.2 数据处理模块

数据处理模块的硬件为带有USB接口的计算机，并通过和系统软件的配合，实现对人体参数的显示和存储。

2 系统软件设计

系统的软件部分是整个人体生理参数采集系统的核心，由NI公司推出的虚拟仪器软件LabVIEW进行编写。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现在的高级信号分析函数，大大提高了程序的开发效率。整个软件系统主要由数据显示界面，数据存储部分，数据回放部分和软硬件交互的设备驱动等构成。

（1） 数据显示界面。显示界面主要是将人体参数以图形和数字的方式显示在电脑屏幕上，使人能更加直观地观测到各种参数。界面如图2所示。图中有2个脉搏波显示，其中一个为原始信号；另一个为软件滤波后的信号。心率利用软件编程的方法从脉搏波中测算得出。

（2） 数据存储部分。数据存储部分是将人体生理参数、个人信息和测试的时间保存在一个文件里面，以便人们对长期采集的数据进行分析对比。程序如图3所示。

（3） 数据回放部分。数据回放部分是将保存文件里面的数据再次显示在计算机屏幕上。程序如图4所示。

（4） 软硬件交互的设备驱动。驱动程序在NI官方网站可以下载，主要用于对数据采集卡的配置和使用。

3 系统测试

经过对多人的测试，本系统得出的数据与专用的医疗设备得到的数据十分相近，心率和温度的误差都在±0.1%以内，脉搏波也与经典脉象仪得出的脉搏波相吻合。图5是采集到的一名20岁男生和一名19岁女生的人体生理参数。由图可以看出，采集到的脉搏波波形良好，杂波较少，心率和体温以数字方式显示，观测十分直观。

4 结 语

本系统以LabVIEW软件编程为基础，通过数据采集技术和传感器技术完成本设计。

本系统完成了对人体温度、脉搏波和心率的测量，经过实践证明，该系统是完全可行的，且操作简单，稳定性好，可扩展性强。由于时间关系，还有很多的功能是未进行开发的，比如心电信号的采集和分析，这也是以后努力的方向。

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 刘笃仁，韩保君，刘靳.传感器原理及应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 蒲凤萍，吕迪波.基于 LabVIEW 的多任务测控系统设计与实现[J].电子测试，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇桢.我和LabVIEW——一个NI工程师的十年编程经验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[5] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6] 阮俞颖，徐军.基于射频技术的人体生理数据采集系统设计与研究[J].现代电子技术，2008，31（2）：19?21.

摘 要： 为了使人们能更加及时地了解自己的一些生理参数，设计了一种基于虚拟仪器的人体生理参数采集系统。在此简单叙述了利用LabVIEW编写系统软件，由传感器、调理电路和数据采集卡构成系统硬件，并将采集到体温、脉搏波和心率显示在PC机上的原理和方法。通过实践，系统达到了较好的效果。

关键词： 生理参数； 虚拟仪器； 心率； 脉搏波； 传感器； 数据采集卡

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

随着社会的进步，人们生活的节奏越来越快，压力也越来越大，同时缺乏锻炼，使得人们的身体状况日益下降。据报道，我国大部分人都处于亚健康状态，目前由于国内科技水平和成本的限制，人体生理参数采集设备发展较为缓慢，并且市场上的大多产品只能采集一种参数，不能很好地满足人们的需求，而引进的设备价格又十分昂贵。因此开发出一款低成本、多参数、易于扩展的生理参数设备是迫切需要的。人体生理参数采集系统正是在这种背景和需求下而设计研制的。

1 系统硬件设计

系统主要由数据采集模块，数据处理模块构成，该系统的硬件结构如图1所示。

1.1 数据采集模块

数据采集模块由传感器、调理电路和数据采集卡3部分构成。

（1） 传感器。传感器主要目的是感知人体脉搏、体温，并将其转换成电信号。脉搏传感器选用HK2000B，它是采用集成化工艺将力敏元件（PVDF压电膜）、温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内，使用十分方便，采集的信号准确度高。温度传感器采用铂热电阻Pt100，它的阻值会随着温度的变化而改变，Pt100的阻值随温度的变化而变化的计算见式（1），式（2）。

式中：t为摄氏温度；R0为零摄氏度时的电阻值；A，B，C为规定的系数。

（2） 调理电路。调理电路主要是对Pt100采集信号进行处理。Pt100接法一般有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。在本系统中采用三线制接线法，并利用运算放大器对信号进行放大，实现对温度信号的处理。

（3） 数据采集卡。数据采集作用是将传感器采集到的数据输送至计算机中。数据采集卡采用NI公司的USB?6009数据采集卡，该数据采集卡适用高速USB2.0借口，分辨率达12位，放大增益可用软件进行设置，最大的放大增益为12倍。

1.2 数据处理模块

数据处理模块的硬件为带有USB接口的计算机，并通过和系统软件的配合，实现对人体参数的显示和存储。

2 系统软件设计

系统的软件部分是整个人体生理参数采集系统的核心，由NI公司推出的虚拟仪器软件LabVIEW进行编写。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，它提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现在的高级信号分析函数，大大提高了程序的开发效率。整个软件系统主要由数据显示界面，数据存储部分，数据回放部分和软硬件交互的设备驱动等构成。

（1） 数据显示界面。显示界面主要是将人体参数以图形和数字的方式显示在电脑屏幕上，使人能更加直观地观测到各种参数。界面如图2所示。图中有2个脉搏波显示，其中一个为原始信号；另一个为软件滤波后的信号。心率利用软件编程的方法从脉搏波中测算得出。

（2） 数据存储部分。数据存储部分是将人体生理参数、个人信息和测试的时间保存在一个文件里面，以便人们对长期采集的数据进行分析对比。程序如图3所示。

（3） 数据回放部分。数据回放部分是将保存文件里面的数据再次显示在计算机屏幕上。程序如图4所示。

（4） 软硬件交互的设备驱动。驱动程序在NI官方网站可以下载，主要用于对数据采集卡的配置和使用。

3 系统测试

经过对多人的测试，本系统得出的数据与专用的医疗设备得到的数据十分相近，心率和温度的误差都在±0.1%以内，脉搏波也与经典脉象仪得出的脉搏波相吻合。图5是采集到的一名20岁男生和一名19岁女生的人体生理参数。由图可以看出，采集到的脉搏波波形良好，杂波较少，心率和体温以数字方式显示，观测十分直观。

4 结 语

本系统以LabVIEW软件编程为基础，通过数据采集技术和传感器技术完成本设计。

本系统完成了对人体温度、脉搏波和心率的测量，经过实践证明，该系统是完全可行的，且操作简单，稳定性好，可扩展性强。由于时间关系，还有很多的功能是未进行开发的，比如心电信号的采集和分析，这也是以后努力的方向。

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 刘笃仁，韩保君，刘靳.传感器原理及应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[3] 蒲凤萍，吕迪波.基于 LabVIEW 的多任务测控系统设计与实现[J].电子测试，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇桢.我和LabVIEW——一个NI工程师的十年编程经验[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[5] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6] 阮俞颖，徐军.基于射频技术的人体生理数据采集系统设计与研究[J].现代电子技术，2008，31（2）：19?21.