Bileklikli Kablosuz Kalp Hızı Dedektörü Tasarımı
Zhou Yuebin1,2, Yang Kai1, Chen Jiashun2,3
(1. Makine ve Otomotiv Mühendisliği Okulu, Hubei Sanat ve Bilim Üniversitesi, Xiangyang, Hubei 441053; 2. Hubei Otomobil Parçaları İmalat Ekipmanlarının Dijitalleştirilmesi için İşbirliğine Dayalı Yenilik Merkezi, Xiangyang, Hubei 441053; 3. Mekanik Otomasyon Okulu, Wuhan Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Wuhan, Hubei 430081)
: Kalp atış hızı, insan sağlığını ölçmek için önemli bir fizyolojik göstergedir. Kalp atış hızı verilerini hızlı ve etkili bir şekilde tespit etmek için, düşük güçlü STC15L2K60S2 tek çipli mikro bilgisayarı temel alan bir bilek bantlı kablosuz kalp atış hızı dedektörü tasarlanmıştır. Kalp atış hızı sinyali, yansıtıcı fotoelektrik sensör SON1303 tarafından algılanır Analog sinyal donanım devresi tarafından işlendikten sonra, tek çipli bilgisayar, kalp atış hızı hesaplamasını ve veri işlemeyi tamamlamak için yazılım programını çalıştırır ve CC2540 Bluetooth modülü yardımıyla ana bilgisayar ile kablosuz iletişim gerçekleştirir. Üst bilgisayar yazılımı, kalp atış hızı verilerini izleyebilen ve yönetebilen LabVIEW temel alınarak yazılmıştır. Bileklik takma stili ve şarj edilebilir lityum pil güç kaynağı, kalp atış hızı tespiti için daha taşınabilir ve pratiktir. Prototip testi, tasarımın iyi yanıt hızına ve doğruluğuna sahip olduğunu ve evlerde ve ofislerde kullanıma uygun olduğunu göstermektedir.
: Kalp atış hızı; Bluetooth; sensör; kablosuz
: TP212.3 Belge tanımlama kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.04.030
Alıntı biçimi : Zhou Yuebin, Yang Kai, Chen Jiashun. Bileklikli kablosuz kalp atış hızı dedektörü tasarımı J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (4): 99-102.
0 Önsöz
* Finanse edilen projeler: Xiangyang Şehri Araştırma ve Geliştirme Projesi (Xiangkeji [2014] No. 12/14); Hubei Eyaleti İşbirlikçi İnovasyon Merkezi Otomobil Parçaları İmalatı Ekipmanları Dijitalleştirme için Açık Proje Projesi (hbuascic2014017); Hubei Sanat ve Bilim Üniversitesi Doktora Araştırma Fonu Projesi Günümüzde kardiyovasküler hastalık, kentsel ve kırsal bölge sakinleri arasında önde gelen ölüm nedeni haline gelmiştir [1]. İnsan vücudunun en önemli organlarından biri olan kalpte bir sorun oluştuğunda yaşamı tehdit edebilir. Kalp hızı, kalp sağlığını ölçmek için önemli bir fizyolojik indekstir ve önemli klinik tanı değeri ve pratik önemi vardır. Profesyonel tıbbi monitörler hastaların kalp atış hızını, kan basıncını ve diğer verilerini gerçek zamanlı olarak izleyebilir, ancak kabloları ve yardımcı cihazları daha karmaşık, pahalıdır ve günlük popüler kullanım için uygun değildir. Şu anda piyasada kalp atış hızı algılama işlevine sahip bazı akıllı bileklik ürünleri var, ancak akıllı telefonlarla örtüşen, kullanımı karmaşık, pratik olmayan ve maliyetli olan çok sayıda işlev ekliyorlar. Bu amaçla, bu kağıt, taşıması kolay, iyi hassasiyet ve yanıt hızına sahip bir bileklik kalp atış hızı monitörü tasarlar.Verileri kablosuz olarak iletmek için yerleşik bir Bluetooth modülüne sahiptir ve PC veya diğer Bluetooth cihazlarla birbirine bağlanabilir.Evlerde ve ofislerde kullanıma uygundur. .
