陳景霞 肖琳 路銘

摘 要：本文以STM32 NUCLEO開發(fā)板為核心，利用芯片內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將心率傳感器測得的模擬心率信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在OLED液晶屏上顯示心率數(shù)據(jù)。為便于觀察，主控板內(nèi)部還將數(shù)據(jù)繪制成波形圖顯示于OLED屏。另外，系統(tǒng)應(yīng)用串口通訊模塊連接主控板和CPU，以達(dá)到對(duì)心率信號(hào)深入分析和處理的目的。

關(guān)鍵詞：心率檢測儀；STM32 NUCLEO；心率傳感器；可穿戴設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP872 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）04-0150-03

Design of Heart Rate Detector Based on STM32-NUCLEO

CHEN Jingxia，XIAO Lin，LU Ming

（Applied Science and Technology College，Beijing Union University，Beijing 100012，China）

Abstract：STM32 NUCLEO board was taken as the development core in this project，and then the heart rate signal measured by the heart rate sensor was converted into digital signal by using the analog-to-digital converter inside the chip. In order to observe the heart rate more intuitively，the collected data was displayed and plotted into waveforms on OLED LCD screen. In addition，the system uses serial communication module to connect the main control board and CPU，in order to achieve in-depth analysis and processing of heart rate signals.

Keywords：heart rate detector；STM32 NUCLEO；heart rate sensor；wearable device

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促進(jìn)了人類物質(zhì)生活的改善，思想狀況的更新使得人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注自己的身體狀況。心率作為人體的重要生理參數(shù)指標(biāo)之一，在人的身體健康中扮演著重要角色。傳統(tǒng)的檢測方法需要病人前往醫(yī)院或診所進(jìn)行專業(yè)檢測，且僅能檢測出某些時(shí)間段內(nèi)的健康數(shù)據(jù)，不具備連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。便攜式穿戴智能產(chǎn)品的悄然興起為心率實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了重要的硬件基礎(chǔ)，同時(shí)可方便我們?cè)诩膊〕霈F(xiàn)的初期及時(shí)治療，減少多種疾病的發(fā)病率，為我們的生命健康提供了重要保障。

國外對(duì)心率檢測技術(shù)的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也已居世界前列，然而我國在此項(xiàng)技術(shù)上起步較晚，各項(xiàng)核心技術(shù)均需要從國外進(jìn)口，這使得我們?cè)谛穆蕶z測方面的研究失去了主動(dòng)權(quán)。本文針對(duì)目前國內(nèi)外設(shè)備只可穿戴，數(shù)據(jù)分析不全面和不直觀等缺點(diǎn)，在深入了解心率檢測設(shè)備的研究情況和發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，將嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，提出了一種成本低、實(shí)用性強(qiáng)、便于攜帶的心率檢測方案。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

心率檢測系統(tǒng)的主要模塊包括：信號(hào)采集模塊、信號(hào)的預(yù)處理模塊、STM32 NUCLEO核心模塊、電源模塊、顯示模塊和串口通信模塊，其構(gòu)成如圖1所示。其中預(yù)處理模塊包含原始信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換、濾波和放大，該模塊的功能主要使處理后的信號(hào)能夠滿足A/D轉(zhuǎn)換對(duì)輸入信號(hào)電壓值的要求。

首先，信號(hào)采集模塊中的心率傳感器利用反射式光電原理感知到心率信號(hào)，信號(hào)預(yù)處理模塊將獲得的心率信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波和放大，之后輸入主控模塊STM32F411 NUCLEO進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，串口通信模塊可實(shí)現(xiàn)設(shè)備與電腦的串行通信，最后心率數(shù)據(jù)和相關(guān)波形通過顯示模塊直觀地展示出來。

2 系統(tǒng)的硬件模塊

2.1 STM32 NUCLEO

STM32F411 NUCLEO開發(fā)板包含了STM32F系列板卡慣有的機(jī)械按鍵、LED指示燈、Mini USB調(diào)試接口，眾多I/O口外設(shè)通過排針座引出等功能，除此之外，還兼容Arduino Shield接口，并且可以通過Arduino Shield擴(kuò)展接口給板卡供電，板卡搭載了STM32F401RET6核心微控制器，基于32位的高性能ARM Cortex-M4處理器，帶FPU單元，最高能支持100MHz主頻。

本系統(tǒng)采用NUCLEO-F411為核心處理單元，它具有運(yùn)算處理快，內(nèi)部外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)，包含12位的ADC、多個(gè)16位、32位的定時(shí)計(jì)時(shí)器、UART串行通信收發(fā)器及大量的GPIO口。通過NUCLEO-F411可采集外部的模擬信號(hào)，并可驅(qū)動(dòng)OLED液晶屏顯示數(shù)據(jù)及繪制波形圖等。

2.2 信號(hào)預(yù)處理模塊

心臟的跳動(dòng)能夠產(chǎn)生脈搏，脈搏的跳動(dòng)會(huì)引起透光率的變化，基于這一原理，傳感器采集到的光信號(hào)形式的心率信號(hào)，必須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行后續(xù)的分析和運(yùn)算。傳感器采集心率信號(hào)轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)往往比較微弱，因此需要在預(yù)處理模塊進(jìn)行放大處理。另外，采集到的原始信號(hào)還需要進(jìn)行降噪或去噪處理，以獲得干擾較低的心率信號(hào)。

