（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理.pdf

a ne m b e d d e ds y s t e mf o rp u l s ew a v e a c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g b y z h a n gx i a b e ( z h o n g y u a nu n i v e r s i t ya n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s i nt h e s c h o o lo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r , j i nw u y i n a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：张傣 日期： 勾j f 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：勾年月7 日 日期：砷多月占日餐 掀即 签签者师 1 1 嵌入式系统应用现状1 1 1 1 嵌入式系统的特点及发展状况1 1 1 2 嵌入式数据采集发展状况一2 1 1 3 嵌入式数据采集系统的应用一3 1 2 课题背景及研究意义3 1 3 国内外研究现状5 1 4 本论文研究的主要内容6 1 4 课题来源一7 第2 章基于嵌入式单片机的脉搏采集系统8 2 1 采集系统总体设计8 2 2 脉搏传感器8 2 2 1 脉搏传感器简介9 2 2 2 脉搏传感器的选取一9 2 3 脉搏信号采集调理电路设计1 0 2 3 1 基线调理电路1o 2 3 2 低通滤波电路1 1 2 4 系统硬件核心平台1 2 2 4 1 嵌入式处理器选择的基本原则1 2 2 4 2a r m 微处理器的应用领域1 3 2 4 3a r m 微处理器的内核选择1 4 2 4 4a r m 9 2 0 t 核15 2 4 5 $ 3 c 2 4 4 0 a 的外围资源- - 1 7 2 4 6 $ 3 c 2 4 4 0 开发板介绍18 2 4 7 $ 3 c 2 4 4 0 与s d 卡的连接2 0 2 5 本章小结2 1 第3 章基于$ 3 c 2 4 4 0 的u c o s i i ，f a t f s 和u c g u i 的整合移植一2 3 3 1 嵌入式实时操作系统u c o s i i 的移植2 3 3 1 1u c o s i i 的特点2 3 i i ，l j m j 基于嵌入式的脉搏信号检测与处理 _ - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i _ - - - - - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ - _ - _ - - _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i - - - _ - - 3 1 2u c o s i i 的体系结构2 4 3 1 3u c o s i i 在$ 3 c 2 4 4 0 上的移植与剪裁2 5 3 2f a t f s 文件系统移植2 8 3 2 1 统一数据类型2 9 3 2 2 文件配置3 0 3 2 - 3 底层驱动函数3 0 3 2 4 过程测试3 3 3 3u c g u i 图形界面的移植3 4 3 3 1 数据结构3 4 3 3 2 工作机制3 5 3 3 3u c g u i 在s 3 c 2 4 4 0 上移植步骤设计3 5 3 3 本章小结4 l 第4 章 脉搏信号采集与处理系统一。4 2 4 1 常见的脉搏信号处理算法4 2 4 1 1 时域分析法4 2 4 1 2 频域分析法4 2 4 1 3 小波变换法4 2 4 1 4 交叉关联积分法4 4 4 1 5 数学模型法4 4 4 1 6 混沌方法4 4 4 2 基于u c o s i i 平台的应用设计4 5 4 2 1 任务的划分与实现一4 5 4 2 2 主任务4 6 4 2 3 实时任务一4 7 4 2 3 分时任务4 9 4 3 实验结果与分析5 0 4 4 本章小结5 4 象 结5 5 参考文献5 7 致 射6 0 攻读硕士学位期间发表的论文6 1 附 录a 6 2 论文 面 3 之 基于信号处理的相关理论，应用计算机、嵌入式控制系统、实时操作系统等相关技 术，对脉搏信号的实时采集、处理及信号的分析进行了研究。主要内容和结果归纳如下： ( 1 ) 综述了嵌入式智能控制、国外内医疗设备、数据处理等相关技术的研究发展现 状，对嵌入式控制系统的硬件和软件进行了分类研究，并阐述了本文的研究意义； ( 2 ) 基于信号采集处理理论技术，实现了脉搏信号的采集、放大、基线调整、噪声 滤波，把符合频率段内的脉搏信号送到$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式单片机中，实现信号的存储、显 示和处理； ( 3 ) 实现u c o s i i 实时操作系统、f a t f s 文件系统和u c g u i 图形化界面系统在 $ 3 c 2 4 4 0 平台上的整合移植，并测试了软件移植的正确性； ( 4 ) 根据任务进行划分，编写p w m 、s p i 、u a r t 的底层驱动程序和信号采集、s d 卡文件存储、通信等的应用程序；并进行了软件和硬件系统的综合性能测试； ( 5 ) 采用交叉关联积分的方法，计算了四名志愿者( 2 位男性和2 位女性) 的幅值 相关系数和相位相关系数，研究和分析了脉搏信号的不同相关系数之间的差别。