基于STM32微处理器的脉搏微动数据检测统计系统设计

郭海涛 吴开泽

摘 要 微处理器的高性能和低功耗特性为可穿戴类设备的普及提供了技术支持，可穿戴设备的通用特征是具备对微动信号的自动检测与数值统计功能，在系统设计过程中，需要将信号采集、A/D转换、信号处理和数据输出等功能进行集成设计，并要力求成品的体积微型化以便于携带。

关键词 现代学徒制 高职院校 人才培养模式 契合度

中图分类号：TP274 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.02.016

Abstract Microprocessor performance and low power consumption characteristics for the popularity of wearable devices to provide technical support， wearable devices have the common feature of the micro-signal detection and numerical automatic detection function in the system design process， the need of the signal acquisition， A/D conversion， signal processing and data output functions such as integrated design， and to miniaturize the finished product for easy carrying.

Keywords modern apprenticeship； vocational college； talent training mode； fit degree

0 引言

隨着健康观念的提升，市场上出现了许多新颖的便携式电子设备，体积小，可随身携带，功耗低，具备特定的信号采集和数据处理能力，此类产品的流行离不开人们对健康有了更高的关注度，通常我们会称它们为可穿戴设备。可穿戴设备其内部结构都是电子软硬件系统，这些设备能够帮我们及时了解健康指数、步行频率等内容。此类设备的共通点是通过采集人体的微动数据并加以分析比较，来评测当时的人体健康状况。

常见的被测量量包括脉搏频率、心跳频率、计步数等，都属于微动信号范畴。其中脉搏频率的测量因便捷、实用性强受到重视，从脉搏信号中提取到的人体的生理信息能够关系到疾病的前期预防和诊断，有重要应用前景。在医院内部有测量脉搏的专业设备，体积大，价格贵，属于医疗专用设备，难以普及。目前市面上一些小型的类似设备则精度较低、功耗偏高，能够做到计数准确、低功耗的设备比较少。在使用过程中，脉搏信号所呈现出的形态（波形）、强度（波幅）、速率（波速）和节律（周期）等方面的综合信息，能直观的反映出人体心血管系统的健康指数和病理特征，所以对脉搏信号的采集和处理应是非常准确的。考虑到人体的生理信号多属于低频弱信号，脉搏波信号更是低频微弱的非电生理信号，必须经过放大和后级滤波才能满足采集的要求。

1 硬件系统总体设计

系统的硬件电路设计主要包括四个环节：包括信号采集电路，A/D转换电路，嵌入式信号处理电路以及数据显示环节，针对本电路的具体情况，设计电路图如图1所示：

信号采集模块负责对脉搏信号进行频率取样，取样结果为带毛刺的锯齿波，通过滤波对信息进行初步处理，然后设置合理的阈值并通过A/D转换将脉动模拟信号转化为数字脉冲信号，经由以STM32嵌入式芯片为核心的数字信号处理单元进行计量和驱动输出，在LED数显模块中将脉搏频率显示出来。

2 脉搏微动信号采集与A/D转换

传感器采用压电薄膜传感器，利用压电薄膜的动态应变片特性，可以将压电薄膜直接固定在手腕内侧；压电薄膜能探测位移量微小的物理信号，其PVDF膜的压电响应在相当大的动态范围内都是线性的。正常情况下，采集到的信号中，既包括目标信号也包含噪声信号，两种信号叠加的波形如图2中波峰曲线所示，脉搏信号和噪声的带宽是有明显差异的，脉搏信号属于低频信号，采用低通滤波可将噪声信号过滤掉，然后设定阈值电压，结合A/D转换模块，可以实现由脉搏信号向数字脉冲信号的转化，本系统中所设阈值为0.7mv，可将模拟信号有效转化为数字信号。

在系统设计中，采用STM32的ADC1通道1来采样外部电压值，其最大转换速率为1MHz（最小转换时间为1 s），通过代码设置通道1的采样时间：

ADC1->SMPR2&=～（7<<3）；//通道1采样时间清空

ADC1->SMPR2|=7<<3；//提高采样周期

ADC->CR2=1<<0；//开启A/D转换器

ADC->CR2=1<<3；//等待校准结束

while（ADC1->CR2&1<<3）；//在校准寄存器被初始化后该位被清除

ADC1->CR2&1<<2）；//开启A/D转换

while（ADC1->CR2&1<<2）；//等待校准结束，获取ADC值

……

3 STM32数字信号处理电路

STM32数字信号处理单元是脉搏信号检测系统的核心部分，主要负责传感器输入信号的读取和数码管输出显示电路的输出控制。STM32芯片基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32增强型系列时钟频率达到72MHz，是32位系统的最佳选择，内置32K到128K的闪存，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，相当于0.5mA/MHz。

通电后，首先进行程序初始化。主程序的初始化模块主要完成芯片端口、单片机内专用寄存器的设定，整机初始化结束后，检测I/O口的状态，如果检测到上升沿，则根据代码程序检测脉搏波动频率，测得脉搏波动频率之后，送到LCD显示单元进行显示，如图3所示：

在信号处理过程中，它对输入信号进行处理，并根据规则将输入信号输出到下一级，其主函数main函数中，作为核心要件的捕获状态的编程代码如下：

int main（void）

{ u32 temp=0

Stm32_Clock_Init（9）；//系统时钟设置

uart_init（72）；//串口初始化为9600

delay_init（72）；//延时初始化

LED_Init；//初始化与LED连接的硬件接口

TIM3_PWM_Init（899，72-1）；//不分频

TIM5_Cap_Init（OXFFFF，72-1）；//以1MHz计数

while（1）

{delay_ms（10）

LED0_PWM_VAL++；

if（LED0_PWM_val==300）LED0_PWM_VAL=0；

if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）//捕獲到高电平

……

4 脉搏频率数显模块

在脉搏信号数据完成采集和处理之后，为了使用者能够直观看到脉搏微动数据的数值，还需要用数显模块进行输出，数显模块可以采用共阳极模式来驱动。在数显模块的设计中，STM32核心电路的输出信号作为数显模块的输入信号，经由驱动逻辑和驱动电流的传递，实现信号的数字化，设备的使用者能够在显示屏上面看到微动数据的具体数值，如果数值超过了正常范围，该电路还会发出蜂鸣报警信号。

5 分析与总结

脉搏信号是微动信号的一种，其他类型的微动信号的检测统计处理方法都与该系统有相似的软硬件设计思路，只是微动数据的精度要求需因地制宜可能会有较大差异，导致信号采集过程所采用的传感器模块精度不同。在该系统中，功耗也是需要重点考虑的一个因素，这是便携式应用设备的共同特点，系统设计的核心部分是STM32核心电路的硬件电路的设计和软件代码的编写。在频率显示模块的设计过程中，微动测量类产品的信息显示模块的设计思路是具有共通性的，设计难度较小，一般具有较高的可移植性。

参考文献

[1] 何良辰，宋跃，刘洋等.光刻机掩膜台微动台调平控制系统设计[J].自动化与仪表，2015.30（11）：36-40.

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