1 Sistemin genel tasarımı
Sistemin genel tasarımı Şekil 1'de gösterilmektedir. Kalp atış hızı sensörü, kalp atış hızı sinyalini toplar ve bunu fotoelektrik dönüşüm yoluyla bir elektrik sinyali olarak verir.Elektrik sinyali, sinyal işleme devresi tarafından filtrelenir ve şekillendirilir ve mikroişlemci tarafından tanınabilen bir nabız seviye sinyaline dönüştürülür; mikroişlemci çevresel sinyali okur, Dijital sinyal işleme ve hesaplama gerçekleştirin; düğme devresi, mikroişlemciye çalışma sinyallerini iletir ve ekran devresi kalp atış hızı verilerini ve zamanı ve diğer bilgileri gerçek zamanlı olarak görüntüleyebilir; Bluetooth modülü kablosuz bağlantıyı gerçekleştirir ve sistem ana bilgisayarla iletişim kurabilir. Üst bilgisayar alınan verileri işleyebilir, görüntüleyebilir ve kaydedebilir. Güç kaynağı devresi, USB arabirimi üzerinden şarj edilen yeniden şarj edilebilir bir lityum pil kullanarak sisteme güç sağlar.
2 Sistem donanımı tasarımı
2.1 Kalp atış hızı sensörü
Kalp atış hızı tespiti için kullanılan birçok sensör vardır ve kalp atış hızı test bölgesi için farklı gereksinimler vardır [2]. Şekil 2'de gösterildiği gibi, bu tasarım, kalp atış hızı sinyalini algılamak için bir SON1303 yansıtıcı fotoelektrik sensör kullanır.İki çift LED ışık yayan tüp ve içinde bir alıcı tüp vardır.Işık yayan tüp, insan cildini aydınlatabilen yeşil bir ışık kaynağı sağlar ve alıcı tüp, insan cildinden yansımayı alır. Işık. SON1303, dalga boyu 570 nm olan yeşil ışık kullanır.Kızılötesi ışıkla karşılaştırıldığında, yansıtma daha yüksektir, ölçüm hassasiyeti daha yüksektir ve sinyal-gürültü oranı da iyileştirilebilir. Dahili entegre nano kaplamalı ortam ışığı algılama sensörü, gereksiz ışık kaynaklarını filtreleyebilir ve bu da diğer ışık kaynaklarının karıştığı yanlış karar eylemlerini azaltabilir. Hiperemi sırasında insan dokularının şeffaflığı azalır, alıcı tüpün aldığı ışığın yoğunluğu azalır, iskemi sırasında insan dokularının şeffaflığı azalır ve alıcı tüpün aldığı ışık yoğunluğu artar [3]. SON1303 tarafından alınan yansıtıcı sinyal, dahili devre tarafından güçlendirilir ve voltaj sinyali, VOUT pininden çıkar. Dirençler R2 ve R3, akım sınırlayıcı korumanın rolünü oynar ve direnç R4, VOUT piminin aşağıya çekilmesi için kullanılır. SON1303, kalp atışı frekansı ile tutarlı bir voltaj sinyali verebilir.
2.2 Sinyal işleme devresi
Normal şartlar altında, kalp atış hızı sinyali yaklaşık olarak periyodiktir, ancak belirli bir periyodik sinyal değildir Sinyal frekansı düşüktür ve parazit oluşturmak kolaydır [4]. Kalp atış hızı sensörünün çıkışı, mikroişlemci tarafından bir sinyal işleme devresi aracılığıyla tanınabilen bir darbe sinyaline dönüştürülmesi gereken bir milivolt seviyeli sinyaldir.
Sinyal işleme devresi, bir şekillendirme amplifikatör devresi oluşturmak için 3 SON221 işlemsel amplifikatör kullanır. Kalp atış hızı sensöründen gelen sinyal çıkışı ilk olarak pre-op amplifikatör U5 tarafından yükseltilir ve daha sonra sonraki işlem olarak yüksek frekanslı dağınıklığı filtrelemek için ara op amp U6 tarafından oluşturulan voltaj takipçisi aracılığıyla direnç R10 ve kapasitör C7'den oluşan düşük geçişli filtreye gönderilir. U7'nin ters giriş voltajını koyun, U5'in çıkış voltajı, bir karşılaştırıcı devre oluşturmak için direnç R9 aracılığıyla U7'nin ters çevirmeyen giriş ucuna bağlanır, böylece çıkış dalga formu bir TTL seviyesi çıkışı şeklinde şekillendirilir.
2.3 Mikroişlemci
Şekil 3'te gösterildiği gibi, mikroişlemci STC15L2K60S2 tek çipli mikro bilgisayarı benimser, çalışma voltajı 3,3 V'tur, harici kristal osilatör ve sıfırlama olmadan, çip üzerinde büyük kapasiteli bir program belleği vardır ve iki bağımsız seri portu ve 8 kanallı yüksek hızlı ADC'yi entegre eder. P3.5 pini, sinyal işleme devresinin çıkış sinyali OUT1'e bağlanan zamanlayıcı 1 harici sayım giriş pinidir.ÇIKIŞ1 düşükten yükseğe geçiş sinyali ürettiğinde, mikroişlemci zamanlayıcıyı tetikleyecektir. 1 Kesinti, kalp atışı olarak kaydedilir. Mikroişlemcinin P1.7 pini, sinyal işleme devresinin OUT2 sinyaline bağlanır ve OUT2'nin voltaj verileri doğrudan dahili ADC kanalı üzerinden okunabilir.