发现志 愿者的幅值相关系数比相位相关系数稳定，且幅值相关系数从早到晚随着时间的推移呈 上升的趋势。 本文的工作是对基于嵌入脉搏信号测试及处理的一次努力和尝试，无论是在在脉搏 信号处理上，还是在实时操作系统的应用上，都采用了比较独特的方法，可为中医脉搏 信号智能化测试研究提供了有益的指导。 关键词：脉搏信号；信号处理；嵌入式；实时操作系统；交叉关联积分 本论文得到国家自然基金( 1 1 0 7 2 0 9 9 、3 0 6 7 5 9 2 ) 的部分资助。 h i 基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fs i g n a lp r o c e s s i n g ，t h er e a l - t i m ep u l s es i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g a r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d b yt e c h n i c a l l yw i t h t h ec o m p u t e r , e m b e d d e dc o n t r o l s y s t e m sa n dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m si nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t s c o u l db es u m m e d u pa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tc o n t r o l ，m e d i c a ld e v i c e ，s i g n a la c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe m b e d d e d c o n t r o l l i n gs y s t e m sa r es u m m a r i z e d ， r e s p e c t i v e l y t h ei m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h e s i sa r e a l s o i n t r o d u c e di nf i r s tp a r to ft h i st h e s i s ( 2 ) a ns p e c i a le m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sw o r k ，a n dt h ef u n c t i o no f w h i c h i n c l u d i n gp u l s es i g n a la c q u i s i t i o n , a m p l i f i c a t i o n , b a s e l i n ea d j u s t m e n t , n o i s ef i l t e r i n g ，s t o r a g e ， d i s p l a y , p r o c e s s i n ga n ds oo n ( 3 ) t h er e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i ，f a t f sf i l es y s t e ma n du c g u ig r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c es y s t e ma r es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dt r a n s p l a n t a t e dt os 3 c 2 4 4 0p l a t f o r m , a n dt h e c o r r e c t n e s so ft h es o f t w a r e sm i g r a t i o ni st e s t ( 4 ) a c c o r d i n gt od i v i s i o no ft a s k , a l lo fh a r d w a r e s ，s u c ha sp w m ，s p i ，a n du a r t a r e d r i v e d b yp r o p o s e d s o t t w a r ea n ds i g n a l a c q u i s i t i o n , f i l es t o r a g e o fs dc a r d ，a n d c o m m u n i c a t i o n sa r ec o d e d ，a n dt h es y e t e m sc h a r a c t e r i s t i c so fs o f t w a u r ea r et e s t e dt o o ( 5 ) u s i n gt h i ss y s t e m ，t h ec h a n g e so f f o u rv o l u n t e e r s ( 2w o m e na n d2m e n ) p u l s ea n dt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mw e r es t u d i e db ya m p l i t u d ea n dp h a s ei n d e xo fc o r r e l a t i o ni n t e g r a l ， r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a t t h eh u m a np u l s es i m i l a r i t yo fp h a s em o r es t a b i l et h a n o fa m p l i t u d e ，t h ev a l u ei n d e xh a v eo n ep a r a b o l a - g r o w t hp r o c e s si nt h ea f t e r n o o na n dt h i s a n a l y s i sc a l lr e f l e c tt h eu n d e r l y i n gc r i s i s t h i sm e t h o ds h o u l ds u p p l ya ne a s i e rb a s i sf o r c h i n e s em e d i c i n ec l i n i c a ld i a g n o s i s t h ew o r kd e s c r i b e di nt h et h e s i si sat r yo ft h es i g n a lt e s t i n ga n dt r e a t m e n tb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mo ft h ep u l s e r e g a r d l e s so ft h ep u l s es i g n mp r o c e s s i n g ，o ro na p p l i c a t i o no f r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，w eh a v ea d o p tm o r eu n i q u em e t h o d s ，w h i c hm a y b ean o v e lw a y f o rc h i n e s em e d i c i n ei n t e l l i g e n tm e a s u r a t i o n k e yw o r d s ：p u l s es i g n a l ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；e m b e d d e d ；r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ； c r o s s - c o r r e l a t i o ni n t e g r a l t h i st h e s i si sp a r t l ys u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 110 7 2 0 9 9 ， 3 0 6 7 5 9 2 ) i v 图2 1 系统结构示意图8 图2 2 基线调理电路1 0 图2 3 低通滤波电路1 2 图2 4s 3 c 2 4 4 0 a 硬件设备接线图2 0 图2 5 $ 3 c 2 4 4 0 a 与s d 卡接线示意图一2 l 图3 1u c o s i i 硬件软件体系结构2 5 图3 2 堆栈初始化2 7 图3 3 文件系统移植测试过程_ 3 4 图3 4g u i 工程示意图3 9 图3 5窗口滑动界面4 0 图4 1多任务管理及流程设计示意图4 6 图2 主任务流程图：4 7 图4 3 信号采集流程图4 8 图4 4 数据处理程图4 9 图4 5l c d 显示任务流程图5 0 图4 6 四名志愿者一天中的脉搏波形图5 2 图4 7 相关系数图5 3 v 硕士学位论文 1 章绪论 1 1 1 嵌入式系统的特点及发展状况 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。电气工程师协会从应用对象的 角度将嵌入式系统定义为：用于控制、监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备。国 内普遍认同的嵌入式系统定义为：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础【n ， 并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积功耗有严格要求的专 用计算机系统。 与通用p c 机相比，嵌入式系统有如下特点 2 1 ： ( 1 ) 专用性强嵌入式系统与p c 的最大不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用 户群设计的系统中，专用于某个特定的任务，或者很少几个任务。 ( 2 ) 可靠性高为了提高执行速度和系统可靠性，大多数嵌入式系统常把所有代码固 化、存放在存储器芯片或处理器的内部存储器件( 如r o m 、e p r o m 、f l a s h 等) 中。 ( 3 ) 系统资源少由于嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要尽可能 的精简，因此嵌入式系统比通用p c 系统资源少得多。 ( 4 ) 功耗低、体积小、集成度高、成本低许多嵌入式系统没有充足的电能供应，尤 其是便携式嵌入式设备，因此，在设计嵌入式系统时，应尽可能降低功耗。 另外，为了节省空间，嵌入式系统把通用p c 中许多由板卡完成的任务集成在芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全，可靠的基础上 量体裁衣，去除冗余，力争用较少的软硬件资源实现较高的性能。这样，才能最大限度 地降低应用成本，从而在具体应用中更具有市场竞争力。 ( 5 ) 运行环境差异大嵌入式系统无所不在，运行环境差异很大，特别是在恶劣的环 境或突然断电的情况下，要求系统仍能够正常工作。 到目前为止，嵌入式系统的发展伴随着嵌入式操作系统的发展经历了以下四个比较 明显的阶段【3 】： 第一阶段是无操作系统的嵌入式算法阶段，是以可编程控制器的形式、以单芯片为 核心的的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一 些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统 进行直接控制，运行结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都 相对比较单一，处理效率较低，存储容量较小，无操作系统支持，几乎没有用户接口。 由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是己 基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理 经远远不能适应高效的、需要大容量存储介质的现代化工业测控系统和新兴的信息家电 等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式处理器为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶 段系统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性差：系统开销小，效率高；一般配备系统 仿真器，操作系统具有一定的兼容性和扩展性；操作系统的用户界面不够友好，应用软 件较专业；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统( r 1 旧s ) 阶段，是以嵌入式操作系统为核 心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型 的微处理器上，具有强大的通用型操作系统的功能，兼容性好；操作系统效率高、内核 精小，且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络 支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接1 2 ( a p i ) ，开发应用程序简 单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术 与工业数据采集技术、信息家电等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的无缝结合将 代表着嵌入式技术的真正未来。 1 1 2 嵌入式数据采集发展状况 数据采集是指将温度、压力、流量、位移等物理量采集、转换成数字量后，由计算 机进行存储、处理、显示或打印的过程；相应的系统，称之为数据采集系统【3 j 。数据采 集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是 测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高 速自动控制完成的。由于这种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足 众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。在2 0 世纪6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集设备进入市场。到7 0 年代中后期，随着微型机的 发展，诞生了采集器、仪表同计算机融为一体的数据采集系统。这为嵌入式数据采集系 统进一步的发展奠定了基础。继而8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到 了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。主要有两类：一类以仪器 仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。第二类以数据采集片、标准总线和计算 机构成。2 0 世纪9 0 年代至今，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、 工业等领域被广泛应用。