王慧媛,蔣敏蘭
?。ㄕ憬瓗煼洞髮W(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院,，浙江 金華 321004）
摘要：針對目前心血管疾病嚴(yán)重威脅人類健康,且在我國的發(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的脈搏心率檢測儀,。下位機(jī)選用Arduino為主控芯片,，將脈搏心率檢測模塊檢測到的脈搏信息通過串口發(fā)送給LabVIEW上位機(jī)，上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示動(dòng)態(tài)脈搏曲線,，同時(shí)將脈搏測量結(jié)果顯示在上位機(jī)前面板,。該檢測儀可實(shí)現(xiàn)對脈搏和心率信號的采集、顯示,、波形回放和存儲,，與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。測試結(jié)果表明,，該檢測儀測量誤差不超過1%,，利用該儀器可及時(shí)了解被測者的身體狀況。
關(guān)鍵詞：LabVIEW,；Arduino,；脈搏檢測；心率檢測,；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，我國心血管疾病的發(fā)病率和死亡率持續(xù)上升,，約300萬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健康的頭號殺手［2］,。
目前,，國內(nèi)外在脈搏檢測方面已經(jīng)開展了大量工作，脈搏測量技術(shù)也越來越先進(jìn)。過去醫(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程中會使患者不適,，且存在體積龐大、檢測精度低等缺點(diǎn),；而近來研發(fā)的多種無創(chuàng)非接觸式儀器能夠自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差,、測量精度高且能夠?qū)崟r(shí)顯示病人脈搏信息，但此類儀器多用于大型醫(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的脈搏心率檢測儀利用美國NI公司開發(fā)的LabVIEW圖形化編程開發(fā)平臺［3］，設(shè)計(jì)了簡明,、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)的脈搏測量方法主要包括三種：一是從心電信號中提取脈搏信號；二是利用測量血壓時(shí)壓力傳感器測到的波動(dòng)來計(jì)算脈率,；三是光電容積法測量［6］,。前兩種方法提取信號都會限制病人的活動(dòng)，如果長時(shí)間使用會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進(jìn)行脈搏的測量，具有方法簡單,、可靠性高且佩戴方便的特點(diǎn),。當(dāng)光束透過人體外周血管，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)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號，動(dòng)脈血管容積也周期性變化,，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率,。圖2右為A72脈搏心率檢測模塊。
2.2Arduino單片機(jī)
Arduino是一款便捷靈活,、方便上手的開源電子原型平臺,。Arduino能夠通過AD對傳感器信號采樣處理，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至LabVIEW平臺,。其與脈搏心率檢測模塊一起構(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)
由于心率檢測模塊的輸出信號為0~5 V的電壓信號,，因此只需要利用Arduino的一個(gè)模擬信號輸入端口將0~5 V的模擬信號轉(zhuǎn)化為0~255的數(shù)字信號,，即可實(shí)現(xiàn)對脈搏信息的采集，同時(shí)通過RS232串口協(xié)議將信號傳送到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)對脈搏波的采集,、濾波,、顯示、波形回放,、存儲等功能,，如圖4所示為上位機(jī)軟件界面，圖5所示為LabVIEW后面板圖形編程,。
4測量結(jié)果及誤差
表1為6例檢測心率的樣本結(jié)果與采用購買的標(biāo)準(zhǔn)儀器測量結(jié)果的對比及誤差,，樣本來自無疾病、無精神障礙的大學(xué)生,。其中：
測量誤差=|實(shí)測值-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平臺設(shè)計(jì)了一款低成本,、低功耗、操作簡單、界面美觀的脈搏心率檢測儀,，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)展的情勢下,，本設(shè)計(jì)更加符合社會消費(fèi)理念和廣大消費(fèi)者的生活需要。
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