2.4 Ekran ve düğme devresi
Ekran devresi 128 × 32 çözünürlüğe sahip OLED ekran kullanır ve güç sağlamak için dahili bir güçlendirme modu kullanır.Çalışma voltajı 3,3 V ve 5 V ile uyumludur. OLED ekran arka ışığa ihtiyaç duymaz, düşük güç tüketimine ve yüksek kontrasta sahiptir.Bekleme modunda görüntülenmez Tuşa basıldığında zaman veya ilgili işlem bilgilerini gösterir.Mikroişlemciye 3 kablolu SPI modunda bağlanır.
Düğme devresi üç düğmeli bir tasarıma sahiptir, bir işlev oluşturulmuştur ve iki ok düğmesi: sol düğme ve sağ düğme. İşlev seçim menüsüne girmek için işlev tuşuna uzun basın, iki yön tuşu işlev seçimi ve parametre ayarı için kullanılabilir, çıkmak için işlev tuşuna tekrar uzun basın.
2.5 Bluetooth modülü
Bluetooth modülü, uzun iletim mesafesi ve yüksek kararlılık özelliklerine sahip TI'nin CC2540 yongası temelinde geliştirilen Bluetooth 4.0 seri port şeffaf iletim modülünü benimser. Mikroişlemci, Bluetooth iletişiminin ana bilgisayarı olarak CC2540'a bağlanır.CC2540'ın P0.2 ve P0.3 pinleri, mikroişlemcinin sırasıyla P1.1 ve P1.0 pinlerine bağlanan seri verilerin alma ve gönderme pinleridir. . CC2540'ın P1.0'ı çalışma durumu çıkış pinidir, P1.1 sırasıyla mikroişlemcinin P3.3 ve P3.4 pinlerine bağlanan bağlantı durumu çıkış pinidir, mikroişlemci iki pini okur Durum CC2540'ın çalışma durumunu ve bağlantı durumunu alabilir.
PC veya diğer Bluetooth aygıtları, kalp atış hızı detektörü ile iletişim kurmak için bir ana bilgisayar olarak kullanılabilir ve bilgisayarın Bluetooth iletişimi için bir slave olarak bir Bluetooth arabirimi sağlaması gerekir. Bilgisayarda Bluetooth arabirimi yoksa, Şekil 4'te gösterilen çözüm, CH340G USB veri yolu dönüştürme yongasının seri bağlantı noktasını CC2540 tam çift yönlü ile bağlamak için kullanılabilir ve bilgisayarın USB arabirimi ve Bluetooth arabirimi dönüştürülebilir [5].
2.6 Güç kaynağı devresi
Güç tüketimini azaltmak için, sistem şarj edilebilir bir lityum pil artı 3,3 V regüle edilmiş çıkış güç kaynağı kullanır Şekil 5'te gösterildiği gibi, lityum pil Mini-USB arabiriminden şarj edilir ve şarj yönetimi için sabit akım / sabit voltaj doğrusal şarj çipi CH4054 kullanılır. CH4054, şarj akımını otomatik olarak ayarlayabilen ve şarj sürecini otomatik olarak kontrol edebilen bir anti-ters şarj devresi kullanır [6]. Lityum pilin çıkış voltajı, voltajı 3,3 V'ta sabit tutmak için DC / DC çip MIC5207'yi kullanır.
3 sistem yazılım tasarımı
3.1 Ana program tasarımı
Sistemin ana program akışı Şekil 6'da gösterilmektedir. İlk olarak, OLED ekran, zamanlayıcı, sayaç, ADC, seri port vb. Başlatma dahil olmak üzere sistem başlatılır. Sistemin sürekli ölçüm durumuna girmesinin iki yolu vardır, biri ölçüm işlevi menüsüne girmek için düğmeye basmaktır; diğeri seri bağlantı noktası kesinti hizmet programında, mikro denetleyici ana bilgisayarın Bluetooth aracılığıyla gönderdiği sürekli ölçüm komutunu tanır. Ekrandaki ilk görüntüleme süresi, işlev menüsünü görüntülemek için işlev tuşuna uzun basın, ok tuşları aracılığıyla farklı işlevler seçin, onaylamak için işlev tuşlarını kullanın ve ardından zaman ayarı, kalp atış hızı voltajı ekranı, Bluetooth gibi ilgili işlevleri ve ayarları tamamlamak için anahtar işleme alt yordamını çağırın Veri aktarımı vb.