由于大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠 性的单片数据采集系统。该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向 发展，典型系统有v x i 总线系统，p c i 、p x i 总线系统等，数据位已达到3 2 位总线宽度， 采样频率可以达到1 0 0 m s p s 。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向 发展，可靠性不断提高。2 0 世纪7 0 年代自以太网诞生以来，工业控制总线有了长足的 进步，通信速率由1 0 m 提高到1 0 0 m ，1 0 0 0 m 甚至1 0 g 。在嵌入式系统中，将数据采集 2 硕士学位论文 和网络结合起来，基于t c p i p 协议，可以把数据采集与工控方案变得透明，使生产的 数据采集与工厂的各种控制设备和计算机设备间实现透明传输数据。同时使用户真正可 以享受最新i t 技术带来的各种好处，使企业的生产系统、e r p 系统、l v i e s 系统透明 实现了无缝的连接，也为制造业用户未来的电子商务应用提供了生产控制系统的基础。 1 1 3 嵌入式数据采集系统的应用 随着计算机技术及微电子技术渗透到数据采集、处理领域，该领域的面貌发生了日 新月异的变化。相继出现的包含数据采集、处理功能的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器 等微机化仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，既增加了系统功能，又提 高了技术性能。数据采集、处理与计算机技术紧密的结合已是当前该领域发展的主潮流。 配以相应的软件和硬件，计算机能够完成许多仪器、仪表的数据采集、数据处理及其它 功能。在生产过程中，数据采集系统的应用可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和 记录，能够有效提高产品质量、降低成本；在科学研究中，数据采集系统的应用可获得 大量的动态信息，这为研究瞬间物理过程提供了有力的工具，这也是获取科学奥秘的重 要手段之一。 现阶段以i n t e m e t 为代表的网络技术的出现，为数据采集、测量及仪器技术带来了 前所未有的发展空间和机遇，网络化数据采集技术与具备网络通讯功能的新型采集、处 理系统应运而生。把t c p i p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入到现场智能仪器中，使 信号的收、发都以t c p 口方式进行，这样，测控系统在数据采集、信息发布、系统集 成等方面都与i n t e m e t 互联，便于实现测控网和信息网的统一，形成具有开放性、可互 操作性、分散性、网络化、智能化的系统，在这种系统中，传统仪器设备充当着网络中 独立节点的角色，信息可传输至网络所及的任何领域，实时、动态( 包括远程) 的在线测 控成为现实。这类网络将会具有和信息网络相似的体系结构和通信模型。但网络的功能 将远远大于系统中各独立个体功能的总和。例如，在这种网络系统中，可以实现高档采 集、测量设备以及信息处理的地区性、全国性乃至全球性资源共享，可以实现远程设备 的故障诊断和控制等功能。 总之，不论在哪个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的 经济效益也就越大。 1 2 课题背景及研究意义 随着人们生活水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏 的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。据统计，目前我国城 市人口中每5 个成年人中就有1 个不同程度的患有心血管方面的疾病。源于心脏与循环 系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、猝死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年 提高，发病年龄也呈下降趋势。中国每年有1 0 0 万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。 特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。 3 基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理 要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的早期 诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大 医学界专家正在共同努力研究的重点【4 。5 。 而在医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴 学科。运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无 论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。用传感 器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。 