2.3 心率傳感器

通過不同傳感器的性能對(duì)比，本文選用發(fā)綠光的反射式光電脈搏傳感器作為心率數(shù)據(jù)的采集模塊。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不僅僅包含光電模塊，還集成了信號(hào)處理模塊。光電模塊包括綠光LED和光接收器，信號(hào)處理模塊包括濾波電路和放大電路。

傳感器的工作原理：首先，發(fā)光LED發(fā)出綠色的光源，人體皮膚由于血液脈動(dòng)會(huì)引起透光率的變化。接著，光接收器會(huì)根據(jù)采集到的變化的透光率轉(zhuǎn)換成不同的心率數(shù)據(jù)，應(yīng)用該傳感器采集到的心率數(shù)據(jù)精確，且受外界干擾小。傳感器輸出的信號(hào)為模擬量，在采集時(shí)需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，才能成為供MCU分析處理的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)分析計(jì)算可獲得脈搏值、心率值及相鄰心拍時(shí)間等。

2.4 顯示模塊

為增強(qiáng)顯示效果，系統(tǒng)采用OLED液晶屏為顯示模塊。OLED（Organic Light-Emitting Diode），有機(jī)發(fā)光二極管，又稱為有機(jī)電激光顯示。OLED具備構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。

有機(jī)發(fā)光顯示技術(shù)的原理是在顯示屏表面涂一層非常薄的有機(jī)材料，并配置玻璃基板。當(dāng)有電荷通過這些有機(jī)材料時(shí)就會(huì)發(fā)光。OLED發(fā)光的顏色取決于有機(jī)發(fā)光層的材料，故廠商可由改變發(fā)光層的材料而得到所需之顏色。有源陣列有機(jī)發(fā)光顯示屏具有內(nèi)置的電子電路系統(tǒng)因此每個(gè)像素都由一個(gè)對(duì)應(yīng)的電路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。通過OLED顯示屏，可將采集的數(shù)據(jù)輸出到屏幕上，并可根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出便于直接觀察的波形圖。

2.5 串口通信模塊

串口通信，指串口按位發(fā)送和接受字節(jié)。對(duì)比并行通信而言，串口通信要慢一些，但由于串口是一步的，因此可使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)，而另一根線同時(shí)接收數(shù)據(jù)。串行接口接收來自CPU的并行數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為連續(xù)的串行數(shù)據(jù)流發(fā)送出去。同時(shí)，可將接收到的串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行的數(shù)據(jù)字符供給CPU器件。常用的RS-232（ANSI/EIA-232標(biāo)準(zhǔn)）是IBM PC及其兼容機(jī)上的串行連接標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谶B接鼠標(biāo)、打印機(jī)或者M(jìn)odem，同時(shí)，也可以連接到工業(yè)儀器儀表。

本系統(tǒng)將采集到的心率數(shù)據(jù)通過串行通訊模塊上傳到電腦，借助軟件可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波形和心率曲線的繪制，以便進(jìn)行精確地分析和判讀。

2.6 電源模塊

除了5V的電源外，心率檢測儀還需要3.3V的電源。因此，電源模塊采用線性穩(wěn)壓器完成電源的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的電源模塊采用AMS1117系列穩(wěn)壓管，它的優(yōu)點(diǎn)是最小飽和壓降小、最高輸入電壓低、輸出端的成對(duì)電容可濾除電源干擾。

3 系統(tǒng)的軟件流程

本系統(tǒng)以Keil uVision5版本為集成開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用C語言編寫功能代碼，通過OLED屏顯示數(shù)據(jù)并更新的軟件流程如圖2所示。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 NUCLEO的心率檢測儀。信號(hào)預(yù)處理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)心率數(shù)據(jù)的濾波、放大等前期處理，核心板STM32可將采集的數(shù)據(jù)和波形圖顯示于OLED液晶屏，也可與CPU通信進(jìn)行深入分析和處理。該心率檢測系統(tǒng)即可應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備，也可為臨床診療提供有價(jià)值的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 涂亞慶，張政豐，李明，等.一種光電式可穿戴設(shè)備心率檢測方法及應(yīng)用 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（9）：48-54.

[2] 王海濤，呂沙里，鄭慧君，等.容積脈搏波序列的異常模式檢測 [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（11）：2285-2290.

[3] 王恩美，范鑫，李春勝，等.一種新型心電信號(hào)采集及分析系統(tǒng) [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001（S2）：368-369+374.

[4] 陳炎，李丹，李彥海，等.基于加速度傳感器的心率信號(hào)處理及檢測方法 [J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（9）：67-70.

[5] 趙海，李大舟，陳星池，等.基于脈搏波的人體竇性心率過緩檢測方法 [J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2015，42（10）：25-30.

[6] 周秦武，隋芳芳，白平，等.嵌入式無接觸視頻心率檢測方法 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，47（12）：55-60.

[7] 邱云翔，蔡成林，孫凱，等.基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀 [J].電視技術(shù)，2017，41（2）：19-22+92.

[8] 楊紅紅，毛堯輝，高滿屯，等.一種MEMS胎兒心率測量儀的設(shè)計(jì)與仿真 [J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（4）：547-549.

作者簡介：陳景霞（1979-），女，漢族，山西夏縣人，講師，碩士，研究方向：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線傳感器應(yīng)用。