3.2 Ekran programlama
OLED ekran yerleşik bir sürücü yongası SSD1306'ya sahiptir ve OLED ekranın başlatma programı, veri kılavuzunda sağlanan sürücü süreci ve talimat parametrelerine göre yazılabilir. OLED ekranının görüntüsü noktalara dayalıdır ve ekranda noktalar çizilirken noktaların koordinatlarının belirlenmesi gerekir. Çözünürlük 128 × 32 olduğundan 0'dan başlayarak, X ekseninin maksimum değeri 127'yi ve Y ekseninin maksimum değeri 32'yi geçmez. Noktaların konum bilgilerini saklamak için statik bir dizi tanımlayabilirsiniz.Görüntülenmesi gereken tüm veri konum bilgileri saklandığında Bundan sonra, OLED ekranının ekran içeriğini güncellemek için mikroişlemci SPI arayüzü üzerinden SSD1306'ya yazın.
3.3 Bluetooth iletişim programı tasarımı
Seri bağlantı noktası 1, program hata ayıklama ve indirme ile meşgul olduğundan, mikroişlemci ile Bluetooth modülü CC2540 arasındaki bağlantı için seri bağlantı noktası 2 seçilir. Seri bağlantı noktasını başlatmak için, önce seri bağlantı noktası numarasını 2 olarak seçin, ardından çalışma modunu ayarlayın ve son olarak baud hızını ayarlayın ve seri bağlantı noktası 2 kesintisini etkinleştirin.
Seri bağlantı noktası 2 bir kesme oluşturduğunda, sistem seri bağlantı noktası kesinti hizmeti alt yordamını yürütür, alıcı veya gönderen bayrağını yargılar ve bayrak bitini yazılımla temizler. Alıcı bayrak konumu 1 ise, seri port arabelleğindeki verileri okuyun, ardından okunan verileri yargılayın ve analiz edin ve ilgili işlemleri gerçekleştirin. Gönderme bayrağı 1 olarak ayarlanmışsa, veri göndermeye hazırdır. Mikroişlemci, CC2540 ile seri bağlantı noktası 2 üzerinden veri iletimini gerçekleştirir ve CC2540'ın yardımıyla ana bilgisayar veya diğer Bluetooth aygıtları ile kablosuz iletişim gerçekleştirebilir.
3.4 Kesinti programlama
Zamanlayıcı T0, 16 bit otomatik yeniden yükleme zamanlama moduna ayarlanmıştır, saat kaynağı dahili 11.0592 MHz kristal osilatörü seçer ve kesinti döngüsü 50 ms'dir. Zaman gösterimi ve kalp atış hızı zamanlaması için T0 interrupt hizmeti alt yordamında saat, dakika ve saniye zamanlaması gerçekleştirilir. Zamanlayıcı (T1), bir 8-bit otomatik yeniden yükleme başlangıç değeri sayma yöntemine ayarlanır ve T1'in kesinti hizmeti alt yordamı, kalp atış hızını hesaplamak için sinyal işleme devresi tarafından darbe sinyali OUT1 çıkışını sayar.
3.5 PC programlama
Üst bilgisayar programı, kalp atış hızı verilerini ve dalga formlarını gerçek zamanlı olarak görüntüleyip saklayabilen LabVIEW'de yazılmıştır. Tasarım, programın sürekli çalışmasını sağlamak için while döngüsünü kullanır ve ön paneldeki while döngüsünün durdurma arayüzüne bağlı bir durdurma anahtarı programın durdurulmasını sağlayabilir. Sanal cihaz yazılım mimarisi (Virtual Instruments Software Architecture, VISA), seri iletişim programlaması için kullanılabilen, LabVIEW tarafından sağlanan standart bir I / O uygulama programı arayüzüdür. LabVIEW, VISA düğümünü, seri bağlantı noktasını başlatma, seri yazma, seri okuma, kesinti ve seri bağlantı noktasını kapatma [7] gibi işlevleri uygulayan 8 düğüm içeren bir alt modüle ayırır. While döngüsünde, seri port veri iletimini etkilemekten kaçınmak için döngü zamanlaması olarak 10 ms'lik bir zamanlayıcı kullanılır. Seri bağlantı noktası verileri onaltılık karakterler olduğundan, onaltılık karakterleri sayısal değerlere dönüştüren bir program bloğu, dalga biçimi görüntüsünün çağrılması için seri bağlantı noktası veri dönüşümünü tamamlamak için gereklidir.
