李旭坤 刘文波 马志强 卫会军 刘博

摘 要：本课题采用嵌入式与无线通讯技术，提出处理脉信号的新方案，即采集及处理与无线发送部分（前端系统）+无线接收与PC机显示部分（后端系统）。前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作;通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。正是有了无线接收模块的作用，使得系统具备了远程监测的能力。

关键词：嵌入式系统;无线收发模块;串口;传感器

1 研究意义

脉搏是常见的生理现象，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反映;因此，脉搏检测不仅为血压测量、血流测量及其他生理检测提供了生理参考信息，而且脉搏波本身也能给出许多有诊断价值的信息。中医脉象诊断技术就是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。采用傳感器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受。

本课题采用光电传感器提取脉搏信号，用嵌入式处理脉搏信号，通过无线收发模块（CC1100）远距离传送，并在PC机上显示.这样就既能减少对人体的创伤的同时，也能远距离并可以在PC机上监视，形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的研究提供一个有效的数据基础。

2方案选择

1、压力传感器：用压力传感器采集脉搏信号，原理是将脉搏跳动产生的力通过传感器转化为电信号。他的特点是跳动的脉搏信号要强，如果跳动信号弱，那么传感器可能不能有效的反映出脉搏信号。要么就提高传感器的精度，大家都知道提高一个器件的精度的代价是什么样，而且使用时要用东西把他固定住，这也使得使用起来比较麻烦。

2、光电传感器：用光电传感器采集脉搏信号，原理是吸收红外线穿透血管时血液浓度的改变而导致红外线强度的改变使红外线吸收传感器产生电信号的变化来反映脉搏的变化。

3 主要芯片介绍

3.1 光电传感器

BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940 nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。

3.2 Atmega8515

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。

4 硬件部分

4.1 滤波部分

按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240次/分计算来设计低通放大器。低通滤波器是一种用来传输低频段信号，抑制高频段信号的电路，当信号的频率高于某一特定的截止频率fh时，通过该电路的信号就会被衰减，而频率低于fh的信号则能无阻通过该滤波器。能通过的信号频率范围定义为通带：阻止信号通过的范围定义为阻带，通带与阻带的分界点就是截止频率fh。A0为通带内的电压放大倍数，称为通带电压增益。当输入信号的频率由小到大增加到使滤波器的放大倍数等于0.707A0时，所对应的频率就是截止频率fh。

4.2 放大部分

由于脉搏传感器阻抗高的特点，可以采用传统的同相放大电路如图4.3所示，由放大电路原理可以知道放大倍数公式为：

A=U1/U0=R17/R15

因为同相比例运算电路在输入差摸信号的同时伴随着共摸信号输入，因此共摸抑制比成为影响运算误差的重要因素。而在理想运放的情况下的输出电压：

U输出= [（R17/R15）+1]*U输入

所以相对误差公式为：

相对误差δ=[（1+1/Kcmr）/（1+1/AodF）-1]*100%

所以当开环差摸增益Aod，共摸抑制比Kcmr越大，相对误差δ的数值就越小。

4.3 单片机的晶振和中央处理部分

单片机的晶振和中央处理部分电路图如图4.5.4所示：由于ATmega8515的使用晶振范围是0-8MHz，所以在选择晶振的时候必须在其范围内，否则就容易出错。考虑到写程序的时候用到定时器定时，因此选择6MHz的晶振，中央处理部分主要负责处理从PB0进来的方波信号，这个信号是经过前面的555施密特整形电路整成方波之后送给单片机，因为方波有就是我们所知道的矩形波，它的高电平也达到单片机的要求，所以ATmega8515通过程序可以直接处理他，并将处理出来的信号传给CC1100和数码管，让CC1100发送给上位机的接收部分，而数码管则显示1分钟内脉搏跳动的次数。

5 系统调试与验证

硬件调试

硬件调试主要有以下几步：

·检查电路原理图是否有错误;

·根据电路原理图检查PCB图是否有错误：

·制板，根据PCB图检查PCB板是否有错误，主要检查是否有线粘连;

·焊件，测试各个元件管脚连接是否有错误，并检查是否有虚焊脱焊的问题

针对不同模块的硬件除了以上的调试外还应该有相应的调试方法。

5.2 软件调试

由于程序调试是否成功，这是关键的一步，因为单纯的硬件无法实现预期的目的。因此，对程序的调试就特别重要。调试这阶段发生过的故障如：子程序在运行时破坏现场，缓冲单元发生冲突，零位的建立和清除在设计上有失误，堆栈区域有溢出等问题。

采用单步运行方式和断点运行方式对没个子程序进行调试，单步和断点调试后，再进行连续调试，这是因为单步运行只能验证该子程序的正确与否，而不能确定定时精度、CPU的实时响应等问题。待全部完成后，应反复运行多次观察。

5.3 整体调试

在硬件和软件调试完成后，再结合到一起，即把软件程序烧录到单片机，再将单片机放到系统板上，上电运行。对不完善的地放再进行进一步的修改处理，直到最后达到整个预期为至。

5.4 抗干扰措施

电子系统中的干扰源是多方面的，给系统调试造成很多问题。经过总结，我们的数据采集系统的干扰原因主要有：系统与各元件接地策略的不尽合理、PCB的分布参数，电磁干扰等。为了尽量的减少千扰，必须采用符合本系统特点的抗干扰技术。

6 结果分析与展望

按照制作方案，可以达到本次研究的目的，但是这个处理过程比较麻烦，因为每个部分电路都受到外界的干扰。建议用A/D转换把模拟信号转化为数字信号，这样就可以大幅度减少干扰，也便于单片机处理。在处理每个模块的时候都要认真，不管是大系统还是小系统，哪怕是一小的部分出了问题，就导致整个系统无法正常工作。

人体脉搏是心血管系统的重要组成部分，它是人体输送养料、传递能量和传播各种生理病理信息的重要途径，脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。研究脉搏信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。

参考文献

[1] 黄智伟，朱卫华.433MHz单片机射频收发芯片nRF401[J].世界电子元器件，2001

[2] 李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京：科学出版社，2003