虽然目前已有的- t l , m t 管诊疗仪器设备多种多样【卯】，例如：比较成熟的技术有心电 图检测、x 光透视、c t 扫描检查、核磁共振、静脉数字减影造影等；还有目前临床应 用较多的，超声心动图、放射性核素心血管造影( 核素显像) 、心电机械图、阻抗心动图 和阻抗微分波图等，但这些手段要么操作复杂、费用昂贵，不容易反复进行检查，要么 获得的诊断指标过少，对确诊疾病作用有限，特别是当要全面了解对病人诊断治疗非常 重要的心脏血流动力学情况时，大部分体外检测仪器都无能为力了，目前临床只能采取 体内插入式导管的检测方法，但这种方法对病人是有着非常大的创伤和风险的，而且要 求实施的意愿有相当高的技术与设备条件。 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。古代就有“切之以九脏之动，微妙在脉，不可不察”之说；所谓“问 病以知其外擦脉以知其内 ，“病家不用开口，便知病症根由 ，其价值已被两千余年的 中医临床实践所证实。这也充分体现了脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。采用传感 器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，并可记录出脉搏波，有利于存储和分析； 更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受，因而在实际中得到广泛的应 用。 脉搏波波形及特征变化是评价人体心血管系统生理病理状态的重要依据，无论是中 医脉诊还是西医心血管疾病检查，都试图从脉搏容积波波形变化中提取有关生理与病理 信息。大量的研究发现高血压和动脉粥状硬化的初期，虽然患者还没有自觉症状，但血 压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管血流参数实际上已发生变化， 并首先反映在脉搏波的幅值与形变化之中。因此根据正常健康情况和不正常疾病情况的 脉搏波特征值比较判别，即可将心血管疾病潜在的危险尽早地诊断出来。为此我们在分 析脉搏波的产生机理的基础上，对其进行频谱分析，这样就可以从中提取脉搏波的特征 信息，为后续的诊断、识别提供了有效的基础数据。 计算机是现代先进的高速运算和控制工具，因此计算机技术和脉搏血流动力学理论 和方法的结合便有着其内在的必然性。利用计算机灵敏的反映、灵活快速的计算、海量 的知识数据存储、一定程度的人工智能，以及高分辨率的显示设备和打印设备等功能和 4 硕士学位论文 优势，使得整套脉搏理论与方法更加准确和有效，并能取得广泛的应用。 随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统已是当前最热门和最有发展前途的i t 应用领 域之一。嵌入式系统通常用在一些特定专用设备上，通常这些设备的硬件资源( 如处理 器、存储器等) 非常有限，并且对成本很敏感，有时对实时响应要求很高等。特别是随 着消费家电的智能化，嵌入式更显重要。像我们平常常见到的手机、p d a 、电子字典、 可视电话、v c d d v d m p 3p l a y e r 、数字相机( d c ) 、数字摄像机( d v ) 、u d i s k 、机顶盒 ( s e t t o pb o x ) 、高清电视( h d n 厂) 、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪 表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等的部分关键部件都是典型的 嵌入式系统滞以。 1 3 国内外研究现状 心血管功能诊断仪器可以检测、显示或者记录相关的生理信号，迄今为止，己经研 发、生产出多种技术、仪器来进行诊断心血管疾病，包括血压计、心电图、胸部x 线、 心机械图、超声心动图、放射性核素、心导管检查和心血管造影、动态心电图、心向量 图、频谱分析、磁共振等【1 2 1 。国内生产的血压测量方面的仪器可以测定收缩压、舒张压、 平均压和心率；血管硬化诊断方面的仪器能够定性地分析脉搏波形状，对血管硬化程度 给出大致的判断，或者能够采用超声多普勒效应测定动脉的脉搏波传导速度，以此诊断 人体深浅动脉的硬化有无以及轻重程度d 3 q 5 】。同时，国外也开发和生产出多种医疗仪器 来帮助医生进行心血管功能的检测和诊断【1 6 - l s 。由于使用各类方法研制的仪器都是近几 年才问世的，其核心技术还在成熟之中，目前国际上尚无公认的准确完善的标准测量技 术，每种方法都各有其理论侧重和不够完善的地方。其中脉搏波法与心血管血流动力学 原理联系紧密，利用它进行多参数检测分析，从理论上讲，是最恰当不过的途径【l 卿。 脉搏波技术早在公元前五世纪已开始用于中国的脉诊，用手指从挠动脉处的脉搏波 的感觉中辨识疾病。1 8 6 0 年第一台杠杆式脉搏波描记仪问世，生物医学界的前辈们也已 经开始探索脉搏波的奥秘 2 0 1 。随着计算机的广泛应用，脉搏波的检测、记录和分析处理 仪器己不断更新和完善。这些仪器都力图利用传感器来模仿医生的手指感觉，获得脉搏 波，从中检测出脉搏波的波形、波幅、波速和周期等重要的特征信息。目前国内也有多 个厂家参与了心血管功能诊断仪器的研制，如天津大学和安徽中科智能高技术有限责任 公司等单位联合研发的健康小专家，心血管检测仪，该仪器使检测的血压、脉搏波信号， 提供的心脏功能、血液粘度、血管弹性、微循环等多项参数供患者参考，依据这些参数 可对健康状况进行有效监控和干预。 