基于USB技术的脉搏信号采集系统

基于USB技术的脉搏信号采集系统
【摘要】本文研制了一个基于USB的脉搏数据采集系统。

它以单片机SPCE061A作为下位机设计和实现了脉搏信号的采集装置，以PC机作为上位机，实现了脉搏信号的显示、存储和处理，该采用USB通讯方式实现它们之间的数据传输。

系统界面友好，操作简单，数据处理能力强，具有功耗低、体积小、便于携带等特点。

【关键词】中医SPCE061A单片机；脉搏信号；USB通讯
0.引言
脉诊是我国传统医学种最具特色的一项诊断方法，中医认为血气在经脉中运行而形成脉象。

病人的脉搏信息是一种客观存在，但医生凭借手指感知的诊断却是一个主观活动，没有统一标准，对诊脉经验的交流和总结不利[1]。

可见为脉诊建立切实可行的客观指标，定量的地研究人体脉搏信息，乃是继承和发扬中国脉学迫切需要解决的问题。

目前国内大多数用于临床诊治和基础研究的脉象信息采集系统,主要存在以下一些问题: ①采集平台体积偏大,便携性、通用性不够好; ②实时系统中采样率与数据传输速度之间的矛盾[2]。

本系统的电路元件多采用高性能的表贴元件,减小了系统体积和功耗。

USB总线供电，省却了额外的供电系统。

USB数据通讯方式使得系统通用性增强,可广泛应用于电脑、PDA设备等多种场合。

1.系统设计
系统通过微处理器来控制脉象信息的采样,通过PC主机来控制微处理器的动作和它们之间的数据传输。

传感器从人体的桡动脉处采集到脉搏波信号，经过调理电路的放大、滤波处理之后进入SPCE061A单片机, 并通过单片机内部的AD 转换模块转换为数字信号，然后通过接口电路传送给上位机进行处理。

1.1传感器及信号调理部分
考虑到产品价格的因素和所需精度的要求，装置选择了合肥华科电子技术研究所研制开发的基于PVDF(聚偏氟乙烯)压电膜的HK-2000型集成化脉搏传感器。

它是一种软接触式的无创伤脉搏传感器。

灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大且能满足脉搏信号的频率特性。

其技术指标为，电源电压：5～6VDC；压力量程：-50～+300mmHg；灵敏度：2000uV/mmHg；精度：0.5%；过载：100倍[3]。

脉搏传感器输出的模拟信号电压范围是-0.5V～0.6V。

由于输出有负值，所以用同相放大电路来做一个基线调整，实现电压抬升。

本系统选择OP07运算放大器。

人体脉搏信号的频率较低，所以脉搏传感器的输出信号线可以直接与运算放大器的输入端相连。

输入与输出关系为：V out=Vin+1.5V 其中Vin是脉搏传感器输出信号，也即OP07的输入信号，V out为OP07的输出信号。

人体的脉搏信号频率非常低，约为0.5～4HZ，一般情况下在1Hz左右，最高不超过40HZ。

因此低通滤波的截止频率设为40HZ。

本系统采用简单的RC滤波电路来实现滤波功能，这里不做详细说明。

1.2单片机及USB接口电路部分
系统采用是凌阳公司生产的SPCE061A单片机。

它的CPU内核采用μ，nSPTM16位微处理器芯片。

有较高的处理速度。

其主要特性为：工作电压(CPU)VDD：2.4～3.6V(I/O)VDDH：2.4～5.5V；CPU时钟：0.32MHz～49.152MHz；
内置2K SRAM，32K FLASH；2个16位可编程定时器／计数器；32位通用可编程输入／输出端口；14个中断源可来自定时器A／B 时基；7通道10位电压模－数转换器[4]。

在USB接口电路中，其核心器件是PDIUSBD12芯片。

它是一款性价比很高的USB器件，符合通用串行总线USB1.1版规范。

通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口，并且支持本地的DMA传输。

PDIUSBD12的DATA[0-7]接口与SPCE061的IOA[8-15]接口相连，用于传输8位数据；WR_N、DR_N、CS_N、ALE和RESET_N以及INT_N分别与单片机的IOA[4-7]、IOB8、IOB2相连接，用于对PDIUSBD12的控制。

单片机SPCE061A 与PDIUSBD12之间通讯采用中断方式[5]来实现。

PDIUSBD12通过这种方式来识别命令和数据：在ALE信号的下降沿时锁定地址，如果是奇地址，那么它接收的是命令；如果是偶地址，那么它发送或接收的是数据。

PDIUSBD12的中断寄存器只要不为0，它的中断输出引脚（INT_N）就保持低电平，当PDIUSBD12的中断寄存器由零变为非零时，马上触发SPCE061A的外部中断，SPCE061A单片机在中断处理时，读取PDIUSBD12芯片的状态寄存器以清除中断寄存器中对应位，使得中断引脚变为高电平。

这样使得SPCE061A可以在退出中断后，可随时响应外部中断。

2.系统软件设计
本系统的上位机主要控制微处理器的启动、停止等动作,以及控制采集数据的传输、保存等操作。

上位机软件采用Visual Basic语言作为开发工具，它丰富便捷的界面设计工具[6]，使编程人员可以快捷准确的完成各种功能的图形界面设计。

本系统的下位机程序采用C语言编写，与汇编语言相比它更加方便直观，并能够直接调用许多库函数来处理数据，因此编写起来要快捷很多。

单片机程序的主要作用是：(1)负责接收上位机的命令；(2)负责A/D转换的控制。

3.实验结果
系统的操作界面如下图3.1所示。

界面上方为注意事项区，提醒使用者正确操作。

界面左侧是脉搏波波形显示区。

界面右侧是用户区，在开始操作之前由被测者填写。

界面下方为控制区，其各个按钮的作用分别为，点击“开始”按钮：串口打开，数据通讯开始，图形显示区域内开始显示脉搏波波形；点击“停止”按钮：通讯截止，不再采集脉搏信号，波形静止。

显示在图形显示区域内；点击“保存”按钮：将接收到的数据保存到指定的目录下；点击“退出”按钮：关闭串口，退出系统。

图3.1 数据采集界面
本系统完成了脉搏信号采集和处理的硬件、软件设计及调试。

建立了一个以SPCE061A单片机为控制核心的硬件系统。

以VB作为开发平台设计了一个界面控制下位机。

并且使得脉搏波信号可以直观的显示并存储，方便下一步对其进行处理。

【参考文献】
［１］张文娟,李永光,王鸿谟,等.中医脉象图客观化研究.中华中医药杂志(原中国医药学报),2006,增刊: 242-247.
［２］Bailey SS, Palmer CG,et al. Evidence that the dopamine D4 receptor is a susceptibility gene in ADHD. Molecular Psychiatry,2008(3):427-430.
［３］HK2000B Datasheet.http: / /www. /chanp in /maibo.htm.
［４］罗亚非等.凌阳16位单片机应用基础.北京:北京航空航天大学出版
社,2006:113-115.
［５］徐喆.基于USB技术的心电检测系统的研究与设计.哈尔滨理工大学学报.2006.
［６］王栋.Visual Basic程序设计.北京:清华大学出版社,2004.。