4 Simülasyon ve test
Sinyal işleme devresi bu tasarımın anahtarıdır.Doğruluğunu doğrulamak için devre simüle edilir ve Multisim yazılımı [8] tarafından analiz edilir. Simülasyon sonuçları, sinyal işleme devresinin arka uç çıkışının kalp atış hızı sinyalini, mikroişlemcinin harici sayaç I / O seviyesini okuması için uygun olan ve tasarım gereksinimlerini karşılayabilen standart bir TTL seviyesi çıkışına dönüştürebildiğini göstermektedir. Daha sonra prototip üretildi ve sistem test edildi. Önceki aşamanın çıkış dalga biçimini filtrelemek ve yükseltmek için sinyal işleme devresini dijital osiloskop aracılığıyla gözlemleyin.Belirli bir parazit paraziti olmasına rağmen, verilerin doğruluğunu etkilemez. Aşama sonrası şekillendirme ve amplifikasyondan sonra, çıkış dalga formu nispeten idealdir ve mikroişlemcinin harici sayaç I / O'nun TTL seviyesini okumak için gereksinimlerini tam olarak karşılar.
Kalp atış hızı sensörünün ve sinyal işleme devresinin düzgün çalıştığını doğruladıktan sonra, sistemin OLED ekranı, düğme işleme, Bluetooth iletişimi, ana bilgisayar izleme ve diğer işlevler aşamalı olarak test edilir.Test sonuçları, yukarıdaki işlevlerin etkili bir şekilde çalışabileceğini göstermektedir. Ana bilgisayar ve sistem Bluetooth ile bağlandıktan sonra, kalp atış hızı doğru bir şekilde ölçülebilir, kalp atış hızı trend tablosu gerçek zamanlı olarak görüntülenebilir ve kalp atış hızı verileri çıktı alınabilir ve Excel veya grafik dosyaları şeklinde kaydedilebilir.
5. Sonuç
Bu yazıda, bir bileklikli kalp atış hızı dedektörü tasarlanmıştır.Donanım tasarımı STC15L2K60S2 mikrodenetleyicisine dayanmaktadır Kalp atış hızı sinyal tespiti, yüksek doğruluk ve serbest ölçüm yöntemlerine sahip bir yansıtıcı fotoelektrik sensör SON1303 kullanır. Mevcut ana taşınabilir cihazlarla tutarlı şarj edilebilir lityum pil güç kaynağı modunu benimser ve yerleşik CC2540 Bluetooth modülü, ana bilgisayarın kalp atış hızı verilerini izlemesi ve yönetmesi için uygun olan diğer Bluetooth cihazlarıyla kablosuz olarak iletişim kurabilir. Tasarımın hassasiyeti ve tepki hızı iyidir ve insan kalp atış hızı izleme için çok uygun ve etkilidir.Popüler hale getirilebilir ve diğer giyilebilir elektronik ürünlere ve ölçüm cihazlarına uygulanabilir ve iyi bir pratik değere sahiptir.
Referanslar
[1] You Hanlian, Fang Yu, Wang Haibin, vb. PSoC4 J tabanlı görselleştirilmiş kalp sesi toplama sistemi. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (4): 81-84.
[2] Zheng Cheng, Yu Shannan, Zhu Yonghua, vb. ARM J tabanlı taşınabilir bir kalp atış hızı monitörü tasarımı. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2014, 33 (5): 27-29.
[3] Zhou Qinwu, Sui Fangfang, Bai Ping, vd. Gömülü temassız video kalp atış hızı algılama yöntemi J. Xi'an Jiaotong Üniversitesi Dergisi, 2013, 47 (12): 55-60.
[4] Jiang Zhe. Dijital fetal kalp hızı algılama sisteminin tasarımı ve gerçekleştirilmesi D. Kunming: Yunnan Üniversitesi, 2014.
[5] Wei Liming. USB iletişim ekipmanına [D] dayalı sanal seri bağlantı noktasının araştırılması ve tasarımı. Xi'an: Xidian Üniversitesi, 2013.
[6] Yang Yue. Düşük güçlü kalp atış hızı dedektörü tasarımı J. Elektronik ürün tasarımı, 2014 (12): 10-13.
[7] Hu Yiding, Wang Linfu, Li Shaopeng, et al. LabVIEW J tabanlı kablosuz kalp atış hızı ölçüm sistemi. Elektronik Teknolojisi, 2014 (3): 63-64, 62.
[8] Liang Junhu. Analog devre simülasyonunda modelleme teknolojisi üzerine araştırma D. Pekin: Kuzey Çin Teknoloji Üniversitesi, 2014.