目前，这些仪器中的脉搏波采集分析系统大都采用单片机或专用信号采集卡【2 。前 者用单片机作为控制核心，通过传感器采集脉搏波信号，信号经过模拟电路放大滤波后， 换成为数字信号，最后送入单片机中进行分析处理【2 1 - 2 2 。这些仪器虽然体积小，成本低， 便于携带，但由于单片机的运算速度低，数据处理能力不强，数据存储空间有限，仪器 基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理 的功能有限，实时性不强；而后者利用专用的信号采集卡采集脉搏波信号，直接把采集 转换后得到的脉搏波数据输入到微机中，在微机中分析处理脉搏波数据团】。这些仪器可 以利用微机的强大处理能力，数据运算速度高，实时性能好，同时数据的存储空间大， 能够保存更多的脉搏波波形数据，在医院的临床监护中多采用这类仪器。但由于采用了 专用的信号采集卡，成本高，兼容性差，升级困难，如升级操作系统时其驱动程序的升 级较为困难等，而且这些仪器体积庞大，不能随身携带，操作复杂，需要专业的医护人 员进行诊断、维护，不适合家庭保健使用。 随着电子技术和数字信号处理技术的飞速发展，越来越多的先进技术也应用在电子 医疗设备中。处理器由原来的8 位单片微处理器8 9 c 5 1 、8 9 c 5 2 等幽j 发展到现在的1 6 位、3 2 位微处理器或数字信号处理器( d s p ) 瞄弓o j ，增强了单片机的数据运算速度。仪器 由原来的没有操作系统发展到现在的可以采用嵌入式操作系统 3 1 - 3 3 j 或者w i n d o w 平台的 操作系统，不仅提高了系统的实时性能，而且很大程度上缩短了仪器的开发周期，使开 发工作变的更加简单。数据的记录方式也由磁带式发展到固态式存储，到现在大多数仪 器采用的闪速存储器。闪速存储的优点是体积小，重量轻，存储容量大，结构牢固，而 且可擦除，很方便数据存储1 3 4 。3 9 j 。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文以嵌入式单片机为核心，以人体的脉搏信号为研究对象，主要分析了该数人 体脉搏信号在时域和频域的特性，建立了以嵌入式实时系统1 l c o s i i 为平台的软件分 析系统，实现脉搏信号的存储、脉搏波的显示等功能。 本论文研究的主要内容： ( 1 ) 设计与调试主处理器和m c u 的开发板。根据脉搏信号的特点选择脉搏传感器， 设计脉搏信号采集和处理电路；在介绍嵌入式处理器的选择和应用领域的基础上，论述 a r m 内核a r m 9 2 0 t 的特点，介绍了$ 3 c 2 0 0 4 嵌入式单片机的优点及外围电路，详细列 举了$ 3 c 2 0 0 4 开发板的外围配置，以及与s d 卡连接的方法。 ( 2 ) 在主处理器上移植操作系统并进行测试；在a d s 坏境下要实现数据的存储和显 示，必须先要在一个操作系统中实现，选用u c o s i i 为操作系统平台，为方便s d 卡存储 文件移植文件系统f a t f s ，液晶显示屏d m a s h a r p l c d 要显示完整的画面，必须拥有图像 化界面u c g u i ，实现图像显示。移植结束后，通过实验验证系统的稳定性和移植的正确 性。 ( 3 ) 建立在a d s 下的交叉编译环境。新建b t t s 3 s 2 0 0 4 工程，添加文件，初始化处理 器，操作系统、s d 卡、图形化界面。分配任务，设计a d 转换程序、数据存储程序，液 晶显示程序，时钟程序；编译连接所有文件，进行文件调试除错。使程序能够满足数据 处理的要求。 ( 4 ) 诊断报警算法开发。分析当前流行的几种算法的优缺点，提出针对本文研究最 6 硕士学位论文 适合的分析算法交叉关联积分法，并以c 语言的形式设计该算法程序。分析四名志愿者 脉搏信号的特点，得出他们脉搏变化的趋势，为临床诊断提供依据。在分许四名志愿者 脉搏信号的基础上实现电路的异常报警。 1 4 课题来源 国家自然基金项目( 1 1 0 7 2 0 9 9 ，3 0 6 7 5 9 2 ) 。 7 基于嵌入式系统的脉搏信号检测与处理 第2 章基于嵌入式单片机的脉搏采集系统 2 1 采集系统总体设计 传统检测设备通过各种有线方式连接到人体进行生理信息的采集，容易造成病人的 心情紧张、血压升高等现象，从而导致检测到的信号不准确。使用集成化脉搏传感器可 以很好的解决这个问题。医疗微型传感器置于被检测者左腕部位，尽量使其不对人体正 常活动产生干扰，再通过液晶显示设备将采集的人体脉搏实时信号显示出来，并对其进 行处理。根据系统功能要求，选用a r m 9 的$ 3 c 2 4 4 0 作为控制单元，d m a s h a r p l c d 作 为输出设备，功能键作为出入设备。系统结构示意图如图2 1 所示。 基于嵌入式的脉搏信号测试系统具有以下基本功能： ( 1 ) 脉搏信号的实时采集和处理；( 2 ) 终端设备的显示和存储；一( 3 ) 体积小、 重量轻、功耗低、便于携带。 传感器 器夕 l 键盘电路 i 放大、滤波电路ip c 机通讯及分 m c u 处理 图2 1系统结构示意图 u s b 接口电路 系统的工作过程如下：首先通过键盘控制单片机启动脉搏传感器，将脉搏数据记录 到外部存储器中，也可通过按键控制显示在液晶显示屏上；其次单片机通过u s b 接口接 收p c 机上软件平台设置的参数，启动脉搏传感器采集脉搏信号，经过信号调理，由单片 机自带的a d c 进行模数转换，并把转换后的