王慧媛,蔣敏蘭

　　（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

       摘要：針對(duì)目前心血管疾病嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康,且在我國(guó)的發(fā)病率與死亡率居高不下的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測(cè)儀。下位機(jī)選用Arduino為主控芯片，將脈搏心率檢測(cè)模塊檢測(cè)到的脈搏信息通過(guò)串口發(fā)送給LabVIEW上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示動(dòng)態(tài)脈搏曲線，同時(shí)將脈搏測(cè)量結(jié)果顯示在上位機(jī)前面板。該檢測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏和心率信號(hào)的采集、顯示、波形回放和存儲(chǔ)，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)儀測(cè)量誤差不超過(guò)1%，利用該儀器可及時(shí)了解被測(cè)者的身體狀況。

　　關(guān)鍵詞：LabVIEW；Arduino；脈搏檢測(cè)；心率檢測(cè)；串口通信

0引言

　　人體脈搏系統(tǒng)是心血管系統(tǒng)的重要組成部分，脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率、節(jié)律等方面的綜合信息，反映了人體心血管系統(tǒng)中的許多生理病理特征，是臨床診斷和治療的重要依據(jù)［1］。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)心血管疾病的發(fā)病率和死亡率持續(xù)上升，約300萬(wàn)患者每年死于心血管病，幾乎每3個(gè)死亡的人中就有1人是心血管病，心血管疾病已成為人類(lèi)健康的頭號(hào)殺手［2］。

　　目前，國(guó)內(nèi)外在脈搏檢測(cè)方面已經(jīng)開(kāi)展了大量工作，脈搏測(cè)量技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)。過(guò)去醫(yī)院臨床監(jiān)護(hù)和老年保健中常用便攜式電子血壓計(jì)，但其在利用氣泵加減壓過(guò)程中會(huì)使患者不適，且存在體積龐大、檢測(cè)精度低等缺點(diǎn)；而近來(lái)研發(fā)的多種無(wú)創(chuàng)非接觸式儀器能夠自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差、測(cè)量精度高且能夠?qū)崟r(shí)顯示病人脈搏信息，但此類(lèi)儀器多用于大型醫(yī)院且價(jià)格昂貴，不適合廣大消費(fèi)者的使用［2］。本文提出的基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測(cè)儀利用美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)［3］，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)明、直觀、易用的上位機(jī)顯示界面，精度高，使用方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)由上、下位機(jī)組成。下位機(jī)由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理［4］。上位機(jī)(PC)基于虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW8.0 編制軟件程序,實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的數(shù)據(jù)讀取、濾波、脈搏頻率計(jì)算、波形顯示等功能［5］。上、下位機(jī)通過(guò)RS232串口通信。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2下位機(jī)設(shè)計(jì)

　　2.1傳感器選型

　　傳統(tǒng)的脈搏測(cè)量方法主要包括三種：一是從心電信號(hào)中提取脈搏信號(hào)；二是利用測(cè)量血壓時(shí)壓力傳感器測(cè)到的波動(dòng)來(lái)計(jì)算脈率；三是光電容積法測(cè)量［6］。前兩種方法提取信號(hào)都會(huì)限制病人的活動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加病人生理和心理上的不舒適感。本設(shè)計(jì)選用集成化脈搏傳感器A27pulsesensor，它是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率的不同即光容積法來(lái)進(jìn)行脈搏的測(cè)量，具有方法簡(jiǎn)單、可靠性高且佩戴方便的特點(diǎn)。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。圖2右為A72脈搏心率檢測(cè)模塊。

　　2.2Arduino單片機(jī)

　　Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。Arduino能夠通過(guò)AD對(duì)傳感器信號(hào)采樣處理，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至LabVIEW平臺(tái)。其與脈搏心率檢測(cè)模塊一起構(gòu)成了本設(shè)計(jì)的底層硬件。圖2為底層硬件結(jié)構(gòu)。

　　2.3基于Arduino的硬件程序設(shè)計(jì)

　　由于心率檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)為0~5 V的電壓信號(hào)，因此只需要利用Arduino的一個(gè)模擬信號(hào)輸入端口將0~5 V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為0~255的數(shù)字信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信息的采集，同時(shí)通過(guò)RS232串口協(xié)議將信號(hào)傳送到LabVIEW上位機(jī)。

3上位機(jī)設(shè)計(jì)

　　3.1基于LabVIEW的算法設(shè)計(jì)

　　LabVIEW通過(guò)串口接收到下位機(jī)發(fā)送的脈搏數(shù)據(jù)，為了得到準(zhǔn)確的心跳頻率，把接收到的值與前兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分別獲得數(shù)據(jù)流中最大值時(shí)間tmax和最小值時(shí)間tmin，因此心臟實(shí)際的跳動(dòng)周期為：

　　T=|tmax-tmin|

　　如圖3所示為脈搏心率檢測(cè)流程圖。

　　3.2基于LabVIEW的上位機(jī)設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)設(shè)計(jì)采用LabVIEW8.0進(jìn)行圖形編程。LabVIEW軟件提供了有關(guān)串口設(shè)計(jì)的VI［7］，可以實(shí)現(xiàn)串口的配置、讀寫(xiě)和中斷等功能。同時(shí)充分利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波的采集、濾波、顯示、波形回放、存儲(chǔ)等功能，如圖4所示為上位機(jī)軟件界面，圖5所示為L(zhǎng)abVIEW后面板圖形編程。

4測(cè)量結(jié)果及誤差

　　表1為6例檢測(cè)心率的樣本結(jié)果與采用購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果的對(duì)比及誤差，樣本來(lái)自無(wú)疾病、無(wú)精神障礙的大學(xué)生。其中：

　　測(cè)量誤差=|實(shí)測(cè)值-標(biāo)準(zhǔn)值|/標(biāo)準(zhǔn)值

　　由表1可知，本設(shè)計(jì)誤差不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的1%。

5結(jié)論

　　本文利用脈搏心率傳感器、Arduino單片機(jī)和LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款低成本、低功耗、操作簡(jiǎn)單、界面美觀的脈搏心率檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)了以下功能：

　　(1)下位機(jī)數(shù)據(jù)采集處理以及數(shù)據(jù)發(fā)送；

　　(2)LabVIEW上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)心電圖顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形回放；

　　(3)定時(shí)計(jì)算心跳頻率并顯示；

　　(4)繪制心形曲線。

　　在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)+的模式下，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展推動(dòng)虛擬儀器及其相關(guān)領(lǐng)域快速發(fā)展的情勢(shì)下，本設(shè)計(jì)更加符合社會(huì)消費(fèi)理念和廣大消費(fèi)者的生活需要。

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